Využití odpadního tepla z počítačů pro vytápění budovy
Využití odpadního tepla z počítačů pro vytápění budovy je hlavní myšlenkou nového zeleného datacentra postaveného v brněnských Maloměřicích. Jedná se o objekt rozlohy 900m2, kde ¼ slouží k uložení počítačů. V objektu jsou využity suché chladiče, chillery, solární elektrárna, zemní kolektory a výměníky voda/vzduch. Vše je řízeno automatickou, prediktivní a samoučící regulací systému EVOK.
Regulace v Datacentru
Navržené a již provozem ověřené řešení spočívá v komplexní regulaci energií ve výše zmíněném objektu. Datacentrum (dále jen DC) využívá kombinace tepelných čerpadel, suchých chladičů, solárních panelů a výměníků pro chlazení serverů a vytápění celé budovy odpadním teplem ze serverovny. Vše je řízeno automatickou, prediktivní a samoučící se regulací systému EVOK.
V objektu jsou také nainstalovány bezpečnostní prvky - plotová indikace pohybu, bezdrátové infra brány, kamerový systém, pohybová čidla a přístupový systém pomocí bezkontaktních karet.
Systém doplňuje řízení světel, využívání digitálních vypínačů, ovládání žaluzií, zámků, posuvných dveří brány, radiátorů; dále měření tepla, světla, relativní vlhkosti a spotřeby energií.
Pro řízení kotelny jsou využity složité automatické algoritmy, které mají schopnost se učit (samy si postupně upravují chování s cílem snížení spotřeby energií).
Systém prediktivního rozhodování pro vytápění a následná aproximace s reálnými poznatky slouží jako základní stavební kámen neustálé optimalizace. Chování budovy není nutné učit, protože díky propracovaným algoritmům neustále zlepšuje své parametry. Pro toto řešení také není potřeba znát tepelné ztráty budovy.
Chlazení Datacentra
V době nástupu cloudových řešení vznikají nároky na specifické prostory, které jsou určené pro uchování hardwaru. Servery zajišťující síťové aplikace nejsou levná záležitost, a proto je nutné splnit podmínky hladkého chodu těchto strojů. Základní podmínkou je správná pracovní teplota. Server je velmi výkonné zařízení náchylné k přehřívání. Pracuje v režimu 24/7/365 a i při tomto nepřetržitém provozu je nezbytné udržet teplotu na stanovené úrovni. Tím vzniká problém s celoročním chlazením zařízení.
V úvodu zmiňované Datacentrum Zelená data využívá k chlazení systém teplých a studených uliček. Princip je jednoduchý. Studený vzduch je přiveden studenou uličkou na vstup do rackových skříní s umístěnými servery, které ho nasají, ohřejí a vyfouknou do teplé uličky. Tento teplý vzduch je následně ochlazen a předán zpět do studené uličky. Neustálá výměna jednoho objemu vzduchu má za výhodu neprašnost prostředí, konstantní vlhkost a konstantní tlak.
Teplo vytvořené servery, switchy a dalšími síťovými prvky je ze vzduchu předáno do vody (voda má vyšší měrnou kapacitu). Takto ohřátá voda je odvedena mimo DC. Dalším úkolem je ochladit tuto teplou vodu zpět na požadovanou teplotu, což zajišťují výkonná tepelná čerpadla typu voda/voda (v tomto případě voda/glykolethylen). Tepelné čerpadlo pomocí kompresoru ochladí teplou vodu na požadovanou teplotu a zbytkové teplo předá na glykolovou stranu. Zde dosahuje glykol teploty 55°C a nyní přichází otázka, co se získanou energií udělat.
Dohled kotelny datacentra
Vytápění objektu
Každý, kdo v zimním období vytápí prostory, ví, že nejde o levnou záležitost. Rozhodli jsme se tedy realizovat myšlenku využití odpadního tepla právě pro vytápění. Jak je výše zmíněno, odpadní teplota glykolu při chlazení datacentra je 55°C a je jen na nás, jak tuto energii využijeme. Možnosti jsou ochlazení kapaliny venkovním výměníkem glykol/vzduch, nahřátí akumulační nádrže na TUV, vytápění budovy nebo teplovzdušné vytápění skladovacích prostor. My jsme zvolili možnost, která je kombinací všech výše zmíněných.
V našem systému dochází k předání energie přes výměník glykol/voda do ústředního topení a následně k rozvedení teplé vody do celé budovy. Paralelně probíhá ohřev TUV a vytápění skladových prostor. Zbytkové teplo, které nemá další využití (v areálu se bohužel nenachází venkovní vířivka) je odvedeno do suchého chladiče, který přebytečnou energii uvolňuje do okolí.
Využitím odpadního tepla z DC je zajištěno kompletní vytápění budovy, včetně skladovacích prostor a ohřev teplé užitkové vody.
Pro přesnější práci s teplem je zaveden systém IRC, který zajišťuje udržení požadované teploty v jednotlivých místnostech.
Vykreslení teplot jednotlivých místností
Otázkou ovšem je, jak tento složitý systém ovládat, aby byl opravdu funkční. Odpověď je jednoduchá: Systémem EVOK.
EVOK
EVOK je spojení vlastního hardwaru a open source softwaru. Hardwarová část je tvořena zařízením UniPi. Jedná se o rozšiřovací modul pro mini počítač Raspberry Pi. UniPi využívá všechny důležité vlastnosti v rámci řízení a ovládání, které Raspberry Pi nabízí. Jde především o mix vstupů a výstupů, které jsou využívány pro sledování a zároveň umožnují ovládání sledovaných zařízení.
Základní parametry desky:
Zařízení UniPi
- 8 × 5A@250V relé
- 14 × digitální vstup 5-30 V
- 1 × analogový vstup 0-10 V
- 2 × analogový výstup 0-10 V
- Modul reálného času
- Možnost připojení rozšiřujících relé modulů a vstupů
- EEPROM paměť
- Notifikační diody, pro zobrazení stavu
- Možnost připojení dalších zařízení například čtečky bezkontaktních karet
Softwarová část je postavena na vlastním jádře EVOK, které se stará o komunikaci desky UniPi, přes virtuální server s uživatelem. . Díky těmto vlastnostem je nastavení jednotlivých úkolů, komunikace s jednotlivými zařízeními, ovládání a odečet informací jednoduchý.
Měření je základ!
Měřící systém slouží k přesné a rychlé kontrole všech teplot v kotelně, datacentru a zbytku budovy. Do jednoho zařízení lze napojit až několik desítek teploměrů, které se díky digitální adresaci mohou vést po jednom 3žilovém kabelu s dosahem až 300 metrů. Všechna čidla jsou vodotěsná. Teplotní rozsah je -55 °C až 125 °C.
Graf závislosti venkovní teploty, slunečního svitu, spotřeby kotelny a příkonu do Datacentra
Nejedná se však pouze o měření teploty. Pro zvýšení účinnosti předávání energie vzduchem je nutné pracovat i s vlhkostí. Datacentrum je osazeno vlhkostními čidly, které měří relativní vlhkost v jednotlivých částech DC.
Kromě odečtu teploty a vlhkosti je nutné odečítat spotřebu elektrické energie. DC je vybaveno 135 rackovými skříněmi. Do každého racku jsou přivedeny tři zálohované fáze, které jsou zvlášť měřeny. Zákazník tedy platí za spotřebovanou energii.
Spotřeba jednoho Racku v čase (Viditelné skokové změny způsobené testováním serverů)
Webový interface
Rozklikávací uživatelské prostředí pro ovládání budovy
Aby mohl uživatel kontrolovat a řídit celý systém, je nezbytné mít možnost kdykoliv ověřit, že je vše v pořádku. Praktická je také část ovládání inteligentní budovy, kde lze díky webovému serveru vzdáleně ovládat žaluzie, světla, teplo či otevírání dveří. Díky jednoduchému nastavení je možné toto uživatelské prostředí poskytnout všem uživatelům s určitými právy.
Shrnutí
Ovládání energetických toků datacentra není úplně standartní věc, ale ukázalo se, že práce s energiemi je vždy stejná. Mnoho poznatků je použito v dalších řešeních, které jsou k nahlédnutí na www.faster.cz/regulace. Hlavní principy jednoduchého servisu, univerzálnosti řešení a absolutní automatizace jsou podle zadání dodrženy a tím je celý objekt funkční bez správce budovy. Ovládání, vzdálená správa a sběr dat je směr, kterým se díky době vysokorychlostního internetu budeme dále ubírat.
Na závěr bych chtěl všechny zájemce pozvat na prohlídku nového řešení regulace FASTER.
Pokud budete mít zájem o další informace, neváhejte nás kontaktovat na regulace@faster.cz popřípadě na telefonu 777 164 880.
Další informace najdete na stránkách www.faster.cz/regulace
Vývoj a výroba programovatelných řídicích jednotek (PLC), převodníků, senzorů a systémů pro technická zařízení budov, BMS, chytré domácnosti, výrobu, průmysl a automatizaci.