Duomenų centro šilumos energijos pakartotinis naudojimas: karšto vandens aušinimas

Šioje serijoje nagrinėjame įvairius būdus, kuriais duomenų centrų operatoriai bando būti atsakingais pasaulio piliečiais, tuo pačiu užtikrindami ilgalaikę turto grąžą, mažindami anglies pėdsaką, gaudami ir pakartotinai naudodami savo IRT įrangos pagamintą šilumos energiją. Pokalbio pradžiai pasirinkau 2011 m. spalio mėn MIT Technology Review Neilo Savage'o straipsnis „Šiltnamio efektas: penkios idėjos, kaip pakartotinai panaudoti duomenų centrų atliekinę šilumą“. Penki pavyzdžiai, kuriuos jis cituoja šiame straipsnyje, iš tikrųjų atspindi penkias bendras strategijas, todėl manau, kad jie yra naudingas atspirties taškas tyrinėjant pokyčius per ateinančius devynerius metus. Idėjos buvo tokios:

Notre Dame universiteto duomenų centras šildė šiltnamį.

Sirakūzų universiteto duomenų centras gamino elektrą ir naudojo šalto vandens perteklių vasarą gretimame biurų pastate oro kondicionavimui, o karšto vandens perteklių – šildymui žiemą.

IBM tyrimų duomenų centras Ciuriche naudojo šilto vandens skysčio aušinimą ir naudojo šiltesnį „grįžtamąjį“ vandenį gretimoje laboratorijoje šildyti.

Oak Ridge nacionalinė laboratorija sukūrė mechanizmą, pritvirtintą prie mikroprocesoriaus ir gaminantį elektros energiją.

„Telecity“ duomenų centras Paryžiuje teikė šilumą klimato kaitos poveikio tyrimų eksperimentams. 

Pirmoje dalyje mes apžvelgėme Notre Dame universiteto naudojamo karšto oro srauto, skirto gretimam šiltnamiui išlaikyti per tas šiaurės Indianos žiemas, variantus. Nors aptarėme kelis skirtingus karšto oro pakartotinio naudojimo pavyzdžius, apskritai žemos kokybės 80–95˚F oro energija ir reikalavimas, kad programa iš esmės būtų šalia duomenų centro, sukėlė pagrįstų kliūčių patraukliai IG. Peržiūrėdami 80 ˚F išmetamo oro iš UPS patalpos naudojimą, siekiant sumažinti generatoriaus bloko šildytuvų 100 ˚F tikslinį pakėlimą, nustatėme, kad būtų galima pagrįsti veiksmingą oro srauto valdymo praktiką, leidžiančią duomenų centrui veikti arčiau ASHRAE viršutinė rekomenduojama riba sukeltų išmetamo oro, dėl kurio apskritai nebereikės generatorių bloko šildytuvų. Šiame pavyzdyje buvo aptartos ir energijos lygio, ir gretimų kliūčių. Priešingu atveju mes nustatėme, kad efektyviausias šilumos energijos iš duomenų centrų grįžtamojo oro panaudojimas įvyko Šiaurės Europos vietiniuose centralizuoto šildymo tinkluose ir nustatėme, kad daugiau nei 10 % Švedijos šildymo energijos gaunama iš duomenų centrų. Tiesą sakant, vietiniai šilumos rajonai vienaip ar kitaip yra naudingas efektyvaus duomenų centrų energijos pakartotinio naudojimo modelis, kaip matysime tolesnėse diskusijose.

Antrajai duomenų centro energijos pakartotinio naudojimo kategorijai sukūriau „kilpą“, kai šalto vandens kontūro tiekimo pusė gali būti naudojama papildomam vėsinimui, o grįžtamoji pusė gali būti naudojama šildymui arba vėsinimui. Sirakūzų universiteto pavyzdyje iš Savage'o straipsnio pirminis energijos šaltinis pakartotiniam naudojimui buvo turbinos išmetamosios dujos, kurios buvo pakankamai karštos, kad varytų absorbcinius aušintuvus, kad būtų užtikrintas pastato oro kondicionavimas, kuris buvo naudojamas aušinti duomenų centrą, arba pakankamai karšta, kad būtų galima išeiti. per šilumokaitį pastatui šildyti žiemos metu. Aktualesnė žibančio žvaigždė yra „Westin-Amazon“ projektas Sietle, kuris apėmė šiek tiek paprastesnę inžineriją, bet daug daugiau kūrybiškumo bendrame projekto valdyme, reikalaujančio bendradarbiavimo tarp įvairių vyriausybinių agentūrų, komunalinių paslaugų ir korporacijų, siekiančių abipusio. naudingas savanaudiškumas. Iš esmės „Amazon“ biurų pastatai yra „Clise Properties“ (viešbučio „Westin Carrier“ savininko) vietinio šildymo rajono „kliento“ ekvivalentas, o „Clise Properties“ ir „McKinstry Engineering“ sudarė subjektą, įregistruotą kaip patvirtinta komunalinių paslaugų įmonė. „Amazon“ išvengs maždaug 80 milijonų kWh šildymo energijos sąnaudų, o „Clise Properties“ išvengs garinimo bokštų eksploatavimo išlaidų ir dėl to kylančių vandens nuostolių. Nors Westin-Amazon modelis man yra tobulas planas, kaip efektyviai panaudoti kilpos duomenų centro energijos pakartotinio naudojimo projektą, panašaus projekto, atšaukto Masačusetso technologijos institute, peržiūra atskleidė, kaip sudėtinga bandyti suvaryti visas kates tam. pastangas, kurią vėl pamatysime šioje trečiojoje serijos dalyje.

Trečios kategorijos duomenų centro šilumos energijos pakartotinis panaudojimas iš MIT Technology Review yra aušinimas karštu vandeniu, kuris gali būti naudingas bet kuriai iš pirmųjų dviejų kategorijų, tačiau ypač naudingas naudojant duomenų centro skystąjį aušinimą (kuris pagaliau įgauna reikšmingą trauką mūsų pramonėje). Kaip minėta anksčiau, jei duomenų centro išmetamas oras naudojamas generatorių paleidimui palengvinti, tiekiamo oro temperatūrą pakėlus nuo 65˚F arba 70˚F iki 78-80˚F, grįžtamo oro temperatūra bus pakankamai aukšta, kad būtų pašalinti blokiniai šildytuvai. Be to, Westin-Amazon projekte, tinkamai sutvarkius duomenų centro oro srautą, duomenų centro vandens tiekimas į komunalinį šilumokaitį būtų pakankamai padidintas, kad šilumos atgavimo įrenginio pakėlimas sumažėtų 28%. Nė vienu iš šių atvejų nekalbame apie vėsinimą šiltu ar karštu vandeniu, tačiau net judinant adatą šie nedideli žingsneliai gali duoti daug naudos. Pradėję dirbti su karštu vandeniu, gauname aukštesnės klasės atliekinę šilumos energiją ir vanduo lengviau juda nei oras.

IBM Koncepcijos įrodymo duomenų centras Ciuricho tyrimų laboratorijoje pasinaudojo tiesioginio kontakto skysčio aušinimo naujovėmis, kai karštas vanduo buvo pumpuojamas variniais mikrokanalais, pritvirtintais prie kompiuterių lustų. Jie nustatė, kad 140 ˚F tiekiamas vanduo palaikė maždaug 176˚F drožlių temperatūrą, saugiai žemiau rekomenduojamos 185˚F maksimalios. Dėl šio karšto vandens aušinimo po proceso „grįžimo“ temperatūra buvo 149˚F, o tai buvo tinkama šilumos energija tiek pastato šildymui, tiek vėsinimui per absorbcinį aušintuvą, nereikalaujant šilumos siurblių. Absorbcinis aušintuvas ne tik tiekė šilumą gretimai laboratorijai, bet ir suteikė 49 kW aušinimo galią esant maždaug 70˚F. Supaprastinta šio metodo apžvalga parodyta 1 paveiksle.

1 pav. Supaprastintas duomenų centro skysčio aušinimo energijos pakartotinio panaudojimo srautas

Maždaug tuo pačiu metu, kai Šveicarijoje buvo įgyvendintas IBM proof of concept karšto vandens aušinimo skystu vandeniu eksperimentas, eBay eksperimentavo su šiltu vandeniu vėsinimu Phoenix mieste gerai išreklamuotame Mercury projekte. Į „Mercury“ projektą buvo įtraukta viena duomenų centro dalis, aušinama šalto vandens kilpa, prijungta prie aušintuvų, o vėliau – antrasis duomenų centras, naudojant kondensatorių, grįžtantį vandenį iš pirmojo duomenų centro iki 87˚F, kad būtų tiekiami ant stovo montuojami galinių durų šilumokaičiai. Akivaizdu, kad temperatūra viršijo ASHRAE rekomenduojamą serverio įleidžiamo oro temperatūrą, tačiau išliko A2 klasės leistino diapazono ribose. Būtent šios operacijos metu Deanas Nelsonas ir jo komanda sugalvojo verslo misija pagrįstą duomenų centro efektyvumo metriką, susiejančią duomenų centro išlaidas su klientų pardavimo sandoriais, taip suteikdami formą tam iliuziniam duomenų centro efektyvumo ir efektyvumo taškui. Šiuo atveju „klientas“ buvo vidinis, o perteklinė šiluma buvo naudojama ne kaip šilumos energijos šaltinis, o kaip vėsinimo šaltinis.

„Project Mercury“ modelis iš tikrųjų siūlo mažos rizikos aušinimo šiltu vandeniu viziją, kuri galėtų būti prieinama daugeliui duomenų centrų, nereikėtų pereiti prie tam tikro tiesioginio kontakto skysčio aušinimo. Pavyzdžiui, duomenų centrai, kuriuose naudojami galinių durų šilumokaičiai, gali veikti esant tiekimo temperatūrai į šiaurę nuo 65˚F, o tai lengvai viršija pastato komforto vėsinimo grįžtamojo vandens kontūro grįžtamąją temperatūrą. Patekimas į grįžtamąjį vandenį iš esmės yra nemokamas aušinimas, o tada tuo metų laiku, kai pastato kintamoji srovė gali neveikti nuolat (arba išvis, mano draugai Minesotoje), galinių durų šilumokaičiai gali būti tiekiami per nemokamo aušinimo šilumokaitį. ekonomaizeris. Tas pats principas taikomas tiesioginio kontakto skysčiui aušinimui, kuris iš esmės turėtų laisvai veikti bet kuriame įrenginyje su bet kokia reikšminga komforto aušinimo apkrova.

Visai neseniai IBM Ciurichas išvertė koncepcijos įrodymą į pilną gamybos superkompiuterį Ciuriche (LRZ SuperMUC-NG) su lygiagrečiu projektu Oak Ridge, Tenesyje. Bruno Michelis, Ciuricho laboratorijų išmaniųjų sistemų integravimo vadovas, tvirtina, kad gamybos superkompiuteris iš tikrųjų yra neigiamų teršalų išmetimo įrenginys, nes visa IRT įranga maitinama atsinaujinančia energija, o duomenų centro gaminamas šildymas ir vėsinimas reiškia išmetamųjų teršalų išvengimą. Įvairių proceso etapų temperatūros profilis 1 paveiksle skirsis priklausomai nuo kliento situacijos ir reikalavimų. Pavyzdžiui, norint užtikrinti tinklo ir saugojimo įrangos vėsinimą šiltesniu oru, kai nėra nemokamo vėsinimo, ir teikti naudingą šilumos energiją centralizuoto šildymo tinklams esant vėsesniam orui, duomenų centras veikia 149˚F temperatūroje. Norint užtikrinti grindų šildymą gyvenamiesiems klientams, jis gali nukristi iki 131˚F, o norint palaikyti nemokamą vėsinimą Oak Ridge, jie veiks esant 113˚F. Farenheito sugerties aušintuvas veikia esant 127 ˚F pavaros temperatūrai, kad tiektų 68 ˚F atšaldytą vandenį į aušinimo įrenginius, aptarnaujančius saugojimo ir tinklo įrangą, kurių bendra aušinimo galia yra 608 kW.

IBM projektas priklauso nuo pažangių naujovių mažinant šiluminę varžą, taip leidžiant aukštesnę vandens temperatūrą prie lusto, todėl iš tikrųjų pagerėja bendras lusto veikimas. Nepaisant to, bet kuris iš įvairių tiesioginio kontakto skysčių aušinimo sprendimų, esančių šiandien rinkoje, gali suteikti reikšmingą karšto vandens aušinimo privalumų dalį. Visi jie teigia, koks karštas gali būti tiekiamas „aušinamasis“ vanduo, kad būtų palaikoma tinkama drožlių temperatūra ir netgi pagerėtų drožlių veikimas, palyginti su tradiciniu oro aušinimu. Net jei šios temperatūros gali būti nepakankamai aukštos, kad būtų galima tiesiogiai pakeisti tradicinius šildymo šaltinius (katilus ir kt.) arba varyti absorbcinius aušintuvus, jos vis tiek yra pakankamai aukštos, kad smarkiai sumažintų šilumos siurblių keliamąją galią, kad ši šiluma padidėtų iki naudingo lygio. Be to, esant skysčio aušinimo temperatūrai, neturėtų būti reikalingi aušintuvai ar mechaninis aušinimas. Kitą kartą apžvelgsime kai kuriuos investicijų ir veiklos išlaidų kompromisus, susijusius su karšto vandens aušinimo privalumais ir kai kuriais didesniais visuomenės ir infrastruktūros iššūkiais.