Reklama

Využití odpadního tepla z datového centra pro vytápění a ohřev vody

27.5.2024

Ing. David Staněk, doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

Recenzovaný

Autoři se zabývají využitím odpadního tepla z datového centra pro vytápění a přípravu teplé vody. Navrhují řešení podle potřeb objektu s kombinací byty/kanceláře a vyhodnocují potenciální úspory finanční, energetické a ekologický přínos, který má vliv na hodnocení ESG.

Reklama

Úvod

Celosvětová spotřeba elektrické energie v datových centrech (dále jen DC) dosáhla v roce 2018 celkem 205 TWh [1]. Pro srovnání, spotřeba České republiky činila v témže roce 73,9 TWh [2], tedy téměř 3× méně. V budoucnu se očekává mírný, ale kontinuální růst energetické spotřeby DC [3]. Elektronické čipy v současné době přeměňují asi 99 % elektrického příkonu na teplo. Pro běžné datové centrum to znamená tepelnou zátěž v datovém sálu 1 až 3 kW/m² [4]. I kvůli růstu cen energií se provozovatelé DC snaží o co nejvyšší efektivitu provozu. Moderní datová centra často využívají systém volného chlazení (free cooling) [5], adiabatické chlazení či efektivní hardware [6]. Přesto je zde velký potenciál pro využití odpadního tepla, které běžně využito není.

Datová centra jako zdroj tepla

Pro zjištění využitelnosti tepla z DC byla navštívena dvě datová centra. Ze systému MaR byla získána data o provozu a chování výpočetní techniky v čase ve zvoleném DC. Zkoumané datové centrum je chlazené vzduchem s využitím studené a teplé uličky. Do venkovních teplot 14 °C byl využit free cooling. Data byla vyhodnocena pro celé DC a pro jeden vybraný datový sál. Z naměřených dat je vidět vysoká stabilita příkonu IT vybavení, a tedy i produkovaného tepla. Maximální odchylka v příkonu jednoho datového sálu činila 14 % (128 až 147 kW). U celého datového centra však již jen pak pouhá 3 % (368 kW až 378 kW).

Se závěrem, že datová centra jsou stabilním zdrojem tepla, přichází i studie [7], která se věnovala možnosti využití odpadního tepla z DC pro soustavu centrálního zásobování teplem ve městě Espoo ve Finsku.

Obr. 1 Zjištěné parametry pro jeden datový sál během dne

Obr. 2: Příkon, PUE, vnější teplota datového centra a spotřeba elektrické energie sledovaného datového sálu [8]

Energetika datových center

Pro porovnání energetické náročnosti datových center se dnes běžně využívá hodnota PUE – účinnost využití energie (Power Usage Effectiveness). Její definice je zakotvena v ČSN EN 50600-4-2 a stanovuje se jako poměr celkové energie dodané do datového centra k energii spotřebované IT vybavením [9]. Průměrná hodnota PUE současných DT se pohybuje okolo 1,6. Nejmodernější DC dosahují hodnot 1,2 až 1,1 [10].

(1)

Pro tématiku využití odpadního tepla je výhodnější využít jinou metodiku hodnocení. Alternativou je faktor zpětného využití energie ERF (Energy Reuse Factor), který je stanoven jako poměr mezi zpětně využitou energií a celkovou dodanou energií DC [11].

(2)

Studie využití odpadního tepla z datového centra

Pro vybraný komplex budov Park Hloubětín v Praze byl vypracován koncept využití odpadního tepla datového centra [12]. Komplex se sestává ze tří obytných budov včetně několika nebytových prostor. Jako ideální metoda odvodu tepla z datového centra byla vybrána technologie teplovodního chlazení s demineralizovanou vodou [13]. Touto technologií je možné odvádět vodu o teplotě až 65 °C [10]. Oproti dnešnímu standartu se jedná o výraznou změnu, jelikož dnes je chlazení DC zajišťováno standardně studeným vzduchem. To znamená nutnost použít nejen jinou chladící soustavu, ale především i změnu osazeného hardwaru.

Tab. 1 Parametry komplexu budov Park Hloubětín [12]
Počet bytů	117
Tepelná ztráta objektu [W·K⁻¹]	5 229
Potřeba tepla na vytápění [MWh·a⁻¹]	411
Počet osob	334
Měrná potřeba tepla na vytápění [kWh·m⁻²·a⁻¹]	12
Potřeba tepla na přípravu TV [MWh·a⁻¹]	382

Odvod tepla z výpočetní techniky

Odvod tepla z výpočetní techniky byl navržen tzv. teplovodním chlazením. Tato technologie funguje cíleně. Chladicí voda je přiváděna přímo na chlazenou komponentu serveru o vysokém výkonu (CPU, GPU). Tepelná výměna je prováděna přes tepelně vodivou destičku. Výhodou je vysoká účinnost chlazení a tepelná stabilita ochlazovaných komponent. Účinnost odvodu tepla z přímo chlazených komponent je 90 až 95 %. Zbylé teplo je odváděno studeným vzduchem [13].

Obr. 3 Schéma zapojení serveru a vizualizace rackové skříně [8]

Na Obr. 3 je příklad schématu řešení odvodu tepla ze serveru. Tepelné výkony komponent na schématu odpovídají dnes běžně používanému standartu. Pro odvod tepla ze serveru byly vypočteny požadované dimenze potrubí a rychlosti průtoku kapaliny při dodržení předepsaného teplotního spádu 45/65 °C. Každá racková skříň (osazena až 42 servery) je oddělena od páteřního rozvodu kapaliny vodním výměníkem pro separaci tlakových pásem. Teplotní spád na páteřním rozvodu datového centra byl nastaven 62/42 °C. Okruhy uvnitř rackové skříně i páteřní rozvod datového centra jsou zapojeny do souproudého zapojení pro jednoduchost regulace (viz Obr. 4).

Obr. 4 Půdorys a schéma zapojení DC [8]

Okruh datového centra a okruh kotelny je oddělen dalším výměníkem. Tento je umístěn pro oddělení demineralizované „čisté“ vody datového centra a otopné vody uvnitř objektu. Teplotní spád otopné soustavy byl v tomto případě 45/35 °C. Pro chlazení teplotních přebytků DC je v chladícím okruhu napojen suchý chladič, situovaný vně budovy. Suchý chladič musí být dimenzován na celkový tepelný výkon datového centra z bezpečnostních důvodů.

Energetické hodnocení

Pro podrobnou analýzu byl zhotoven výpočetní nástroj, který umožňuje vyhodnocení propojení DC a bytového/administrativního objektu. Do nástroje byla vložena data o navrhovaném objektu a data o provozovaném DC. Nástroj je využitelný pro optimalizaci návrhu vzájemného propojení dodnes samostatných provozů.

Na základě výpočtu z tohoto nástroje je možné stanovit potenciální úspory při využívání odpadního tepla z výpočetní techniky. Je nutné si uvědomit, že zavedením nového provozu do objektu, obzvláště provozu datového centra, které je energeticky vysoce náročné, se energetická náročnost objektu zvýší. Z toho důvodu dojde k nárůstu všech sledovaných spotřeb a ekologických kritérií.

V nástroji bylo simulováno několik variant velikostí datového centra v obytné budově. Nejmenší velikost datového centra byla volena pouze pro přípravu teplé vody v objektu. Tato varianta vychází z hlediska efektivity využití energie nejvýhodněji. Varianta, která byla zvolena jako nejvýhodnější, zajistí přípravu TV v objektu a teplo pro vytápění do vnější teploty 6 °C. Důvodem bylo zachování vysoké efektivity využívání odpadního tepla při výhodném ekonomicko-ekologickém provozu (viz Obr. 5 a Obr. 6) a zároveň konkurence schopné velikosti DC. Větší datová centra, kde se mimo přípravy TV pokryje i většina tepla na vytápění, byla shledána jako předimenzovaná.

Tab. 2 Energetické parametry simulovaných datových center [8]
Pokrytí potřeb objektu	Instalovaný výkon IT vybavení [kW]	Využitelný výkon IT vybavení [kW]	Odhadovaná plocha DC^* [m²]	`ERF` [%]
Příprava TV	96	44	60	76,0
TV + vytápění do 6 °C	256	117	165	52,5
TV + vytápění	463	211	280	32,6
^* Včetně technického zázemí a přidruženého administrativního provozu

Obr. 5 Využití energie z datového centra v objektu – rozložení tepla z DC [8]

Obr. 6 Využití energie z datového centra v objektu – nakládání s teplem [8]

Ekonomické zhodnocení

Pro ekonomické vyhodnocení záměru byla vypočtena suma, o kterou by bylo vodou chlazené DC dražší než běžné, vzduchem chlazené DC. V potaz byly brány vyšší investice do speciálních rackových skříní, vodní chladicí soustava, zařízení suchého chladiče, kotelna pro objekt i regulace systému. Pro daný objekt byla stanovena cena o 1 900 tis. Kč vyšší než cena běžná.

Při recyklaci tepla je možné dosáhnout úspory na energiích v objektu 1 250 tis. Kč. Samotná úspora na provoz datového centra vlivem zavedení vodního chlazení byla vyčíslena na 430 tis. Kč. Celkově je tedy možné ročně ušetřit 1 680 tis. Kč. Diskontovaná doba návratnosti vypočtená na úspoře tepla na vytápění objektu a snížení provozních nákladů DC je vynikající, jen 1,3 roku.

Cena na instalaci pouze IT vybavení je odhadnuta na 64 mil. Kč a roční tržby přes 50 mil. Kč. Z toho vyplývá, že ač je investice velmi rentabilní, v nákladech a tržbách datového centra se jedná o relativně malou položku.

Ekologické zhodnocení

Vliv na životní prostředí byl hodnocen pro spotřebu celého komplexu bytového domu společně s datovým centrem. V příkladové studii by došlo k úspoře 2 550 000 MJ/rok vstupní energie, což představuje 49,4 % roční spotřeby komplexu. Zároveň byla vyčíslena i vážená ekologická úspora dle metodiky SBToolCZ [14]. Podle této metody by se vliv na životní prostředí snížil o 13,2 %.

V neposlední řadě je nutné zmínit i pozitivní vliv na samotné DC. Díky využívání teplovodního chlazení a free coolingu by očekáváné PUE mělo být pod hranicí 1,2.

Tab. 3 Energetické parametry navrženého řešení [8]
Spotřeba energie referenčního objektu	2 858	GJ
Spotřeba energie datového centra	4 852	GJ
Spotřeba společného komplexu	5 160	GJ
Úspora energie díky recyklaci tepla	2 550	GJ
Procentuální úspora energie	49,4	%
Vážená ekologická úspora (SBToolCZ)	13,2	%
Faktor zpětného využití energie (ERF)	52,5	%

Obr. 7a Graf ekonomického vyhodnocení variant [8]

Obr. 7b Graf ekologického vyhodnocení variant [8]

Obr. 7 Grafy ekonomického a ekologického vyhodnocení variant [8]

Závěr

Datová centra byla vyhodnocena jako konstantní, neregulovatelný zdroj nízkopotenciálního tepla. Pro odvod tepla z výpočetní techniky je optimální přímé vodní chlazení. V této technologii je chladicí látkou voda, která může být využita v budově bez přenosu tepla mezi skupenstvími. Zároveň tato technologie vede k dosažení relativně vysokých výstupních teplot přibližně 65 °C. Výstupní teplota je dostatečná pro přímé vytápění a přípravu teplé vody. Vzhledem k nemožné regulaci zdroje tepla je vhodný konstantní odběr tepla během roku.

Vodní chlazení v datových centrech dnes není rozšířené. Hlavními důvody jsou malý trh s potřebnými komponenty, vícenáklady na instalaci druhé technologie chlazení a v neposlední řadě neopodstatněný strach z možné havárie v datovém centru. Nutnost instalace vodního chlazení je jednou z hlavních překážek pro reálné užití tohoto řešení v praxi.

Z ekologického hlediska je však toto řešení velmi přínosné. Sloučením obou provozů dojde k celkovému snížení spotřebované energie zhruba o polovinu. Propojené objekty současně vykazují snížení škodlivých ekologických vlivů při hodnocení metodou LCA SBToolCZ o více než 10 %. S budoucím rozvojem obnovitelných zdrojů a snížením faktoru neobnovitelné primární energie elektřiny bude výsledný vliv ještě výraznější.

Literatura

E. Masanet, A. Shehabi, N. Lei, S. Smith, J. Koomey, 2020 [online] “Recalibrating global data center energy-use estimates,” Science. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba3758
Roční zprávy o provozu elektrizační soustavy ČR, 2018. Energetický regulační úřad. Dostupné z:
https://eru.gov.cz/tz_statistiky_2018 [cit. 05.01.2020]
Daraghmeh H., Wang Chi, 2016 [online] A review of current status of free cooling in datacenters. Elsevier. Dostupné z: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135943111632405X
Rasmussen N., [online] Calculating Space and Power Density Requirements for Data Centers. Schneider Electric. Dostupné z: https://www.apc.com/us/en/support/resources-tools/white-papers/calculating-space-and-power-density-requirements-for-data-centers.jsp
Daraghmeh H., Wang Chi, 2016 [online] A review of current status of free cooling in datacenters. Elsevier. Dostupné z: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135943111632405X
C. Jiang, L. Bing, 2016 [online] Energy Proportional Servers: Where Are We in 2016? Dostupné z:
https://ieeexplore.ieee.org/document/7980102/
Wahlroos M., Parssinen M. a kolektiv, 2017 [online] Utilizing data center waste heat in district heating – Impacts on energy efficiency and prospects for low-temperature district heating networks. Elsevier. Dostupné z: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544217314548
Staněk D., 2018. Využití odpadního tepla z výpočetní techniky. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební. Dostupné z: https://dspace.cvut.cz/handle/10467/84268
ČSN EN 50600-4-2 (367260) Informační technologie – Zařízení a infrastruktury datových center – Část 4-2: Účinnost využití energie), ČNI 2017
Anders S., G. Andrae, T. Edler, 2015 [online] On Global Electricity Usage of Communication Technology: Trends to 2030. MDPI. Dostupné z: https://www.mdpi.com/2078-1547/6/1/117. ISSN 2017-1547
Patterson M., 2010 [online] ERE: A metric for measuring the benefit of reuse energy from a data center. The Green Grid. Dostupné z: https://datacenters.lbl.gov/sites/default/files/EREmetric_GreenGrid.pdf
MS architekti s.r.o., 2016. Projektová dokumentace a Průkaz energetické náročnosti budovy.
Neudorfer J. a kolektiv., 2017. [online] Liquid cooling technology update. The green grid. Dostupné z:
https://www.thegreengrid.org/en/resources/library-and-tools/442-WP
Vonka M. a kolektiv, 2013. SBToolCZ pro bytové domy. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební. ISBN 978-80-01-05125-2.

English Synopsis

Use of Waste Heat from the Data Center for Heating and Water Heating

The authors deal with the use of waste heat from the data center for heating and hot water preparation. They design solutions according to the needs of the object with a combination of apartments/offices and evaluate the potential savings, financial, energy and ecological benefits, which have an impact on the ESG assessment.