Datacenter Värmeenergi Återanvändning: Varmvattenkylning

IT-nyheter

I den här serien undersöker vi de olika sätt som datacenteroperatörer försöker vara ansvarsfulla globala medborgare samtidigt som de säkerställer långsiktig avkastning på tillgångar genom att minska deras koldioxidavtryck genom att fånga upp och återanvända värmeenergin som produceras av deras ICT-utrustning. Jag har tagit för min konversationsstartare en oktober 2011 MIT Technology Review artikel av Neil Savage, "Växthuseffekten: Fem idéer för återanvändning av datacenters spillvärme." De fem exemplen han citerar i den här artikeln representerar faktiskt fem allmänna strategier och därför tycker jag att de är en användbar startpunkt för att utforska utvecklingen under de följande nio åren. Idéerna var:

Notre Dame Universitys datacenter värmde upp ett växthus.

Ett datacenter vid Syracuse University producerade sin egen el och använde överskott av kallt vatten för luftkonditionering av en intilliggande kontorsbyggnad på sommaren och överskott av varmvatten för att värma upp den under vintern

Ett IBM-forskningsdatacenter i Zürich använde varmvattenvätskekylning och använde det varmare "returvattnet" för att värma upp ett intilliggande labb.

Oak Ridge National Laboratory utvecklade en mekanism som fästes på en mikroprocessor och producerade elektricitet.

Ett Telecity-datacenter i Paris gav värme till forskningsexperiment om effekterna av klimatförändringar. 

I del ett tittade vi på variationer på Notre Dame Universitys användning av varmluft från datacenter för att underhålla ett intilliggande växthus genom dessa vintrar i norra Indiana. Även om vi täckte flera olika exempel på återanvändning av varmluft, innebar i allmänhet den låga energin hos 80-95˚F luft och kravet att applikationen i huvudsak skulle ligga i anslutning till datacentret rimliga hinder för attraktiv ROI. När vi granskade användningen av 80˚F avloppsluft från ett UPS-rum för att minska lyftet på generatorblocksvärmares 100˚F-mål, fastställde vi att ett bra argument kunde göras för att effektiva luftflödeshanteringsmetoder gör det möjligt för ett datacenter att fungera närmare den övre rekommenderade gränsen för ASHRAE skulle resultera i spillluft som helt och hållet skulle kunna eliminera behovet av generatorblockvärmare. Detta exempel tog upp både energiklass och närliggande hinder. Annars fann vi att den mest effektiva användningen av värmeenergi från returluft från datacenter förekom i nordeuropeiska lokala fjärrvärmenät och upptäckte att över 10 % av Sveriges värmeenergi kommer från datacenter. Faktum är att lokala värmedistrikt i en eller annan form utgör en användbar modell för effektiv återanvändning av datacenterenergi, vilket vi kommer att se i efterföljande diskussioner.

Jag myntade "tappning av slingan" för den andra kategorin av datacenters energiåteranvändning, där kylvattenslingans utbudssida kunde avtappas för tilläggskylning och retursidan kunde avtappas för antingen uppvärmning eller kylning. I exemplet från University of Syracuse från Savages artikel var den primära energikällan för återanvändning turbinavgaser, som var tillräckligt heta för att driva absorptionskylare för att tillhandahålla luftkonditionering i byggnaden, som användes för att kyla datacentret, eller tillräckligt varmt för att gå genom en värmeväxlare för att värma upp byggnaden under vintern. En mer aktuell lysande stjärna för att "tapping the loop" är Westin-Amazon-projektet i Seattle, som involverade lite mer okomplicerad ingenjörskonst men mycket mer kreativitet i övergripande projektledning, vilket kräver samarbete mellan olika statliga myndigheter, allmännyttiga företag och företag som strävar efter ömsesidigt välgörande egenintresse. I huvudsak representerar Amazons kontorsbyggnader motsvarigheten till en "kund" för lokalt värmedistrikt för Clise Properties (ägaren till Westin Carrier Hotel), och Clise Properties och McKinstry Engineering bildade en enhet registrerad som ett godkänt energibolag. Amazon kommer att undvika cirka 80 miljoner kW timmars energikostnader för uppvärmning och Clise Properties kommer att undvika utgifter för att driva avdunstningstorn och kostnader för vattenförluster. Medan Westin-Amazon-modellen för mig representerar den perfekta planen för ett effektivt återanvändningsprojekt för energiåteranvändning av loopdatacenter, avslöjade en granskning av ett liknande projekt som avbröts vid Massachusetts Institute of Technology komplexiteten i att försöka valla alla katter för sådana en strävan, som vi kommer att se igen i denna tredje del av serien.

Den tredje kategorin av datacenter värmeenergi återanvändning från MIT Technology Review är varmvattenkylning, som kan gynna endera av de två första kategorierna, men är särskilt fördelaktigt med vätskekylning av datacenter (som äntligen får en meningsfull dragkraft i vår bransch). Som tidigare nämnts, om avloppsluft från datacenter används för att underlätta generatorstarter, kommer en höjning av tilluften från 65˚F eller 70˚F upp till 78-80˚F att producera en returluftstemperatur som är tillräckligt hög för att eliminera blockvärmare. Vidare, i Westin-Amazon-projektet, kan en bra utförande av luftflödesinneslutning i datacentret göra det möjligt för datacentrets vattentillförsel till värmeväxlaren att öka tillräckligt för att minska värmeåtervinningsanläggningens lyft med 28 %. I inget av dessa fall talar vi om kylning med varmt eller varmt vatten, men även att flytta nålen dessa små steg kan ge betydande fördelar. När vi börjar arbeta med varmvatten får vi högre kvalitet på spillvärmeenergi och vatten är lättare att flytta runt än luft.

IBMs proof-of-concept-datacenter vid Zürich Research Laboratory drog fördel av innovationer inom vätskekylning med direktkontakt, där varmt vatten pumpades genom kopparmikrokanaler kopplade till datorchips. De fann att 140˚F tillförselvatten höll spåntemperaturen runt 176˚F, säkert under det rekommenderade maximala 185˚F. Denna varmvattenkylning resulterade i en "retur"-temperatur efter processen på 149˚F, vilket var en tillräcklig värmeenergi för både uppvärmning och kylning av byggnader genom en absorptionskylare, utan att kräva en ökning från värmepumpar. Förutom att ge värme till ett intilliggande labb, gav absorptionskylaren 49kW kylkapacitet vid cirka 70˚F. En förenklad översikt av detta tillvägagångssätt illustreras i figur 1 nedan.

Figur 1: Förenklat flöde av återanvändning av vätskekylningsenergi för datacenter

Ungefär samtidigt som IBM proof of concept-experimentet med varmvattenvätskekylning implementerades i Schweiz, experimenterade eBay med varmvattenkylning i Phoenix i det väl omtalade Mercury Project. Mercury-projektet involverade en del av datacentret som kyldes av en kylvattenslinga ansluten till kylare och sedan ett andra datacenter som använde kondensatorns returvatten från det första datacentret upp till 87˚F för att försörja rackmonterade värmeväxlare på bakdörren. Uppenbarligen översteg temperaturerna ASHRAEs rekommenderade serverinloppslufttemperaturer, men förblev inom det tillåtna klass A2-intervallet. Det var inom denna operation som Dean Nelson och hans team kom på ett affärsuppdragsbaserat datacentereffektivitetsmått som knyter datacenterkostnader till kundförsäljningstransaktioner, och därigenom gav form åt den illusoriska vändpunkten mellan datacentereffektivitet och effektivitet. I det här fallet var ”kunden” intern och spillvärmen användes inte som värmeenergikälla utan som kylkälla.

Project Mercury-modellen erbjuder faktiskt en vision för lågrisk varmvattenkylning som kan vara tillgänglig för många datacenter utan att behöva övergå hela vägen till någon form av direktkontaktvätskekylning. Till exempel kan datacenter som använder bakdörrsvärmeväxlare arbeta med framledningstemperaturer norr om 65˚F, vilket lätt överstiger returtemperaturen för en byggnadskomfortkyla returvattenslinga. Att tappa på returvattnet är i princip frikyla och sedan under den tid på året då byggnadens AC kanske inte är igång kontinuerligt (eller alls, mina vänner i Minnesota), kan bakdörrens värmeväxlare försörjas genom en frikylningsvärmeväxlare ekonomisator. Samma princip gäller för direktkontakt med vätskekylning, som i princip bör vara fri att fungera i alla anläggningar med vilken som helst meningsfull komfortkylabelastning.

På senare tid har IBM Zurich översatt proof-of-concept till en fullproduktions superdator i Zürich (LRZ SuperMUC-NG), med ett parallellt projekt i Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, chef för smart systemintegration vid laboratoriet i Zürich, hävdar att produktionssuperdatorn faktiskt är en anläggning för negativa utsläpp eftersom all IKT-utrustning drivs av förnybar energi och då uppvärmningen och kylningen som produceras av datacentret representerar undvikande av utsläpp. Temperaturprofilen för de olika stegen i processen i figur 1 kommer att variera beroende på kundsituation och krav. Till exempel, för att tillhandahålla kyla till nätverket och lagringsutrustning under varmare väder när frikyla inte är tillgänglig och för att tillhandahålla användbar värmeenergi till fjärrvärmenät under kallare väder, kör datacentret på 149˚F. För att ge golvvärme till privatkunder kan den sjunka ner till 131˚F och för att stödja frikylning vid Oak Ridge kommer de att fungera vid 113˚F. Fahrenheit-absorptionskylaren arbetar med en drivtemperatur på 127˚F för att leverera 68˚F kylt vatten till kylenheterna som betjänar lagrings- och nätverksutrustning, med en total kylkapacitet på 608kW.

IBM-projektet är beroende av banbrytande innovation när det gäller att minska termisk resistans, och därigenom tillåta högre vattentemperatur vid chippet, vilket resulterar i faktisk förbättring av chipets prestanda. Ändå kan vilken som helst av de olika lösningarna för direktkontaktvätskekylning som finns på marknaden idag leverera en betydande del av fördelarna med varmvattenkylning. De gör alla sina egna påståenden om hur varmt det "kylande" tillförselvattnet kan vara för att bibehålla adekvata spåntemperaturer och till och med förbättra spånets prestanda jämfört med traditionell luftkylning. Även när dessa temperaturer kanske inte är tillräckligt höga för att direkt ersätta traditionella värmekällor (pannor, etc.) eller driva absorptionskylare, är de fortfarande tillräckligt höga för att dramatiskt minska den lyftkraft som krävs på värmepumpar för att höja den värmen till en användbar nivå. Vidare, vid vätskekylningstemperaturer, bör det inte finnas något behov av kylare eller mekanisk kylning. Nästa gång kommer vi att titta på några av de investerings- och driftskostnader som är förknippade med att skörda fördelarna med varmvattenkylning och några av de större samhälls- och infrastrukturutmaningarna.