Datacenter Heat Energy Genbrug: Varmtvandskøling

I denne serie udforsker vi de forskellige måder, som datacenteroperatører forsøger at være ansvarlige globale borgere på, mens de sikrer langsigtet afkast af aktiver ved at reducere deres CO2011-fodaftryk ved at opfange og genbruge den varmeenergi, der produceres af deres IKT-udstyr. Jeg har taget til min samtalestarter en oktober XNUMX MIT Technology Review artikel af Neil Savage, "Drivhuseffekt: Fem ideer til genbrug af datacentres spildvarme." De fem eksempler, han citerer i denne artikel, repræsenterer faktisk fem generelle strategier, og derfor synes jeg, at de er et nyttigt udgangspunkt for at udforske udviklingen over de efterfølgende ni år. Idéerne var:

Notre Dame Universitys datacenter opvarmede et drivhus.

Et datacenter fra Syracuse University producerede sin egen elektricitet og brugte overskydende koldt vand til aircondition i en tilstødende kontorbygning om sommeren og overskydende varmt vand til at opvarme det om vinteren

Et IBM-forskningsdatacenter i Zürich brugte væskekøling med varmt vand og brugte det varmere "returvand" til opvarmning af et tilstødende laboratorium.

Oak Ridge National Laboratory udviklede en mekanisme, der blev fastgjort til en mikroprocessor og producerede elektricitet.

Et Telecity-datacenter i Paris leverede varme til forskningseksperimenter om virkningerne af klimaændringer.

I første del så vi på variationer af Notre Dame Universitys brug af varmluft fra datacentre til at opretholde et tilstødende drivhus gennem de nordlige Indiana-vintre. Mens vi dækkede flere forskellige eksempler på genbrug af varm luft, udgjorde generelt den lave energi i 80-95˚F luft og kravet om, at applikationen i det væsentlige støder op til datacentret, rimelige hindringer for attraktiv ROI. Ved gennemgang af brugen af 80˚F spildluft fra et UPS-rum til at reducere løft på generatorblokvarmeres 100˚F-mål, fastslog vi, at der kunne argumenteres for, at effektiv luftstrømsstyringspraksis gør det muligt for et datacenter at operere tættere på den øvre anbefalede grænse af ASHRAE ville resultere i spildluft, som helt kunne eliminere behovet for generatorblokvarmere. Dette eksempel omhandlede både energikvalitets- og tilstødende hindringer. Ellers fandt vi ud af, at den mest effektive anvendelse af varmeenergi fra returluft fra datacentre fandt sted i nordeuropæiske lokale fjernvarmenetværk og opdagede, at over 10 % af Sveriges varmeenergi kommer fra datacentre. Faktisk repræsenterer lokale varmedistrikter i en eller anden form en brugbar model for effektiv datacenterenergigenbrug, som vi vil se i efterfølgende diskussioner.

Jeg opfandt "tapping the loop" til den anden kategori af datacenterenergigenbrug, hvor forsyningssiden af kølevandssløjfen kunne tappes til supplerende køling, og retursiden kunne tappes til enten opvarmning eller køling. I eksemplet fra University of Syracuse fra Savages artikel var den primære energikilde til genbrug turbineudstødning, som var varm nok til at drive absorptionskølere til at levere klimaanlæg i bygningen, som blev tappet for at afkøle datacentret, eller varm nok til at køre gennem en varmeveksler for at opvarme bygningen om vinteren. En mere aktuel lysende stjerne til at "tapping the loop" er Westin-Amazon-projektet i Seattle, som involverede lidt mere ligetil ingeniørarbejde, men meget mere kreativitet i den overordnede projektledelse, hvilket kræver samarbejde mellem forskellige offentlige myndigheder, offentlige forsyningsselskaber og virksomheder, der forfølger gensidigt gavnlig egeninteresse. I det væsentlige repræsenterer Amazons kontorbygninger det, der svarer til en lokal varmedistrikts-"kunde" for Clise Properties (ejeren af Westin Carrier Hotel), og Clise Properties og McKinstry Engineering dannede en enhed, der er registreret som et godkendt forsyningsselskab. Amazon vil undgå omkring 80 millioner kW timers varmeenergiomkostninger, og Clise Properties vil undgå udgifter til drift af fordampningstårne og udgifter til deraf følgende vandtab. Mens Westin-Amazon-modellen for mig repræsenterer den perfekte plan for et effektivt genbrugsprojekt for energigenbrug af loop-datacenteret, afslørede en gennemgang af et lignende projekt, der blev aflyst ved Massachusetts Institute of Technology, kompleksiteten i at forsøge at bedrive alle kattene til sådanne. en bestræbelse, som vi vil se igen i denne tredje del af serien.

Den tredje kategori af datacenter varmeenergi genbrug fra MIT Technology Review er varmtvandskøling, som kan være til gavn for en af de to første kategorier, men er særlig fordelagtig med væskekøling af datacenter (som endelig vinder noget meningsfuldt indpas i vores branche). Som tidligere nævnt, hvis datacenteraffaldsluft bruges til at lette generatorstartere, vil en hævning af tilførselsluften fra 65˚F eller 70˚F op til 78-80˚F producere en returlufttemperatur, der er høj nok til at eliminere blokvarmere. Ydermere, i Westin-Amazon-projektet, kunne en god udførelse af indeslutning af luftstrøm i datacentret tillade, at datacentrets vandforsyning til forsyningsvarmeveksleren øges nok til at reducere varmegenvindingsanlæggets løft med 28 %. I ingen af disse tilfælde taler vi om afkøling med varmt eller varmt vand, men selv at flytte nålen kan disse små trin give betydelige fordele. Når vi begynder at arbejde med varmt vand, får vi spildvarmeenergi af højere kvalitet, og vand er lettere at flytte rundt på end luft.

IBM's proof-of-concept-datacenter ved Zürich Research Laboratory udnyttede innovationer inden for direkte kontakt med væskekøling, hvorved varmt vand blev pumpet gennem kobbermikrokanaler knyttet til computerchips. De fandt ud af, at 140˚F forsyningsvand holdt spåntemperaturer omkring 176˚F, sikkert under det anbefalede maksimum på 185˚F. Denne varmtvandskøling resulterede i en "retur"-temperatur efter processen på 149˚F, hvilket var en passende varmeenergi til både bygningsopvarmning og -køling gennem en absorptionskøler uden at kræve et boost fra varmepumper. Ud over at levere varme til et tilstødende laboratorium, leverede absorptionskøleren 49 kW kølekapacitet ved omkring 70˚F. En forenklet oversigt over denne fremgangsmåde er illustreret i figur 1 nedenfor.

Figur 1: Forenklet flow af genbrug af flydende køleenergi til datacenter

Omtrent samtidig med, at IBM proof of concept-eksperimentet med væskekøling af varmt vand blev implementeret i Schweiz, eksperimenterede eBay med varmtvandskøling i Phoenix i det velkendte Mercury Project. Mercury-projektet involverede en del af datacentret afkølet af kølevandssløjfe forbundet til kølere og derefter et andet datacenter, der brugte kondensatorreturvand fra det første datacenter op til 87˚F til at forsyne rackmonterede bagdørsvarmevekslere. Det er klart, at temperaturerne oversteg ASHRAEs anbefalede serverindløbslufttemperaturer, men forblev inden for det tilladte klasse A2-område. Det var inden for denne operation, at Dean Nelson og hans team fandt på en forretningsmissionsbaseret datacentereffektivitetsmetrik, der knyttede datacenteromkostninger til kundesalgstransaktioner, og derved gav form til det illusive vendepunkt mellem datacentereffektivitet og effektivitet. I dette tilfælde var "kunden" intern, og spildvarmen blev ikke brugt som varmeenergikilde, men som kølekilde.

Project Mercury-modellen tilbyder faktisk en vision for lavrisiko-varmtvandskøling, som kunne være tilgængelig for mange datacentre uden at skulle gå hele vejen til en form for direkte kontakt med væskekøling. For eksempel kan datacentre, der anvender bagdørs varmevekslere, fungere med fremløbstemperaturer nord for 65˚F, hvilket let overstiger returtemperaturen for en bygningskomfortkølende returvandskreds. At tappe returvandet er i det væsentlige frikøling, og i den tid på året, hvor bygningens AC måske ikke kører kontinuerligt (eller overhovedet, mine venner i Minnesota), kan bagdørens varmevekslere forsynes gennem en frikølende varmeveksler økonomizer. Det samme princip gælder for direkte kontakt med væskekøling, som i det væsentlige bør være fri til at fungere i ethvert anlæg med en hvilken som helst meningsfuld størrelse komfortkølebelastning.

For nylig har IBM Zurich oversat proof-of-concept til en fuldproduktions supercomputer i Zürich (LRZ SuperMUC-NG), med et parallelt projekt i Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, leder af Smart System Integration ved laboratorierne i Zürich hævder, at produktions-supercomputeren faktisk er en facilitet til negative emissioner, fordi alt IKT-udstyret er drevet af vedvarende energi, og så repræsenterer opvarmningen og afkølingen produceret af datacentret emissionsforebyggelse. Temperaturprofilen for de forskellige trin i processen i figur 1 vil variere afhængigt af kundesituation og krav. For at levere køling til netværket og lagerudstyr i varmere vejr, når frikøling ikke er tilgængelig, og for at levere brugbar varmeenergi til fjernvarmenetværk i køligere vejr, kører datacentret ved 149˚F. For at give gulvvarme til privatkunder kan den falde ned til 131˚F og for at understøtte frikøling ved Oak Ridge vil de køre ved 113˚F. Fahrenheit absorptionskøleren arbejder med en 127˚F drivtemperatur for at levere 68˚F kølet vand til køleenhederne, der betjener lager- og netværksudstyr, med en samlet kølekapacitet på 608kW.

IBM-projektet afhænger af banebrydende innovation i at reducere termisk modstand og derved tillade højere vandtemperatur ved chippen, hvilket resulterer i faktiske overordnede forbedringer af chippens ydeevne. Ikke desto mindre kan enhver af de forskellige direkte kontakt væskekølingsløsninger, der er tilgængelige på markedet i dag, levere en betydelig del af fordelene ved varmtvandskøling. De fremsætter alle deres egne påstande om, hvor varmt det "kølende" forsyningsvand kan være for at opretholde passende spåntemperaturer og endda forbedre spånydelsen i forhold til traditionel luftkøling. Selv når disse temperaturer måske ikke er høje nok til direkte at erstatte traditionelle varmekilder (kedler osv.) eller drive absorptionskølere, er de stadig høje nok til dramatisk at reducere det løft, der kræves på varmepumper for at hæve denne varme til et nyttigt niveau. Ydermere bør der ved væskekøletemperaturer ikke være behov for kølere eller mekanisk køling. Næste gang vil vi se på nogle af de investerings- og driftsomkostninger, der er forbundet med at høste fordelene ved varmtvandskøling og nogle af de større samfundsmæssige og infrastrukturelle udfordringer.