Palvelinkeskuksen lämpöenergian uudelleenkäyttö: kuumavesijäähdytys

Tässä sarjassa tutkimme erilaisia ​​tapoja, joilla konesalioperaattorit yrittävät olla vastuullisia maailmankansalaisia ​​ja samalla taata omaisuuden pitkän aikavälin tuotto pienentämällä hiilijalanjälkeään talteen ja hyödyntämällä ICT-laitteiden tuottamaa lämpöenergiaa. Keskusteluni aloitin lokakuussa 2011 MIT-teknologian katsaus Neil Savagen artikkeli "Kasvihuoneilmiö: viisi ideaa palvelinkeskusten hukkalämmön uudelleenkäyttöön". Viisi esimerkkiä, jotka hän mainitsee tässä artikkelissa, edustavat itse asiassa viittä yleistä strategiaa, ja siksi pidän niitä hyödyllisenä lähtökohtana seuraavien yhdeksän vuoden kehitystä tutkittaessa. Ideat olivat:

Notre Damen yliopiston palvelinkeskus lämmitti kasvihuonetta.

Syracusen yliopiston palvelinkeskus tuotti itse sähköä ja käytti ylimääräistä kylmää vettä viereisen toimistorakennuksen ilmastoimiseen kesällä ja ylimääräistä kuumaa vettä sen lämmittämiseen talvella.

IBM:n tutkimustietokeskus Zürichissä käytti lämpimän veden nestejäähdytystä ja lämpimämpää "paluuvettä" viereisen laboratorion lämmittämiseen.

Oak Ridge National Laboratory kehitti mekanismin, joka kiinnitettiin mikroprosessoriin ja tuotti sähköä.

Telecityn palvelinkeskus Pariisissa tarjosi lämpöä ilmastonmuutoksen vaikutuksia koskeviin tutkimuskokeisiin. 

Ensimmäisessä osassa tarkastelimme muunnelmia siitä, miten Notre Damen yliopisto käytti palvelinkeskuksen kuumaa jäteilmaa viereisen kasvihuoneen ylläpitämiseen näiden pohjoisten Indianan talvien ajan. Vaikka käsittelimme useita erilaisia ​​esimerkkitapauksia kuuman ilman uudelleenkäytöstä, yleensä 80-95˚F ilman alhainen energia ja vaatimus, että sovellus on olennaisesti lähellä datakeskusta, aiheuttivat kohtuullisia esteitä houkuttelevalle ROI:lle. Tarkastellessamme UPS-huoneesta tulevan 80 ˚F jäteilman käyttöä generaattorilohkolämmittimien 100˚F:n tavoitteen nostovoiman vähentämiseksi päätimme, että voidaan pitää hyvänä perusteena, että tehokkaat ilmavirran hallintakäytännöt mahdollistavat palvelinkeskuksen toiminnan lähempänä ASHRAE:n suositeltu yläraja johtaisi jäteilmaan, joka voisi poistaa generaattorilohkolämmittimien tarpeen kokonaan. Tämä esimerkki käsitteli sekä energialuokan että vierekkäisyyden esteitä. Muuten havaitsimme konesalin paluuilman lämpöenergian tehokkaimmat käyttötavat Pohjois-Euroopan paikallisissa kaukolämpöverkoissa ja havaitsimme, että yli 10 % Ruotsin lämpöenergiasta tulee konesaleista. Itse asiassa paikalliset lämpöpiirit ovat tavalla tai toisella hyödyllinen malli tehokkaalle datakeskusten energian uudelleenkäytölle, kuten tulemme näkemään myöhemmissä keskusteluissa.

Tein "silmukan napautuksen" toiseen palvelinkeskusten energian uudelleenkäytön kategoriaan, jossa jäähdytetyn vesipiirin syöttöpuolta voitiin koskettaa lisäjäähdytykseen ja paluupuolta joko lämmitykseen tai jäähdytykseen. Syracusan yliopiston esimerkissä Savagen artikkelista, ensisijainen energialähde uudelleenkäyttöön oli turbiinin pakokaasu, joka oli tarpeeksi kuuma ohjaamaan absorptiojäähdyttimiä rakennuksen ilmastointiin, jota käytettiin jäähdyttämään palvelinkeskus tai tarpeeksi kuuma lähtemään. lämmönvaihtimen kautta rakennuksen lämmittämiseksi talvella. Ajankohtaisempi loistava tähti "silmukan napauttamiseksi" on Westin-Amazon-projekti Seattlessa, joka sisälsi hieman yksinkertaisempaa suunnittelua, mutta paljon enemmän luovuutta yleisessä projektinhallinnassa, mikä edellyttää yhteistyötä eri valtion virastojen, julkisten laitosten ja yritysten välillä. hyödyllinen oma etu. Pohjimmiltaan Amazonin toimistorakennukset vastaavat paikallista lämpöpiirin "asiakasta" Clise Propertiesille (Westin Carrier -hotellin omistaja), ja Clise Properties ja McKinstry Engineering muodostivat kokonaisuuden, joka on rekisteröity hyväksyttynä sähköyhtiönä. Amazon välttää noin 80 miljoonan kWh lämmitysenergian kustannukset ja Clise Properties välttää haihdutustornien ylläpitokulut ja niistä aiheutuvat vesihäviöt. Vaikka Westin-Amazon-malli edustaa minulle täydellistä suunnitelmaa silmukan datakeskuksen energian uudelleenkäyttöprojektin tehokkaaseen hyödyntämiseen, Massachusetts Institute of Technologyssa peruutetun samanlaisen projektin tarkastelu paljasti, kuinka monimutkaisia ​​on yrittää paimentaa kaikkia kissoja tällaiseen tarkoitukseen. yritys, jonka näemme jälleen tässä sarjan kolmannessa osassa.

Kolmannen luokan datakeskuksen lämpöenergian uudelleenkäyttöä MIT-teknologian katsaus on kuumavesijäähdytys, joka voi hyötyä jommastakummasta kahdesta ensimmäisestä luokasta, mutta on erityisen hyödyllinen konesalien nestejäähdytyksessä (joka on vihdoin saamassa merkittävää vetovoimaa alallamme). Kuten aiemmin mainittiin, jos konesalin jäteilmaa käytetään generaattorin käynnistysten helpottamiseksi, tuloilman nostaminen 65 ˚F:sta tai 70 ˚F:sta 78–80 ˚F:iin tuottaa paluuilman lämpötilan riittävän korkeaksi lohkolämmittimien poistamiseksi. Lisäksi Westin-Amazon-projektissa konesalin hyvä ilmavirran suojaus voisi mahdollistaa konesalin veden syöttöä sähkön lämmönvaihtimeen lisäämällä niin paljon, että lämmön talteenottolaitoksen nostoa pienennetään 28 %. Kummassakaan näistä tapauksista ei puhuta jäähdytyksestä lämpimällä tai kuumalla vedellä, mutta jopa neulan siirtäminen näistä pienistä vaiheista voi tuottaa merkittäviä etuja. Kun aloitamme työskentelyn kuuman veden kanssa, saamme korkealaatuista hukkalämpöenergiaa ja vesi on helpompi liikkua kuin ilma.

IBM:n proof-of-concept-palvelinkeskus Zürichin tutkimuslaboratoriossa hyödynsi innovaatioita suorakosketusnestejäähdytyksessä, jossa kuumaa vettä pumpattiin tietokonesirujen kuparimikrokanavien kautta. He havaitsivat, että 140 ˚F:n syöttövesi piti hakkeen lämpötilan noin 176˚F:ssa, mikä on turvallisesti alle suositellun 185˚F maksimilämpötilan. Tämä kuumavesijäähdytys johti prosessin jälkeiseen "paluu"lämpötilaan 149 ˚F, mikä oli riittävä lämpöenergia sekä rakennuksen lämmitykseen että jäähdytykseen absorptiojäähdyttimen kautta ilman, että lämpöpumppuja tarvittaisiin tehostaa. Sen lisäksi, että absorptiojäähdytin tarjosi lämpöä viereiselle laboratoriolle, se tarjosi 49 kW jäähdytystehoa noin 70 ˚F:ssa. Yksinkertaistettu yleiskuva tästä lähestymistavasta on esitetty alla olevassa kuvassa 1.

Kuva 1: Palvelinkeskuksen nestejäähdytysenergian uudelleenkäytön yksinkertaistettu virtaus

Samoihin aikoihin, kun IBM:n proof of concept kuumavesijäähdytyskokeilu toteutettiin Sveitsissä, eBay kokeili lämminvesijäähdytystä Phoenixissa paljon julkisuutta saaneessa Mercury Projectissa. Mercury-projekti sisälsi yhden osan palvelinkeskuksesta, jota jäähdytettiin jäähdyttimiin yhdistetyllä jäähdytysvesisilmukalla, ja sitten toisen datakeskuksen, joka käytti lauhduttimen paluuvettä ensimmäisestä palvelinkeskuksesta 87 ˚F asti telineeseen asennettujen takaoven lämmönvaihtimien toimittamiseksi. Ilmeisesti lämpötilat ylittivät ASHRAE:n suosittelemat palvelimen tuloilman lämpötilat, mutta pysyivät luokan A2 sallitulla alueella. Tämän toimenpiteen aikana Dean Nelson ja hänen tiiminsä kehittivät liiketoimintaan perustuvan datakeskuksen tehokkuusmittarin, joka sitoi datakeskusten kustannukset asiakkaiden myyntitapahtumiin ja loi siten muodon palvelinkeskuksen tehokkuuden ja tehokkuuden kuvitteelliselle kääntöpisteelle. Tässä tapauksessa ”asiakas” oli sisäinen ja hukkalämpöä ei käytetty lämpöenergian lähteenä vaan jäähdytyksen lähteenä.

Project Mercury -malli tarjoaa itse asiassa vision vähäriskisestä lämpimän veden jäähdytyksestä, joka voisi olla saatavilla monille datakeskuksille ilman, että joutuisi siirtymään johonkin suorakosketusnestejäähdytykseen. Esimerkiksi palvelinkeskukset, joissa käytetään takaoven lämmönvaihtimia, voivat toimia menolämpötilalla 65˚F pohjoispuolella, mikä ylittää helposti rakennuksen mukavuuden jäähdytyksen paluuvesipiirin paluulämpötilan. Paluuveden käyttö on pohjimmiltaan ilmaista jäähdytystä ja sitten vuoden aikana, jolloin rakennuksen AC ei ehkä ole käynnissä jatkuvasti (tai ei ollenkaan, ystäväni Minnesotassa), takaoven lämmönvaihtimia voidaan syöttää ilmaiseksi jäähdyttävän lämmönvaihtimen kautta. ekonomaiseri. Sama periaate pätee suorakosketusnestejäähdytykseen, jonka pitäisi olla käytännössä vapaa toimimaan missä tahansa laitoksessa, jolla on mielekästä kokoista mukavuusjäähdytyskuormitusta.

Hiljattain IBM Zurich on kääntänyt proof-of-konseptin täyden tuotannon supertietokoneeksi Zürichissä (LRZ SuperMUC-NG) rinnakkaisella projektilla Oak Ridgessä, Tennesseessä. Bruno Michel, Smart System Integration -päällikkö Zürichin laboratorioista, väittää, että tuotantosupertietokone on itse asiassa negatiivisten päästöjen laitos, koska kaikki ICT-laitteet saavat virtansa uusiutuvasta energiasta ja sitten palvelinkeskuksen tuottama lämmitys ja jäähdytys edustaa päästöjen välttämistä. Kuvan 1 prosessin eri vaiheiden lämpötilaprofiili vaihtelee asiakkaan tilanteen ja vaatimusten mukaan. Esimerkiksi verkon ja varastolaitteiden jäähdyttämiseksi lämpimällä säällä, kun ilmaista jäähdytystä ei ole saatavilla, ja käyttökelpoisen lämpöenergian tuottamiseksi kaukolämpöverkkoihin kylmemmällä säällä, palvelinkeskus toimii 149 ˚F:ssa. Lattialämmityksen tarjoamiseksi yksityisasiakkaille se voi pudota 131 ˚F:iin, ja Oak Ridgen ilmaisen jäähdytyksen tukemiseksi ne toimivat 113 ˚F:ssä. Fahrenheit-absorptiojäähdytin toimii 127 ˚F:n käyttölämpötilalla ja toimittaa 68˚F jäähdytettyä vettä varasto- ja verkkolaitteita palveleviin jäähdytysyksiköihin, joiden kokonaisjäähdytysteho on 608 kW.

IBM-projekti perustuu läpimurtoinnovaatioon lämmönvastuksen vähentämisessä, mikä mahdollistaa korkeamman veden lämpötilan sirussa, mikä johtaa todelliseen sirun yleisen suorituskyvyn paranemiseen. Siitä huolimatta mikä tahansa markkinoilla olevista erilaisista suorakosketusnestejäähdytysratkaisuista voi tarjota merkittävän osan kuumavesijäähdytyksen eduista. He kaikki esittävät omat väitteensä siitä, kuinka kuumaa "jäähdytys" tulovesi voi olla riittävän hakkeen lämpötilan ylläpitämiseksi ja jopa parantaa lastun suorituskykyä perinteiseen ilmajäähdytykseen verrattuna. Vaikka nämä lämpötilat eivät ehkä ole riittävän korkeita korvaamaan suoraan perinteisiä lämmityslähteitä (kattilat jne.) tai ajamaan absorptiojäähdyttimiä, ne ovat silti tarpeeksi korkeat vähentämään dramaattisesti lämpöpumppujen nostoa lämmön nostamiseksi käyttökelpoiselle tasolle. Lisäksi nestejäähdytyslämpötiloissa jäähdyttimiä tai mekaanista jäähdytystä ei pitäisi tarvita. Seuraavalla kerralla tarkastellaan joitain investointien ja käyttökustannusten kompromisseja, jotka liittyvät kuumavesijäähdytyksen hyötyjen hyödyntämiseen ja joitain suurempia yhteiskunnallisia ja infrastruktuurihaasteita.