Hergebruik van warmte uit datacenters: warmwaterkoeling

In deze serie onderzoeken we de verschillende manieren waarop exploitanten van datacenters proberen verantwoordelijke wereldburgers te zijn en tegelijkertijd het rendement op hun activa op de lange termijn te garanderen door hun ecologische voetafdruk te verkleinen door de warmte-energie die door hun ICT-apparatuur wordt geproduceerd, op te vangen en te hergebruiken. Als gespreksaanzet heb ik oktober 2011 genomen MIT Technology Review artikel door Neil Savage, “Broeikaseffect: vijf ideeën voor het hergebruiken van de afvalwarmte van datacenters.” De vijf voorbeelden die hij in dit artikel aanhaalt vertegenwoordigen in feite vijf algemene strategieën en daarom vind ik ze een nuttig startpunt voor het verkennen van de ontwikkelingen in de daaropvolgende negen jaar. De ideeën waren:

Het datacentrum van de Notre Dame Universiteit verwarmde een kas.

Een datacenter van de Universiteit van Syracuse produceerde zijn eigen elektriciteit en gebruikte overtollig koud water voor de airconditioning van een aangrenzend kantoorgebouw in de zomer en overtollig warm water om het te verwarmen in de winter

Een onderzoeksdatacentrum van IBM in Zürich gebruikte vloeistofkoeling met warm water en gebruikte het warmere ‘retourwater’ voor het verwarmen van een aangrenzend laboratorium.

Oak Ridge National Laboratory ontwikkelde een mechanisme dat op een microprocessor werd bevestigd en elektriciteit produceerde.

Een datacenter van Telecity in Parijs leverde warmte voor onderzoeksexperimenten naar de effecten van klimaatverandering. 

In deel één hebben we gekeken naar variaties op het gebruik door de Notre Dame University van hete luchtafval van datacenters om een ​​aangrenzende kas tijdens de winters in het noorden van Indiana in stand te houden. Hoewel we verschillende voorbeeldgevallen van hergebruik van warme lucht hebben besproken, vormden over het algemeen de lage energie van 80-95˚F lucht en de vereiste dat de toepassing zich in hoofdzaak naast het datacenter bevond, redelijke obstakels voor een aantrekkelijke ROI. Bij het beoordelen van het gebruik van 80˚F afvoerlucht uit een UPS-ruimte om de lift op de 100˚F-doelstelling van generatorblokverwarmers te verminderen, hebben we vastgesteld dat er een goed argument kon worden aangevoerd dat effectieve luchtstroombeheerpraktijken waardoor een datacenter dichter bij de luchtstroom kan opereren de aanbevolen bovengrens van ASHRAE zou resulteren in afvoerlucht die de noodzaak voor generatorblokverwarmers volledig zou kunnen elimineren. In dit voorbeeld werden zowel de energiekwaliteit als de aangrenzende obstakels aangepakt. Verder ontdekten we dat het meest effectieve gebruik van warmte-energie uit de retourlucht van datacenters plaatsvond in Noord-Europese lokale stadsverwarmingsnetwerken en ontdekten dat meer dan 10% van de Zweedse verwarmingsenergie afkomstig is van datacenters. In feite vertegenwoordigen lokale verwarmingsdistricten in een of andere vorm een ​​bruikbaar model voor effectief hergebruik van energie in datacenters, zoals we zullen zien in volgende discussies.

Ik bedacht ‘het aftappen van de lus’ voor de tweede categorie van hergebruik van energie in datacenters, waarbij de toevoerzijde van de gekoelde waterlus kon worden afgetapt voor aanvullende koeling en de retourzijde kon worden afgetapt voor verwarming of koeling. In het voorbeeld van de Universiteit van Syracuse uit het artikel van Savage was de primaire energiebron voor hergebruik de uitlaatgassen van turbines, die heet genoeg waren om absorptiekoelers aan te drijven om voor airconditioning in het gebouw te zorgen, die werd afgetapt om het datacenter te koelen, of heet genoeg om te gaan werken. via een warmtewisselaar om het gebouw in de winter te verwarmen. Een actuelere ster op het gebied van ‘tapping the loop’ is het Westin-Amazon-project in Seattle, dat een iets eenvoudigere engineering met zich meebracht, maar veel meer creativiteit in het algehele projectmanagement, waardoor samenwerking nodig was tussen verschillende overheidsinstanties, openbare nutsbedrijven en bedrijven die wederzijdse doelstellingen nastreefden. gunstig eigenbelang. In wezen vertegenwoordigen de Amazon-kantoorgebouwen het equivalent van een lokale ‘klant’ voor een verwarmingsdistrict voor Clise Properties (de eigenaar van het Westin Carrier Hotel), en vormden Clise Properties en McKinstry Engineering een entiteit die geregistreerd stond als een erkend nutsbedrijf. Amazon zal ongeveer 80 miljoen kW-uur aan energiekosten voor verwarming vermijden en Clise Properties zal de kosten voor het runnen van verdampingstorens en de kosten van het daaruit voortvloeiende waterverlies vermijden. Hoewel het Westin-Amazon-model voor mij de perfecte blauwdruk vertegenwoordigt voor een effectief hergebruikproject voor energie in datacenters, onthulde een evaluatie van een soortgelijk project dat werd geannuleerd door het Massachusetts Institute of Technology de complexiteit van het proberen alle katten voor zulke dingen te hoeden. een onderneming, die we opnieuw zullen zien in dit derde deel van de serie.

De derde categorie van hergebruik van warmte-energie in datacenters uit de MIT Technology Review is heetwaterkoeling, waar een van de eerste twee categorieën baat bij kan hebben, maar vooral gunstig is bij vloeistofkoeling in datacenters (die eindelijk enige betekenisvolle grip krijgt in onze sector). Zoals eerder vermeld, als de afvoerlucht van datacenters wordt gebruikt om generatorstarters te vergemakkelijken, zal het verhogen van de toevoerlucht van 65˚F of 70˚F naar 78-80˚F een retourluchttemperatuur produceren die hoog genoeg is om blokverwarmers te elimineren. Bovendien zou een goede uitvoering van de luchtstroombeheersing in het Westin-Amazon-project het mogelijk kunnen maken dat de watertoevoer naar de warmtewisselaar van het datacenter voldoende wordt verhoogd om de lift van de warmteterugwinningsinstallatie met 28% te verminderen. In geen van deze gevallen hebben we het over koeling met warm of heet water, maar zelfs het verplaatsen van de naald kunnen deze kleine stappen aanzienlijke voordelen opleveren. Wanneer we met warm water gaan werken, krijgen we afvalwarmte-energie van hogere kwaliteit en is water gemakkelijker te verplaatsen dan lucht.

Het IBM proof-of-concept datacenter van het Zurich Research Laboratory profiteerde van innovaties op het gebied van vloeistofkoeling met direct contact, waarbij heet water door koperen microkanalen werd gepompt die aan computerchips waren bevestigd. Ze ontdekten dat het toevoerwater van 140˚F de chiptemperatuur rond de 176˚F handhaafde, veilig onder het aanbevolen maximum van 185˚F. Deze warmwaterkoeling resulteerde in een “retourtemperatuur” na het proces van 149˚F, wat voldoende warmte-energie was voor zowel de verwarming als de koeling van het gebouw via een absorptiekoelmachine, zonder dat er een boost van warmtepompen nodig was. Naast het leveren van warmte aan een aangrenzend laboratorium, leverde de absorptiekoelmachine 49 kW aan koelcapaciteit bij ongeveer 70˚F. Een vereenvoudigd overzicht van deze aanpak wordt geïllustreerd in figuur 1 hieronder.

Figuur 1: Vereenvoudigde stroom van hergebruik van vloeistofkoelingsenergie in datacenters

Rond dezelfde tijd dat het IBM proof of concept-experiment met heetwater-vloeistofkoeling in Zwitserland werd geïmplementeerd, experimenteerde eBay met warmwaterkoeling in Phoenix in het veelbesproken Mercury Project. Het Mercury-project omvatte een deel van het datacenter dat werd gekoeld door een gekoeldwatercircuit dat was aangesloten op koelmachines, en vervolgens een tweede datacenter dat condensorretourwater uit het eerste datacenter tot 87˚F gebruikte om in racks gemonteerde warmtewisselaars op de achterdeur te leveren. Het is duidelijk dat de temperaturen hoger waren dan de door ASHRAE aanbevolen serverinlaatluchttemperaturen, maar bleven binnen het toegestane bereik van klasse A2. Het was binnen deze operatie dat Dean Nelson en zijn team een ​​op bedrijfsmissies gebaseerde datacenter-efficiëntiemetriek bedachten, waarbij datacenterkosten werden gekoppeld aan klantverkooptransacties, waardoor vorm werd gegeven aan dat illusoire omslagpunt tussen datacenterefficiëntie en effectiviteit. In dit geval was de “klant” intern en werd de restwarmte niet gebruikt als warmte-energiebron, maar als koelbron.

Het Project Mercury-model biedt in feite een visie op warmwaterkoeling met een laag risico die voor veel datacenters beschikbaar zou kunnen zijn zonder dat de overstap hoeft te worden gemaakt naar een of andere vorm van vloeistofkoeling met direct contact. Datacenters die warmtewisselaars op de achterdeur gebruiken, kunnen bijvoorbeeld werken met aanvoertemperaturen boven de 65˚F, wat gemakkelijk de retourtemperatuur van een retourwatercircuit voor comfortkoeling in een gebouw overschrijdt. Het aftappen van het retourwater is in wezen vrije koeling en in de tijd van het jaar waarin de airconditioning van het gebouw misschien niet continu draait (of helemaal niet, mijn vrienden in Minnesota), kunnen de warmtewisselaars in de achterdeur worden gevoed via een vrije koeling-warmtewisselaar. economiser. Hetzelfde principe is van toepassing op vloeistofkoeling met direct contact, die in wezen vrij zou moeten kunnen werken in elke faciliteit met een comfortabele koelbelasting van enige betekenis.

Meer recentelijk heeft IBM Zürich het proof-of-concept vertaald naar een volledige productie-supercomputer in Zürich (LRZ SuperMUC-NG), met een parallel project in Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, Manager Smart System Integration bij de laboratoria in Zürich, beweert dat de productiesupercomputer feitelijk een faciliteit met negatieve emissies is, omdat alle ICT-apparatuur wordt aangedreven door hernieuwbare energie en de verwarming en koeling die door het datacenter worden geproduceerd, emissievermijding vertegenwoordigen. Het temperatuurprofiel van de verschillende stappen in het proces in Figuur 1 zal variëren afhankelijk van de klantsituatie en eisen. Om bijvoorbeeld koeling te leveren aan het netwerk en de opslagapparatuur tijdens warmer weer wanneer vrije koeling niet beschikbaar is, en om bruikbare warmte-energie te leveren aan stadsverwarmingsnetwerken tijdens koeler weer, draait het datacenter op 149˚F. Om vloerverwarming aan particuliere klanten te leveren, kan de temperatuur dalen tot 131˚F en om vrije koeling bij Oak Ridge te ondersteunen zullen ze op 113˚F werken. De Fahrenheit-absorptiekoeler werkt met een aandrijftemperatuur van 127˚F en levert 68˚F gekoeld water aan de koelunits die de opslag- en netwerkapparatuur bedienen, met een totaal koelvermogen van 608 kW.

Het IBM-project is afhankelijk van baanbrekende innovatie in het verminderen van de thermische weerstand, waardoor een hogere watertemperatuur op de chip mogelijk wordt, wat resulteert in daadwerkelijke algehele verbetering van de prestaties van de chip. Niettemin kan elk van de verschillende vloeistofkoelingsoplossingen met direct contact die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn, een aanzienlijk deel van de voordelen van warmwaterkoeling leveren. Ze maken allemaal hun eigen beweringen over hoe heet het “koelende” toevoerwater kan zijn om adequate spaantemperaturen te behouden en zelfs de prestaties van de spaan te verbeteren ten opzichte van traditionele luchtkoeling. Zelfs als deze temperaturen misschien niet hoog genoeg zijn om traditionele verwarmingsbronnen (ketels, enz.) direct te vervangen of absorptiekoelers aan te drijven, zijn ze nog steeds hoog genoeg om de lift die nodig is voor warmtepompen om die warmte naar een bruikbaar niveau te brengen dramatisch te verminderen. Bovendien zouden er bij vloeistofkoelingstemperaturen geen koelmachines of mechanische koeling nodig moeten zijn. De volgende keer zullen we kijken naar enkele van de afwegingen tussen investeringen en operationele kosten die gepaard gaan met het benutten van de voordelen van warmwaterkoeling en enkele van de grotere maatschappelijke en infrastructurele uitdagingen.