مراکز داده برج‌های خنک‌کننده را برای بهره‌وری انرژی به کار می‌گیرند

با سرازیر شدن حجم عظیمی از داده‌ها به سمت ابر، که باعث رشد سریع اقتصاد دیجیتال می‌شود، مراکز داده در سراسر جهان در حال تکثیر هستند. با این حال، قدرت محاسباتی عظیمی که از این تأسیسات پشتیبانی می‌کند، مقادیر سرسام‌آوری از گرما تولید می‌کند. اتلاف حرارت کارآمد به یک چالش حیاتی برای عملیات پایدار مراکز داده تبدیل شده است. برج‌های خنک‌کننده که مدت‌ها به دلیل مصرف آب مورد بحث بودند، در حال ارزیابی مجدد به عنوان اجزای ضروری هستند که در صورت پیاده‌سازی صحیح، ممکن است در واقع به زیرساخت‌های داده‌ای سبزتر کمک کنند.

راه‌حل‌های خنک‌کننده مراکز داده بسته به عوامل متعددی از جمله اندازه تأسیسات، الزامات محاسباتی، هزینه‌های منطقه‌ای انرژی و تراکم بار داده‌ها، به طور قابل توجهی متفاوت است. رویکردهای اصلی خنک‌کننده عبارتند از:

• چیلرهای خنک‌شونده با آب: سیستم‌هایی که شامل چیلرها، پمپ‌ها، برج‌های خنک‌کننده و مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای هستند که گرما را از طریق تبخیر دفع می‌کنند.
• چیلرهای خنک‌شونده با هوا: سیستم‌های ساده‌شده که فقط از چیلرها و پمپ‌ها استفاده می‌کنند و برای دفع گرما به هوا متکی هستند.
• خنک‌کننده تبخیری مستقیم: سیستم‌های «خنک‌کننده باتلاقی» که از محیط‌های مرطوب استفاده می‌کنند و از تبخیر آب بدون تبرید مکانیکی استفاده می‌کنند.
• خنک‌کننده آدیاباتیک: سیستم‌های ترکیبی که خنک‌کننده هوا و آب را ترکیب می‌کنند و در دوره‌های اوج تقاضا از خنک‌کننده با کمک آب استفاده می‌کنند.

اپراتورها باید هنگام انتخاب راه‌حل‌های خنک‌کننده، هم هزینه‌های عملیاتی و هم تأثیرات زیست‌محیطی را در نظر بگیرند. دو معیار کلیدی این تصمیمات را هدایت می‌کنند: راندمان استفاده از توان (PUE) که کل مصرف انرژی را نسبت به استفاده از تجهیزات IT اندازه‌گیری می‌کند (با 1.0 ایده‌آل است) و راندمان استفاده از آب (WUE) که مصرف آب سیستم خنک‌کننده را ارزیابی می‌کند.

در حالی که برج‌های خنک‌کننده از طریق تبخیر آب مصرف می‌کنند، کارشناسان صنعت استدلال می‌کنند که این موضوع باید در برابر تأثیرات گسترده‌تر سیستم انرژی ارزیابی شود. تیم چیدیکس، معاون مهندسی مکانیک در Swanson Rink، تأکید می‌کند که انتخاب فناوری خنک‌کننده نیازمند تجزیه و تحلیل محلی با در نظر گرفتن شرایط آب و هوایی، زیرساخت‌های انرژی و الزامات عملیاتی است.

یک ارزیابی جامع باید مصرف آب را در سراسر زنجیره انرژی در نظر بگیرد. نیروگاه‌های سنتی مانند تأسیسات زغال‌سنگ، در طول تولید برق، آب قابل توجهی مصرف می‌کنند. در حالی که سیستم‌های خنک‌شونده با هوا، استفاده از آب در محل را کاهش می‌دهند، تقاضای انرژی بالاتر آن‌ها به طور غیرمستقیم مصرف آب را در تأسیسات تولید افزایش می‌دهد. در بسیاری از موارد، سیستم‌های خنک‌کننده تبخیری مکانیکی، راندمان کلی برتری را نسبت به جایگزین‌های خنک‌شونده با هوا نشان می‌دهند.

به عنوان مثال، یک سیستم خنک‌شونده با هوا که سالانه 1 مگاوات مصرف می‌کند در مقابل یک سیستم خنک‌شونده با آب که 0.5 مگاوات با مصرف 3000 گالن در دقیقه آب استفاده می‌کند، ممکن است در واقع آب بیشتری را ذخیره کند، زمانی که الزامات تولید اضافی گزینه خنک‌شونده با هوای کم‌بازده‌تر را در نظر بگیریم.

یک مقاله سفید که توسط چیدیکس و بروک زیون مشترکاً نوشته شده است، با عنوان «مصرف آب مراکز داده در دنور، فینیکس و لس آنجلس: تصویر بزرگ»، بررسی کرد که آیا کاهش مصرف آب در تأسیسات فردی واقعاً مصرف آب منطقه‌ای را کاهش می‌دهد یا خیر. این مطالعه نشان داد که قابلیت‌های انتقال حرارت برتر آب، آن را برای خنک‌کننده کارآمدتر از هوا می‌کند، اگرچه اثربخشی آن با توجه به آب و هوا متفاوت است و مناطق خشک بیشترین سود را می‌برند.

محققان با تجزیه و تحلیل مراکز داده نمونه 1500 کیلوواتی در سه شهر و با گنجاندن داده‌های شدت آب شبکه محلی از آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر، سه سیستم را مقایسه کردند: چیلرهای استاندارد خنک‌شونده با آب، چیلرهای خنک‌شونده با هوا و خنک‌کننده تبخیری. نتایج نشان داد که سیستم‌های خنک‌شونده با هوا به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارند (4,663,740 کیلووات ساعت در سال در دنور در مقابل 1,610,748 کیلووات ساعت برای سیستم‌های خنک‌شونده با آب)، و تقریباً تمام مصرف آب به تأسیسات تولید برق منتقل شد تا اینکه حذف شود.

چیدیکس هشدار می‌دهد که مقررات محلی با حسن نیت که استفاده از آب و انرژی در محل را کاهش می‌دهد، ممکن است به طور ناخواسته مصرف کل منابع را هنگام در نظر گرفتن تأثیرات تولید برق افزایش دهد. سیستم‌های خنک‌شونده با آب اغلب کارآمدتر هستند، به ویژه زمانی که حالت‌های «خنک‌کننده رایگان» (یا اقتصاددان سمت آب) را شامل می‌شوند که از هوای سرد بیرون برای خنک کردن آب بدون تبرید مکانیکی استفاده می‌کنند و به طور بالقوه نیازهای انرژی را 75٪ یا بیشتر در شرایط مطلوب کاهش می‌دهند.

فناوری جریان متغیر به اپراتورها اجازه می‌دهد تا جریان آب را از برج‌های خنک‌کننده در فصول سردتر کاهش دهند، با سرعت فن قابل تنظیم که باعث صرفه‌جویی بیشتر در انرژی می‌شود. طرح‌های برج خنک‌کننده مدولار مزایای بیشتری را ارائه می‌دهند و امکان گسترش ظرفیت را همسو با رشد سرور در حالی که هزینه‌های سرمایه و عملیاتی را کنترل می‌کنند، فراهم می‌کنند. سیستم‌های مدولار پیش‌ساخته نیز از استقرار سریع‌تر پشتیبانی می‌کنند که برای پروژه‌های مراکز داده حساس به زمان حیاتی است.

همانطور که مراکز داده همچنان در سطح جهانی در حال گسترش هستند، ارزیابی جامع راه‌حل‌های خنک‌کننده باید مصرف مستقیم و غیرمستقیم منابع را در نظر بگیرد. هنگامی که به درستی با دیدگاه سطح سیستم پیاده‌سازی شود، راه‌حل‌های خنک‌کننده مبتنی بر آب می‌توانند راندمان بالاتری را ارائه دهند و از توسعه زیرساخت‌های دیجیتال پایدار در حالی که هم انرژی و هم منابع آب را حفظ می‌کنند، پشتیبانی کنند.