Využití odpadního tepla z datového centra pro vytápění a ohřev vody
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.
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]](/docu/clanky/0269/026931o3.jpg)
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.
| 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. 3a Schéma zapojení serveru [8]](/docu/clanky/0269/026931o7.jpg)
![Obr. 3b Vizualizace rackové skříně [8]](/docu/clanky/0269/026931o9.jpg)
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. 4a Půdorys DC [8]](/docu/clanky/0269/026931o11.png)
![Obr. 4b Schéma zapojení DC [8]](/docu/clanky/0269/026931o13.png)
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.
| 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]](/docu/clanky/0269/026931o15.jpg)
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]](/docu/clanky/0269/026931o17.jpg)
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.
| 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]](/docu/clanky/0269/026931o19.jpg)
![Obr. 7b Graf ekologického vyhodnocení variant [8]](/docu/clanky/0269/026931o21.jpg)
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.
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.
