إعادة استخدام الطاقة الحرارية لمركز البيانات: تبريد الماء الساخن

في هذه السلسلة، نستكشف الطرق المختلفة التي يحاول بها مشغلو مراكز البيانات أن يكونوا مواطنين عالميين مسؤولين مع ضمان عائد طويل الأجل على الأصول عن طريق تقليل بصمتهم الكربونية من خلال التقاط وإعادة استخدام الطاقة الحرارية التي تنتجها معدات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات الخاصة بهم. لقد اتخذت بداية محادثتي في أكتوبر 2011 معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تكنولوجي ريفيو مقال بقلم نيل سافاج، "تأثير الاحتباس الحراري: خمس أفكار لإعادة استخدام الحرارة المهدرة لمراكز البيانات". إن الأمثلة الخمسة التي يستشهد بها في هذه المقالة تمثل في الواقع خمس استراتيجيات عامة، وبالتالي أجدها نقطة انطلاق مفيدة لاستكشاف التطورات على مدى السنوات التسع اللاحقة. وكانت الأفكار:

قام مركز بيانات جامعة نوتردام بتسخين دفيئة.

أنتج مركز بيانات بجامعة سيراكيوز الكهرباء الخاصة به واستخدم الماء البارد الزائد لتكييف هواء مبنى المكاتب المجاور في الصيف والماء الساخن الزائد لتسخينه خلال الشتاء.

استخدم مركز بيانات أبحاث IBM في زيورخ التبريد السائل بالماء الدافئ واستخدم الماء "العائد" الأكثر دفئًا لتدفئة مختبر مجاور.

طور مختبر أوك ريدج الوطني آلية يتم لصقها على معالج دقيق وتنتج الكهرباء.

قام مركز بيانات Telecity في باريس بتوفير الحرارة للتجارب البحثية حول تأثيرات تغير المناخ. 

في الجزء الأول، نظرنا إلى الاختلافات في استخدام جامعة نوتردام للهواء الساخن المهدر في مركز البيانات للحفاظ على دفيئة مجاورة خلال فصول الشتاء في شمال إنديانا. في حين قمنا بتغطية العديد من الأمثلة المختلفة لحالات إعادة استخدام الهواء الساخن، بشكل عام، فإن الطاقة المنخفضة التي تتراوح درجة حرارتها بين 80 و95 درجة فهرنهايت وشرط أن يكون التطبيق مجاورًا بشكل أساسي لمركز البيانات يمثلان عقبات معقولة أمام عائد الاستثمار الجذاب. عند مراجعة استخدام 80 درجة فهرنهايت من الهواء العادم من غرفة UPS لتقليل الرفع على هدف 100 درجة فهرنهايت لسخانات كتلة المولدات، قررنا أنه يمكن تقديم حالة جيدة تتمثل في ممارسات إدارة تدفق الهواء الفعالة التي تسمح لمركز البيانات بالعمل بالقرب من قد يؤدي الحد الأعلى الموصى به من ASHRAE إلى هدر الهواء مما قد يلغي الحاجة تمامًا إلى سخانات كتلة المولد. تناول هذا المثال كلا من عقبات درجة الطاقة والمجاورة. بخلاف ذلك، وجدنا أن الاستخدامات الأكثر فعالية للطاقة الحرارية من الهواء العائد لمركز البيانات حدثت في شبكات التدفئة المحلية في شمال أوروبا واكتشفنا أن أكثر من 10% من طاقة التدفئة في السويد تأتي من مراكز البيانات. في الواقع، تمثل مناطق التدفئة المحلية بشكل أو بآخر نموذجًا مفيدًا لإعادة استخدام طاقة مراكز البيانات بشكل فعال، كما سنرى في المناقشات اللاحقة.

لقد قمت بصياغة "النقر على الحلقة" للفئة الثانية من إعادة استخدام طاقة مركز البيانات، حيث يمكن استغلال جانب العرض من حلقة الماء المبرد للتبريد الإضافي ويمكن استغلال جانب الإرجاع إما للتدفئة أو التبريد. في مثال جامعة سيراكيوز من مقالة سافاج، كان مصدر الطاقة الأساسي لإعادة الاستخدام هو عادم التوربين، والذي كان ساخنًا بدرجة كافية لتشغيل مبردات الامتصاص لتوفير تكييف هواء المبنى، والذي تم استغلاله لتبريد مركز البيانات، أو ساخنًا بدرجة كافية لتشغيله من خلال مبادل حراري لتدفئة المبنى خلال فصل الشتاء. هناك نجم ساطع أكثر حداثة لـ "استغلال الحلقة" وهو مشروع Westin-Amazon في سياتل، والذي تضمن هندسة أكثر وضوحًا ولكن المزيد من الإبداع في إدارة المشروع بشكل عام، مما يتطلب التعاون بين مختلف الوكالات الحكومية والمرافق العامة والشركات التي تسعى بشكل متبادل المصلحة الذاتية النافعة. في الأساس، تمثل مباني مكاتب أمازون ما يعادل "عميل" منطقة التدفئة المحلية لشركة Clise Properties (مالك فندق Westin Carrier)، وشكلت Clise Properties وMcKinstry Engineering كيانًا مسجلاً كشركة مرافق معتمدة. ستتجنب أمازون حوالي 80 مليون كيلووات/ساعة من تكلفة طاقة التدفئة وستتجنب شركة Clise Properties نفقات تشغيل أبراج التبخر ونفقات فقدان المياه الناتجة. في حين أن نموذج ويستن-أمازون يمثل بالنسبة لي المخطط المثالي للاستفادة الفعالة من مشروع إعادة استخدام الطاقة في مركز البيانات، فقد كشفت مراجعة لمشروع مماثل تم إلغاؤه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن تعقيدات محاولة تجميع كل القطط لمثل هذا المشروع. وهو مسعى سنراه مرة أخرى في هذا الجزء الثالث من السلسلة.

الفئة الثالثة من إعادة استخدام الطاقة الحرارية لمركز البيانات من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تكنولوجي ريفيو هو التبريد بالماء الساخن، والذي يمكن أن يستفيد منه أي من الفئتين الأوليين، ولكنه مفيد بشكل خاص مع التبريد السائل لمركز البيانات (والذي اكتسب أخيرًا بعض الاهتمام في صناعتنا). كما ذكرنا سابقًا، إذا تم استخدام الهواء العادم في مركز البيانات لتسهيل بدء تشغيل المولد، فإن رفع هواء الإمداد من 65 درجة فهرنهايت أو 70 درجة فهرنهايت إلى 78-80 درجة فهرنهايت سيؤدي إلى إنتاج درجة حرارة هواء رجوع عالية بما يكفي للتخلص من سخانات الكتلة. علاوة على ذلك، في مشروع Westin-Amazon، يمكن أن يسمح التنفيذ الجيد لاحتواء تدفق الهواء في مركز البيانات بزيادة إمدادات المياه في مركز البيانات إلى المبادل الحراري للمرافق بما يكفي لتقليل رفع محطة استرداد الحرارة بنسبة 28%. في أي من هذه الحالات لا نتحدث عن التبريد بالماء الدافئ أو الساخن، ولكن حتى تحريك الإبرة فإن هذه الخطوات الصغيرة يمكن أن تنتج فوائد كبيرة. عندما نبدأ العمل بالماء الساخن، نحصل على طاقة حرارية مهدرة بدرجة أعلى ويكون الماء أسهل في الحركة من الهواء.

استفاد مركز بيانات إثبات المفهوم التابع لشركة IBM في مختبر أبحاث زيورخ من الابتكارات في مجال التبريد السائل بالتلامس المباشر حيث يتم ضخ الماء الساخن من خلال قنوات نحاسية دقيقة متصلة برقائق الكمبيوتر. ووجدوا أن الماء الذي يصل إلى 140 درجة فهرنهايت يحافظ على درجات حرارة الرقائق حوالي 176 درجة فهرنهايت، أي أقل بأمان من الحد الأقصى الموصى به وهو 185 درجة فهرنهايت. أدى تبريد الماء الساخن هذا إلى درجة حرارة "عودة" بعد العملية تبلغ 149 درجة فهرنهايت، وهي طاقة حرارية مناسبة لكل من تسخين المبنى وتبريده من خلال مبرد الامتصاص، دون الحاجة إلى دفعة من المضخات الحرارية. بالإضافة إلى توفير الحرارة للمختبر المجاور، قدم مبرد الامتصاص قدرة تبريد تبلغ 49 كيلو واط عند حوالي 70 درجة فهرنهايت. ويوضح الشكل 1 أدناه نظرة عامة مبسطة على هذا النهج.

الشكل 1: التدفق المبسط لإعادة استخدام طاقة التبريد السائلة في مركز البيانات

في نفس الوقت تقريبًا الذي تم فيه تنفيذ تجربة التبريد السائل بالماء الساخن في سويسرا، قامت شركة eBay بتجربة تبريد الماء الدافئ في فينيكس في مشروع Mercury Project الذي حظي بتغطية إعلامية جيدة. يتضمن مشروع Mercury جزءًا واحدًا من مركز البيانات يتم تبريده بواسطة حلقة ماء مبرد متصلة بالمبردات ثم مركز بيانات ثانٍ يستخدم الماء الراجع المكثف من مركز البيانات الأول حتى درجة حرارة 87 درجة فهرنهايت لتزويد مبادلات حرارية مثبتة على حامل في الباب الخلفي. من الواضح أن درجات الحرارة تجاوزت درجات حرارة هواء مدخل الخادم الموصى بها من قبل ASHRAE، ولكنها ظلت ضمن النطاق المسموح به من الفئة A2. وفي إطار هذه العملية، توصل دين نيلسون وفريقه إلى مقياس كفاءة مركز البيانات القائم على المهام التجارية، والذي يربط تكاليف مركز البيانات بمعاملات مبيعات العملاء، وبالتالي يعطي شكلًا لنقطة التحول الوهمية بين كفاءة مركز البيانات وفعاليته. في هذه الحالة، كان "العميل" داخليًا ولم يتم استخدام الحرارة المهدرة كمصدر للطاقة الحرارية بل كمصدر للتبريد.

في الواقع، يقدم نموذج Project Mercury رؤية لتبريد الماء الدافئ منخفض المخاطر والذي يمكن أن يكون متاحًا للعديد من مراكز البيانات دون الحاجة إلى الانتقال إلى شكل ما من أشكال التبريد السائل بالتلامس المباشر. على سبيل المثال، يمكن لمراكز البيانات التي تستخدم مبادلات حرارية للأبواب الخلفية أن تعمل بدرجات حرارة إمداد شمال 65 درجة فهرنهايت، والتي تتجاوز بسهولة درجة حرارة العودة لحلقة مياه إرجاع التبريد المريحة للمبنى. يعد الاستفادة من المياه العائدة بمثابة تبريد مجاني بشكل أساسي، وبعد ذلك خلال الوقت من العام الذي قد لا يعمل فيه مكيف الهواء بالمبنى بشكل مستمر (أو على الإطلاق، أصدقائي في مينيسوتا)، يمكن توفير المبادلات الحرارية للباب الخلفي من خلال مبادل حراري تبريد مجاني المقتصد. وينطبق المبدأ نفسه على التبريد السائل بالتلامس المباشر، والذي يجب أن يكون حرًا بشكل أساسي للعمل في أي منشأة بها أي حمل تبريد مريح ذي حجم مناسب.

وفي الآونة الأخيرة، قامت شركة IBM Zurich بترجمة إثبات المفهوم إلى كمبيوتر فائق الإنتاج كاملاً في زيوريخ (LRZ SuperMUC-NG)، مع مشروع موازٍ في أوك ريدج بولاية تينيسي. يدعي برونو ميشيل، مدير تكامل الأنظمة الذكية في مختبرات زيوريخ، أن الكمبيوتر العملاق الإنتاجي هو في الواقع منشأة انبعاثات سلبية لأن جميع معدات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات تعمل بالطاقة المتجددة ومن ثم تمثل التدفئة والتبريد التي ينتجها مركز البيانات تجنب الانبعاثات. سيختلف ملف تعريف درجة الحرارة للخطوات المختلفة في العملية في الشكل 1 وفقًا لحالة العميل ومتطلباته. على سبيل المثال، لتوفير التبريد للشبكة ومعدات التخزين أثناء الطقس الدافئ عندما لا يتوفر التبريد المجاني ولتوفير طاقة حرارية قابلة للاستخدام لشبكات تدفئة المناطق أثناء الطقس البارد، يعمل مركز البيانات عند درجة حرارة 149 درجة فهرنهايت. لتوفير التدفئة الأرضية للعملاء المقيمين، يمكن أن تنخفض إلى 131 درجة فهرنهايت ولدعم التبريد المجاني في أوك ريدج، سيتم تشغيلها عند 113 درجة فهرنهايت. يعمل مبرد الامتصاص فهرنهايت بدرجة حرارة محرك تبلغ 127 درجة فهرنهايت لتوصيل الماء المبرد بدرجة 68 درجة فهرنهايت إلى وحدات التبريد التي تخدم معدات التخزين والشبكات، بقدرة تبريد إجمالية تبلغ 608 كيلووات.

ويعتمد مشروع IBM على الابتكار الخارق في تقليل المقاومة الحرارية، وبالتالي السماح بارتفاع درجة حرارة الماء في الشريحة، مما يؤدي إلى تحسين الأداء الإجمالي الفعلي للرقاقة. ومع ذلك، فإن أيًا من حلول التبريد السائلة بالتلامس المباشر المختلفة المتوفرة في السوق اليوم يمكن أن توفر جزءًا كبيرًا من فوائد التبريد بالماء الساخن. جميعهم يقدمون ادعاءاتهم الخاصة حول مدى سخونة مياه الإمداد "التبريدية" للحفاظ على درجات حرارة مناسبة للرقاقة وحتى تحسين أداء الرقاقة مقارنة بتبريد الهواء التقليدي. حتى عندما لا تكون درجات الحرارة هذه مرتفعة بما يكفي لاستبدال مصادر التدفئة التقليدية (الغلايات، وما إلى ذلك) بشكل مباشر أو تشغيل مبردات الامتصاص، فإنها لا تزال مرتفعة بما يكفي لتقليل الرفع المطلوب على المضخات الحرارية بشكل كبير لرفع تلك الحرارة إلى مستوى مفيد. علاوة على ذلك، في درجات حرارة التبريد السائلة، لا ينبغي أن تكون هناك حاجة للمبردات أو التبريد الميكانيكي. في المرة القادمة سنلقي نظرة على بعض مقايضات التكلفة الاستثمارية والتشغيلية المرتبطة بجني فوائد التبريد بالماء الساخن وبعض التحديات المجتمعية والبنية التحتية الأكبر.