Reutilização de energia térmica de data centers: resfriamento de água quente

Nesta série estamos a explorar as diferentes formas como os operadores de centros de dados tentam ser cidadãos globais responsáveis, assegurando ao mesmo tempo o retorno dos activos a longo prazo, reduzindo a sua pegada de carbono através da captura e reutilização da energia térmica produzida pelos seus equipamentos TIC. Tomei como ponto de partida uma conversa em outubro de 2011 MIT Technology Review artigo de Neil Savage, “Efeito estufa: cinco ideias para reutilizar o calor residual dos data centers”. Os cinco exemplos que ele cita neste artigo representam, na verdade, cinco estratégias gerais e, portanto, considero-os um ponto de partida útil para explorar a evolução nos nove anos subsequentes. As ideias eram:

O data center da Universidade Notre Dame aqueceu uma estufa.

Um data center da Syracuse University produzia sua própria eletricidade e usava o excesso de água fria para climatizar um prédio de escritórios adjacente no verão e o excesso de água quente para aquecê-lo durante o inverno

Um data center de pesquisa da IBM em Zurique utilizou resfriamento líquido com água quente e usou a água de “retorno” mais quente para aquecer um laboratório adjacente.

O Laboratório Nacional de Oak Ridge desenvolveu um mecanismo que se fixava a um microprocessador e produzia eletricidade.

Um centro de dados da Telecity em Paris forneceu calor para experiências de investigação sobre os efeitos das alterações climáticas. 

Na primeira parte, analisamos variações no uso de ar quente residual do data center pela Universidade de Notre Dame para manter uma estufa adjacente durante os invernos do norte de Indiana. Embora tenhamos coberto vários exemplos de casos diferentes de reutilização de ar quente, em geral, a energia de baixo grau do ar a 80-95˚F e a exigência de que a aplicação seja essencialmente adjacente ao data center apresentaram obstáculos razoáveis ​​para um ROI atraente. Ao revisar o uso de ar residual de 80˚F de uma sala de UPS para reduzir a elevação na meta de 100˚F dos aquecedores do bloco gerador, determinamos que poderia ser feito um bom argumento de que práticas eficazes de gerenciamento de fluxo de ar permitindo que um data center opere mais próximo de o limite superior recomendado pela ASHRAE resultaria em desperdício de ar que poderia eliminar completamente a necessidade de aquecedores do bloco gerador. Este exemplo abordou o grau de energia e os obstáculos de adjacência. Caso contrário, descobrimos que as utilizações mais eficazes da energia térmica proveniente do ar de retorno dos centros de dados ocorreram nas redes de aquecimento urbano local do norte da Europa e descobrimos que mais de 10% da energia de aquecimento da Suécia provém de centros de dados. Na verdade, os distritos de aquecimento local, de uma forma ou de outra, representam um modelo útil para a reutilização eficaz da energia dos centros de dados, como veremos em discussões subsequentes.

Eu cunhei “tapping the loop” para a segunda categoria de reutilização de energia do data center, em que o lado de fornecimento do circuito de água gelada poderia ser aproveitado para resfriamento auxiliar e o lado de retorno poderia ser aproveitado para aquecimento ou resfriamento. No exemplo da Universidade de Syracuse do artigo de Savage, a principal fonte de energia para reutilização era a exaustão da turbina, que era quente o suficiente para acionar os resfriadores de absorção para fornecer ar condicionado ao edifício, que era aproveitado para resfriar o data center, ou quente o suficiente para ir embora. através de um trocador de calor para aquecer o edifício durante o inverno. Uma estrela brilhante mais atual para “aproveitar o ciclo” é o projeto Westin-Amazon em Seattle, que envolveu uma engenharia um pouco mais simples, mas muito mais criatividade no gerenciamento geral do projeto, exigindo a colaboração entre várias agências governamentais, serviços públicos e empresas que buscavam soluções mútuas. interesse próprio benéfico. Essencialmente, os edifícios de escritórios da Amazon representam o equivalente a um “cliente” de distrito de aquecimento local da Clise Properties (proprietária do Westin Carrier Hotel), e a Clise Properties e a McKinstry Engineering formaram uma entidade registada como uma empresa de serviços públicos aprovada. A Amazon evitará cerca de 80 milhões de kW-hora de custos de energia de aquecimento e a Clise Properties evitará despesas com o funcionamento de torres de evaporação e despesas com a perda de água resultante. Embora o modelo Westin-Amazon represente para mim o plano perfeito para um projeto eficaz de reutilização de energia do data center, uma revisão de um projeto semelhante cancelado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts revelou as complexidades de tentar pastorear todos os gatos para tal uma empreitada que veremos novamente nesta terceira parte da série.

A terceira categoria de reutilização de energia térmica de data centers do MIT Technology Review é o resfriamento por água quente, que pode beneficiar qualquer uma das duas primeiras categorias, mas é particularmente benéfico com o resfriamento líquido de data centers (que está finalmente ganhando força significativa em nosso setor). Como mencionado anteriormente, se o ar residual do data center estiver sendo usado para facilitar a partida do gerador, aumentar o fornecimento de ar de 65˚F ou 70˚F para 78-80˚F produzirá uma temperatura do ar de retorno alta o suficiente para eliminar os aquecedores de bloco. Além disso, no projeto Westin-Amazon, uma boa execução de contenção do fluxo de ar do data center poderia permitir que o fornecimento de água do data center ao trocador de calor da concessionária fosse aumentado o suficiente para reduzir a elevação da planta de recuperação de calor em 28%. Em nenhum destes casos estamos a falar de arrefecimento com água morna ou quente, mas mesmo movendo a agulha estes pequenos passos podem produzir benefícios significativos. Quando começamos a trabalhar com água quente, obtemos energia térmica residual de maior qualidade e a água é mais fácil de se movimentar do que o ar.

O data center de prova de conceito da IBM no Laboratório de Pesquisa de Zurique aproveitou as inovações no resfriamento líquido por contato direto, por meio do qual a água quente era bombeada através de microcanais de cobre conectados a chips de computador. Eles descobriram que a água fornecida a 140˚F manteve as temperaturas dos chips em torno de 176˚F, seguramente abaixo do máximo recomendado de 185˚F. Este resfriamento com água quente resultou em uma temperatura de “retorno” pós-processo de 149˚F, que era uma energia térmica adequada para aquecimento e resfriamento de edifícios através de um resfriador de absorção, sem a necessidade de reforço de bombas de calor. Além de fornecer calor para um laboratório adjacente, o resfriador de absorção forneceu 49 kW de capacidade de resfriamento a cerca de 70˚F. Uma visão geral simplificada desta abordagem é ilustrada na Figura 1 abaixo.

Figura 1: Fluxo simplificado de reutilização de energia de refrigeração líquida de data centers

Mais ou menos na mesma época em que o experimento de prova de conceito de resfriamento líquido com água quente da IBM estava sendo implementado na Suíça, o eBay estava experimentando resfriamento com água quente em Phoenix, no bem divulgado Projeto Mercury. O Projeto Mercury envolveu uma parte do data center resfriada por um circuito de água gelada conectado a chillers e, em seguida, um segundo data center usando água de retorno do condensador do primeiro data center até 87˚F para fornecer trocadores de calor montados em rack na porta traseira. Obviamente, as temperaturas excederam as temperaturas de ar de entrada do servidor recomendadas pela ASHRAE, mas permaneceram dentro da faixa permitida da Classe A2. Foi dentro dessa operação que Dean Nelson e sua equipe criaram uma métrica de eficiência de data center baseada na missão empresarial, vinculando os custos do data center às transações de vendas do cliente, dando assim forma a esse ponto de inflexão ilusório entre a eficiência e a eficácia do data center. Neste caso, o “cliente” era interno e o calor residual não era utilizado como fonte de energia térmica, mas como fonte de refrigeração.

O modelo do Projeto Mercury oferece, de fato, uma visão de resfriamento de água quente de baixo risco que poderia estar disponível para muitos data centers sem a necessidade de transição para alguma forma de resfriamento líquido de contato direto. Por exemplo, data centers que usam trocadores de calor na porta traseira podem operar com temperaturas de fornecimento acima de 65˚F, o que excede facilmente a temperatura de retorno de um circuito de água de retorno de resfriamento de conforto do edifício. Aproveitar a água de retorno é essencialmente um resfriamento gratuito e, durante a época do ano, quando o AC do edifício pode não estar funcionando continuamente (ou nem funcionar, meus amigos em Minnesota), os trocadores de calor da porta traseira podem ser fornecidos através de um trocador de calor de resfriamento gratuito economizador. O mesmo princípio se aplica ao resfriamento líquido por contato direto, que deve ser essencialmente livre para operar em qualquer instalação com qualquer carga de resfriamento de conforto de tamanho significativo.

Mais recentemente, a IBM Zurich traduziu a prova de conceito em um supercomputador de produção completa em Zurique (LRZ SuperMUC-NG), com um projeto paralelo em Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, gerente de integração de sistemas inteligentes nos laboratórios de Zurique, afirma que o supercomputador de produção é, na verdade, uma instalação de emissões negativas porque todo o equipamento TIC é alimentado por energia renovável e, então, o aquecimento e o resfriamento produzidos pelo data center representam a prevenção de emissões. O perfil de temperatura das diferentes etapas do processo na Figura 1 variará dependendo da situação e dos requisitos do cliente. Por exemplo, para fornecer refrigeração à rede e aos equipamentos de armazenamento durante climas mais quentes, quando o resfriamento gratuito não estiver disponível, e para fornecer energia térmica utilizável às redes de aquecimento urbano durante climas mais frios, o data center funciona a 149˚F. Para fornecer aquecimento de piso para clientes residenciais, ele pode cair para 131˚F e para suportar o resfriamento gratuito em Oak Ridge eles operarão a 113˚F. O chiller de absorção Fahrenheit opera com uma temperatura de acionamento de 127˚F para fornecer água gelada de 68˚F às unidades de resfriamento que atendem equipamentos de rede e armazenamento, com uma capacidade total de resfriamento de 608kW.

O projeto da IBM depende de inovações revolucionárias na redução da resistência térmica, permitindo assim uma temperatura mais alta da água no chip, resultando na melhoria real do desempenho geral do chip. No entanto, qualquer uma das diversas soluções de refrigeração líquida por contato direto disponíveis no mercado atualmente pode oferecer uma parte significativa dos benefícios da refrigeração com água quente. Todos eles fazem suas próprias afirmações sobre o quão quente a água fornecida de “resfriamento” pode ser para manter as temperaturas adequadas do chip e até mesmo melhorar o desempenho do chip em relação ao resfriamento a ar tradicional. Mesmo quando estas temperaturas podem não ser suficientemente altas para substituir diretamente as fontes de aquecimento tradicionais (caldeiras, etc.) ou acionar refrigeradores de absorção, ainda são suficientemente altas para reduzir drasticamente a elevação necessária nas bombas de calor para elevar esse calor a um nível útil. Além disso, em temperaturas de resfriamento líquido, não deverá haver necessidade de resfriadores ou resfriamento mecânico. Na próxima vez, analisaremos algumas das compensações de investimento e custos operacionais associadas à colheita dos benefícios do arrefecimento de água quente e alguns dos maiores desafios sociais e de infraestrutura.