Как обогреть дом и сэкономить бюджет на электроэнергию: ЦОД как альтернативный источник тепла для муниципальных нужд

Основное предназначение ЦОД – обеспечение работоспособности и сохранности серверного оборудования и содержащихся на нем данных. Однако, как показывает практика последних лет, функционал дата-центра может быть намного шире. Использование избыточного тепла ЦОД в экономике и социальной сфере – новый, быстро развивающийся тренд на рынках цивилизованных стран. Интегрированное инженерное решение по вентиляции и отоплению «Тепловой насос», реализованное оператором IXcellerate в собственной сети коммерческих ЦОД, стало первым успешным воплощением этой тенденции на российском рынке.

В период с 2018 по 2020 годы было создано больше цифровой информации, чем за всю историю человечества до 2018 года. К текущему – 2023 году − ее объемы увеличились многократно. Большая часть этой информации хранится в центрах обработки данных. Расположенные в них сервера в режиме нон-стоп потребляют значительные объемы энергии и вырабатывают тепло, которое может использоваться в качестве дополнительного источника для обогрева домов, дорог и других городских объектов. И это не требующая проверки гипотеза, а вполне реальная практика многих развитых стран.

3 января 2023 года 5000 студентов Дублинского технологического университета вернулись после зимних каникул в свой пригородный кампус в городе Талла. Их встретили теплые комнаты, которые обогревались уже не за счет газового котла: теплый воздух в помещения поступал из расположенного неподалеку дата-центра Amazon.

Примеров «зеленых» ЦОД становится все больше, что вполне закономерно с учетом роста цен на природное топливо и курс на альтернативные источники энергии. Так, например, в Швеции реализуется инициатива под названием Stockholm Data Parks, направленная на обогрев домов за счет избыточного тепла, вырабатываемого городскими центрами обработки данных. Стратегическая цель этого проекта − удовлетворить 10% всех потребностей Стокгольма в отоплении к 2035 году. Дата-центр IBM в Цюрихе обогревает расположенный неподалеку бассейн. Французская Telecity использует тепло своего дата-центра в Париже для обогрева находящегося рядом питомника растений. Голландская компания Switch Datacenters заменила газогенераторные установки на тепловую энергию, выделяемую собственными ЦОД. В основе применяемого решения лежит методология прямого водного охлаждения (Direct Liquid Cooling, DLC), которая позволяет отводить тепло от серверов путем циркуляции жидкого хладагента и перенаправлять его в объекты недвижимости. Корпорация Microsoft также использует данную технологию. За счет энергии ее дата-центров отапливаются тысячи домов в Хельсинки. По подсчетам экспертов компании, использование возобновляемых источников энергии позволит в ближайшие годы сократить выбросы CO2 примерно на 400 000 тонн в год.

Интерес к «зеленым» технологиям уже более 15 лет находится на экономической повестке дня. И для самих дата-центров, и для муниципальных властей подобного рода проекты могут стать источником дополнительной прибыли и экономии бюджета, а также вкладом в сохранение планеты и повышение собственной репутации.

Первый российский опыт: задачи и требования  

В 2020 году IXcellerate − оператор сети коммерческих дата-центров в России − начал разработку решения «Тепловой насос», которое позволило бы использовать тепловую энергию систем кондиционирования ЦОД. Руководство компании задалось целью повысить энергоэффективность своей сети и снизить эксплуатационные расходы на теплоснабжение как уже действующих, так и новых − строящихся объектов.

На первом этапе проекта были сформулированы его ключевые задачи. «Тепловой насос» должен был обеспечить автономность машинного зала ЦОД от городских тепловых сетей и отопление технических, вспомогательных и отдельно стоящих административных зданий общей площадью порядка 2500 кв. м. Безусловным требованием к решению было соответствие санитарным нормам по температуре и влажности для рабочих помещений персонала, а также мировым ESG-практикам (Environment, Social, Governance).

Поиск альтернатив

После анализа мирового опыта и доступных к реализации решений эксперты IXcellerate остановились на двух вариантах, из которых предстояло сделать финальный выбор: «воздух − вода» и «вода – вода».  

«Воздух – вода». В этом варианте требуется установка отдельных прецизионных фреоновых кондиционеров в машинных залах с конденсатором водяного охлаждения. Такие кондиционеры не только выполняют свою основную функцию − кондиционирование ЦОД, но и являются источниками тепловой энергии. Нагретый теплоноситель подается в индивидуальный тепловой пункт и обеспечивает нагрев контуров отопления и теплоснабжения приточных вентиляционных установок.

«Вода – вода». Такой вариант предполагает интеграцию теплового насоса в контур холодоснабжения. В качестве основного источника тепла здесь выступает возвратный холодоноситель. Установка монтируется в отдельных технических помещениях, подключается к магистралям контура холодоснабжения и в схему теплоснабжения.

«Победителем конкурса» на оптимальное решение стал вариант №1: «воздух – вода». Именно он, с точки зрения инженеров IXcellerate, позволял наилучшим образом решить все поставленные задачи с учетом инженерных особенностей системы охлаждения. Если источником тепла выступает горячий воздух, тепло из машинных залов можно утилизировать даже при отсутствии единого контура холодоснабжения. К тому же в связи с полноценной интеграцией в систему кондиционирования ЦОД этот вариант практически не требует инвестиционных затрат.

Для обеспечения работы системы потребовались следующие технические компоненты: 

• прецизионные фреоновые кондиционеры с водяным охлаждением конденсаторов (4 штуки),

• система трубопровода с гликолевым теплоносителем с температурным графиком 50/40,

• сухая градирня на крыше (4 штуки),

• тепловой узел с насосной группой,

• система автоматического управления теплового пункта.

• датчики и регуляторы температуры/давления.

Реализацию проекта можно было начинать при ИТ-нагрузке ЦОД от 30%.

Основной принцип и параметры работы системы

«Тепловой насос» реализует тот же тип термодинамического цикла, что и холодильник, но в противоположном направлении: забирает тепло из машинного зала и отдает его в нагреваемое помещение.

Цикл работы состоит из следующих процессов:

• нагретый воздух проходит через фреоновый прецизионный кондиционер, охлаждается, в результате чего происходит нагрев конденсаторного блока;
• теплоноситель проходит через конденсатор, нагревается и подается в тепловой пункт, обеспечивая подачу тепла в контуры отопления и теплоснабжения приточных вентиляционных установок;
• недостаточно утилизированная тепловая мощность поступает в драйкулеры для охлаждения до проектных значений температур с целью повторного использования в системе кондиционирования в машинных залах.

В соответствии с техническими характеристиками кондиционеров тепловая мощность при 100% нагрузке на испаритель составляет до 156,9 кВт. Суммарная тепловая мощность четырех кондиционеров − до 627 кВт. Максимально возможная тепловая мощность − 470,7 кВт. Для бесперебойности электропитания применяется схема резервирования N+1.

Этапы проекта

Проект стартовал в начале 2021 года. Ровно через год было завершено интегрирование системы теплоснабжения здания в систему кондиционирования дата-центра. После этого началось масштабирование системы с подключением новых потребителей. В 2022 году с помощью «Теплового насоса» отапливалось 1100 кв.м административных и технических зданий. В 2023 году общая площадь отапливаемых помещений достигла 2500 кв.м.

Оценка эффективности

Основными достоинствами технологии «Тепловой насос» является возможность автономного теплоснабжения инженерных систем в круглогодичном режиме и экономия затрат на тепловую энергию. За два отопительных периода экономия на отопительных затратах Северного кампуса IXcellerate составила 200 Гкал в год. Ожидаемая экономия в будущем, при условии подключения всех потребителей, составляет   ̴700 Гкал в год.

Решение может эксплуатироваться и в летний период: в системах вентиляции машинных залов тепловая энергия используется для поддержания оптимального уровня влажности.

Единственным относительным минусом реализованного решения является связанность инфраструктуры ЦОД с инфраструктурой административной части зданий, что нужно учитывать при проектирования объектов. Схема отопления здания и вентиляционные установки должны быть рассчитаны на температурный график 60/40 (в отличие от графика теплоснабжающих организаций 95/70).

По оценкам аналитиков, к 2035 году люди произведут более 2000 зеттабайт данных. Очевидно, что с ростом объемов информации и темпов цифровизации центры обработки данных будут приобретать все большее значение, в том числе, за счет включения в социально-экономическую экосистему современных мегаполисов. Проект, реализованный IXcellerate, как и многочисленные примеры в других странах, демонстрирует, что дата-центры могут способствовать росту местной экономики. Происходит это за счет использования выделяемой ими энергии в социальных нуждах и сокращения муниципальных бюджетов на обогрев коммунальных объектов. Новые технологии позволяют минимизировать количество поступающей в ЦОД электроэнергии, а также сокращать загрязнения атмосферы за счет снижения углеродных выбросов. При этом экономия расходов конечных пользователей является одним из ключевых факторов повышения популярности и репутации местных управляющих органов.   

Несомненным плюсом этой концепции является ее универсальность. Технологию «Тепловой насос» может использовать любой ЦОД в зависимости от своей мощности и объема избыточного тепла, в том числе, на базе отечественных решений. Что касается нашей компании, то в планы IXcellerate входит масштабирование полученного опыта на все объекты компании. В течение нескольких лет общая энергомощность обоих кампусов IXcellerate при полном вводе (8 дата-центров) превысит 280МВт. Это огромные цифры, которые позволяют обеспечивать теплом сотни городских объектов.

Помимо технологически готового к энерго-инновациям дата-центра для реализации подобного рода проектов необходимы заинтересованные застройщики, которые спроектируют свои объекты с учетом особенностей низкотемпературного тепла, и неравнодушные к будущему своего города, стратегически мыслящие органы муниципальной власти. В современных реалиях «лишнего» тепла не бывает.