Datasenter Varmeenergi Gjenbruk: Varmtvannskjøling

I denne serien utforsker vi de forskjellige måtene datasenteroperatører forsøker å være ansvarlige globale borgere på, samtidig som de sikrer langsiktig avkastning på eiendeler ved å redusere deres karbonavtrykk gjennom å fange opp og gjenbruke varmeenergien som produseres av deres IKT-utstyr. Jeg har tatt for min samtalestarter en oktober 2011 MIT Technology Review artikkel av Neil Savage, "Greenhouse Effect: Five Ideas for Re-using Data Centers' Waste Heat." De fem eksemplene han siterer i denne artikkelen representerer faktisk fem generelle strategier, og derfor synes jeg de er et nyttig startpunkt for å utforske utviklingen de påfølgende ni årene. Ideene var:

Notre Dame University datasenter varmet opp et drivhus.

Et datasenter ved Syracuse University produserte sin egen elektrisitet og brukte overflødig kaldt vann for å luftkondisjonere en tilstøtende kontorbygning om sommeren og overflødig varmtvann for å varme det opp om vinteren

Et IBM-forskningsdatasenter i Zürich brukte væskekjøling med varmt vann og brukte det varmere "returvannet" til å varme opp et tilstøtende laboratorium.

Oak Ridge National Laboratory utviklet en mekanisme som ble festet til en mikroprosessor og produserte elektrisitet.

Et Telecity-datasenter i Paris ga varme til forskningseksperimenter om virkningene av klimaendringer. 

I del én så vi på variasjoner på Notre Dame Universitys bruk av datasenteravfallsluft for å opprettholde et tilstøtende drivhus gjennom de nordlige Indiana-vintrene. Selv om vi dekket flere forskjellige eksempler på gjenbruk av varm luft, ga generelt lavenergien til 80–95˚F luft og kravet om at applikasjonen i det vesentlige skulle være ved siden av datasenteret rimelige hindringer for attraktiv avkastning. Da vi gjennomgikk bruken av 80˚F avløpsluft fra et UPS-rom for å redusere løftet på generatorblokkvarmerens 100˚F-mål, fant vi ut at det kunne være et godt eksempel på at effektiv luftstrømstyringspraksis gjør at et datasenter kan operere nærmere den øvre anbefalte grensen for ASHRAE vil resultere i avfallsluft som kan eliminere behovet for generatorblokkvarmere. Dette eksemplet tok for seg både energikarakteren og nærliggende hindringer. Ellers fant vi at den mest effektive bruken av varmeenergi fra returluft fra datasenter skjedde i nordeuropeiske lokale fjernvarmenettverk og oppdaget at over 10 % av Sveriges varmeenergi kommer fra datasentre. Faktisk representerer lokale varmedistrikter i en eller annen form en nyttig modell for effektiv gjenbruk av datasenterenergi, som vi vil se i senere diskusjoner.

Jeg laget "tapping the loop" for den andre kategorien av datasenterenergigjenbruk, der forsyningssiden av kjølevannssløyfen kunne tappes for tilleggskjøling og retursiden kunne tappes for enten oppvarming eller kjøling. I eksempelet fra University of Syracuse fra Savages artikkel var den primære energikilden for gjenbruk turbineksos, som var varmt nok til å drive absorpsjonskjølere for å gi bygningsklimaanlegg, som ble tappet for å kjøle ned datasenteret, eller varmt nok til å gå. gjennom en varmeveksler for å varme opp bygget om vinteren. En mer aktuell lysende stjerne for å "tapping the loop" er Westin-Amazon-prosjektet i Seattle, som involverte litt mer enkel ingeniørkunst, men mye mer kreativitet i den overordnede prosjektledelsen, som krever samarbeid mellom ulike offentlige etater, offentlige tjenester og selskaper som driver gjensidig gunstig egeninteresse. I hovedsak representerer Amazons kontorbygninger ekvivalenten til en lokal varmedistrikts-"kunde" for Clise Properties (eieren av Westin Carrier Hotel), og Clise Properties og McKinstry Engineering dannet en enhet registrert som et godkjent forsyningsselskap. Amazon vil unngå rundt 80 millioner kW timers oppvarmingsenergikostnader, og Clise Properties vil unngå utgifter til drift av fordampningstårn og utgifter til resulterende vanntap. Mens Westin-Amazon-modellen for meg representerer den perfekte planen for et effektivt gjenbruksprosjekt for energigjenbruk i datasenteret, avslørte en gjennomgang av et lignende prosjekt som ble kansellert ved Massachusetts Institute of Technology kompleksiteten ved å prøve å gjete alle kattene for slike et forsøk, som vi vil se igjen i denne tredje delen av serien.

Den tredje kategorien av datasenter varmeenergi gjenbruk fra MIT Technology Review er varmtvannskjøling, som kan være til nytte for en av de to første kategoriene, men som er spesielt fordelaktig med væskekjøling av datasenter (som endelig har fått en viss betydning i vår bransje). Som tidligere nevnt, hvis avløpsluft fra datasenter brukes for å lette generatorstartere, vil heving av tilførselsluften fra 65˚F eller 70˚F opp til 78-80˚F produsere en returlufttemperatur som er høy nok til å eliminere blokkvarmere. Videre, i Westin-Amazon-prosjektet, kan en god utførelse av luftstrøm inneslutning i datasenteret tillate at vannforsyningen til datasenteret til varmeveksleren økes nok til å redusere varmegjenvinningsanleggets løft med 28 %. I ingen av disse tilfellene snakker vi om kjøling med varmt eller varmt vann, men selv å flytte nålen kan disse små trinnene gi betydelige fordeler. Når vi begynner å jobbe med varmt vann, får vi høykvalitets spillvarmeenergi og vann er lettere å flytte rundt enn luft.

IBM proof-of-concept-datasenteret ved Zürich Research Laboratory utnyttet innovasjoner innen væskekjøling med direkte kontakt der varmt vann ble pumpet gjennom kobbermikrokanaler festet til databrikker. De fant at 140˚F tilførselsvann holdt brikketemperaturen rundt 176˚F, trygt under det anbefalte 185˚F maksimum. Denne varmtvannskjølingen resulterte i en "retur"-temperatur etter prosess på 149˚F, som var en tilstrekkelig varmeenergi for både bygningsoppvarming og kjøling gjennom en absorpsjonskjøler, uten å kreve et løft fra varmepumper. I tillegg til å gi varme til et tilstøtende laboratorium, ga absorpsjonskjøleren 49kW kjølekapasitet ved omtrent 70˚F. En forenklet oversikt over denne tilnærmingen er illustrert i figur 1 nedenfor.

Figur 1: Forenklet flyt av datasenter flytende kjøleenergi gjenbruk

Omtrent samtidig som IBM proof of concept-eksperimentet for varmtvannskjøling ble implementert i Sveits, eksperimenterte eBay med varmtvannskjøling i Phoenix i det godt publiserte Mercury Project. Mercury-prosjektet involverte en del av datasenteret avkjølt med kjøltvannssløyfe koblet til kjølere og deretter et andre datasenter som brukte kondensator-returvann fra det første datasenteret opp til 87˚F for å forsyne rackmonterte bakdørsvarmevekslere. Tydeligvis overskred temperaturene ASHRAE anbefalte serverinntakslufttemperaturer, men holdt seg innenfor det tillatte klasse A2-området. Det var innenfor denne operasjonen at Dean Nelson og teamet hans kom opp med en forretningsoppdragsbasert datasentereffektivitetsmåling som knytter datasenterkostnader til kundesalgstransaksjoner, og derved ga form til det illusoriske vippepunktet mellom datasentereffektivitet og effektivitet. I dette tilfellet var "kunden" intern og spillvarmen ble ikke brukt som varmeenergikilde, men som kjølekilde.

Project Mercury-modellen tilbyr faktisk en visjon for lavrisiko varmtvannskjøling som kan være tilgjengelig for mange datasentre uten å måtte gå over hele veien til en eller annen form for direkte kontakt med væskekjøling. For eksempel kan datasentre som bruker bakdørs varmevekslere operere med tilførselstemperaturer nord for 65˚F, som lett overstiger returtemperaturen til en bygningskomfortkjøling returvannsløyfe. Å tappe i returvannet er i hovedsak gratiskjøling, og i løpet av den tiden av året da bygningens AC kanskje ikke kjører kontinuerlig (eller i det hele tatt, mine venner i Minnesota), kan bakdørsvarmevekslerne forsynes gjennom en gratiskjølingsvarmeveksler economizer. Det samme prinsippet gjelder for direkte kontakt med væskekjøling, som i det vesentlige skal være fri til å fungere i alle anlegg med en hvilken som helst meningsfull komfortkjølebelastning.

Nylig har IBM Zurich oversatt proof-of-concept til en fullproduksjons superdatamaskin i Zürich (LRZ SuperMUC-NG), med et parallelt prosjekt i Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, sjef for Smart System Integration ved Zürich-laboratoriene hevder at produksjons-superdatamaskinen faktisk er et anlegg for negative utslipp fordi alt IKT-utstyret drives av fornybar energi og da oppvarming og kjøling produsert av datasenteret representerer utslippsunngåelse. Temperaturprofilen til de ulike trinnene i prosessen i figur 1 vil variere avhengig av kundesituasjon og krav. For eksempel, for å gi kjøling til nettverket og lagringsutstyr i varmere vær når frikjøling ikke er tilgjengelig og for å gi brukbar varmeenergi til fjernvarmenett i kjøligere vær, kjører datasenteret på 149˚F. For å gi gulvvarme til privatkunder, kan den falle ned til 131˚F og for å støtte frikjøling ved Oak Ridge vil de operere ved 113˚F. Fahrenheit-absorpsjonskjøleren opererer med en drivtemperatur på 127˚F for å levere 68˚F kjølt vann til kjøleenhetene som betjener lagrings- og nettverksutstyr, med en total kjølekapasitet på 608kW.

IBM-prosjektet er avhengig av banebrytende innovasjon for å redusere termisk motstand, og dermed tillate høyere vanntemperatur ved brikken, noe som resulterer i faktisk generell forbedring av brikkeytelsen. Ikke desto mindre kan enhver av de forskjellige væskekjøleløsningene som er tilgjengelige på markedet i dag, levere en betydelig del av fordelene med varmtvannskjøling. De kommer alle med sine egne påstander om hvor varmt "kjølevannet" kan være for å opprettholde tilstrekkelige temperaturer på spon og til og med forbedre sponytelsen i forhold til tradisjonell luftkjøling. Selv når disse temperaturene kanskje ikke er høye nok til å erstatte tradisjonelle varmekilder (kjeler osv.) eller drive absorpsjonskjølere, er de fortsatt høye nok til å dramatisk redusere løftet som kreves på varmepumper for å heve den varmen til et nyttig nivå. Videre, ved væskekjølingstemperaturer, bør det ikke være behov for kjølere eller mekanisk kjøling. Neste gang skal vi se på noen av investerings- og driftskostnadsavveiningene knyttet til å høste fordelene med varmtvannskjøling og noen av de større samfunns- og infrastrukturutfordringene.