Australijoje įsikūrusi bendrovė „Sydney Water“ prognozuoja, kad iki 2035 m. duomenų centrų aušinimui reikalingo vandens poreikis išaugs ir sudarys nuo 1 iki 25 proc. viso geriamojo vandens kiekio. Jungtinėse Valstijose 2023 metais duomenų centrai sunaudojo apie 64 mlrd. litrų gėlo vandens ir šis kiekis toliau didėja. Jungtinėje Karalystėje daugiau nei 80 proc. planuojamų duomenų centrų statomi teritorijose, kurios jau dabar susiduria (arba artimiausiu metu susidurs) su dideliu vandens trūkumu.
Apribojimai dėl klimato kaitos griežtėja, o duomenų apdorojimo poreikis sparčiai auga, todėl projektuojant duomenų centrus būtina prioritetą teikti efektyviems inžineriniams sprendimams. Tai reiškia aušinimo sistemų optimizavimą, energijos nuostolių mažinimą ir duomenų centrų įrengimo vietų parinkimą atsižvelgiant į tvarų vandens išteklių prieinamumą. Siekiant spręsti šiuos iššūkius, pirmiausia būtina suprasti šiuolaikinių duomenų centrų šilumines apkrovas.
Šilumos apkrovų mastas
Įprasti duomenų centrai dažniausiai veikia esant 5-10 kW galios apkrovai vienai serverių spintai (angl. rack). Tuo tarpu DI sprendimams reikalingos kur kas didesnės – 30-50 kW apkrovos, o aukšto našumo skaičiavimo sistemose jos viršija ir 100 kW, o kai kuriais atvejais artėja prie 1 MW. Toks galios augimas ženkliai didina šilumines apkrovas, todėl norint palaikyti optimalią 18-27 °C temperatūrą, būtina efektyviai aušinti.
Nors aušinimo sistemoms nereikalingas geriamas vanduo, tačiau naudojamas pramoninės kokybės vanduo turi atitikti tam tikrus reikalavimus, kad būtų išvengta korozijos ir nuosėdų susidarymo. Svarbu ir tai, kad netiesioginis vandens suvartojimas, susijęs su elektros energijos gamyba, gali sudaryti iki 75 proc. viso duomenų centro vandens suvartojimo.
Didelio masto duomenų centras gali sunaudoti iki 19 mln. litrų vandens per dieną. Tiek, kiek sunaudoja 10-50 tūkst. gyventojų turinti savivaldybė. Prognozuojama, kad iki 2027 m. pasaulinis DI technologijų vandens suvartojimas pasieks 4,2-6,6 mlrd. kubinių metrų per metus. Tiek, kiek per metus sunaudoja visa Danija.
Kai kurie tyrimai rodo, kad net pavienės sąveikos su DI sistemomis reikalauja realių, apčiuopiamų vandens išteklių. Pavyzdžiui, vieno tyrimo duomenimis, maždaug 100 žodžių užklausa gali būti susijusi su apie 500 ml vandens suvartojimu, priklausomai nuo naudojamos infrastruktūros ir eksploatavimo sąlygų.
Aušinimo efektyvumo vertinimo standartas
Duomenų centrų vandens suvartojimas apibrėžiamas kaip grynasis vandens paėmimas iš paviršinių, požeminių arba išvalytų nuotekų šaltinių, atėmus į aplinką grąžinamą vandens kiekį. Šiam rodikliui vertinti organizacija „The Green Grid“ sukūrė standartą „Water Usage Effectiveness“ (WUE).
Duomenų centrų suvartojamos energijos efektyvumą vertina PUE (Power Usage Effectiveness) rodiklis, o WUE rodiklis matuoja vandens naudojimo efektyvumą litrais vienai suvartotai kilovatvalandei (L/kWh). Teoriškai idealus rodiklis būtų nulinis, tačiau jis pasiekiamas tik visiškai oru aušinamuose duomenų centruose, kuriuose nėra vandens garavimo nuostolių. Šiuo metu pasaulinis vidurkis siekia 1,8 L/kWh, o pažangiausi objektai pasiekia 0,2 L/kWh ar net geresnius rezultatus.
WUE reikšmę daugiausia lemia pasirinkta aušinimo technologija. Atviros šlapiojo aušinimo bokštų sistemos, plačiai naudojamos drėgno klimato Azijos ir Ramiojo vandenyno regionuose, paprastai pasiekia apie 1,85 L/kWh rodiklį. Adiabatiniai sausojo aušinimo įrenginiai, kurie didžiąją laiko dalį veikia be vandens ir jį naudoja tik didžiausių apkrovų metu, pasiekia 0,1-0,6 L/kWh rezultatą, tačiau tropinio klimato sąlygomis jų efektyvumas mažėja. Visiškai sausas aušinimas vandens apskritai nereikalauja, tačiau yra tinkamas tik vėsiam ir sausam klimatui.
DI infrastruktūrose, kuriose vienoje serverių spintoje sutelkiama labai didelė skaičiavimo galia ir šilumos apkrova, geriausius rezultatus užtikrina aušinimas skysčiu, kai šiluma pašalinama uždaromis grandinėmis tiesiogiai nuo procesorių. Įprastai tokios sistemos pasiekia apie 1,17 L/kWh, tačiau palankiomis sezoninėmis sąlygomis WUE gali būti mažesnis nei 0,3 L/kWh.
Atsižvelgiant į tai, kad apie 2,4 mlrd. žmonių gyvena regionuose, kurie susiduria su vandens trūkumu, WUE rodiklio optimizavimas tampa nebe pasirinkimu, o būtina projektavimo sąlyga. Laimei, rinkoje jau yra patikrintų inžinerinių sprendimų, padedančių reikšmingai sumažinti vandens poreikį.
Dinaminis apkrovos valdymas naudojant dažnio keitiklius
Dažnio keitikliai yra vienas efektyviausių būdų mažinti tiek energijos, tiek vandens suvartojimą. Jie reguliuoja siurblių, ventiliatorių ir kompresorių darbo greitį pagal realų aušinimo poreikį, o ne pagal maksimalią projektinę apkrovą. Dėl to energijos sąnaudos dažnai sumažėja 25 proc. ar daugiau.
Kadangi aušinimo sistemos retai veikia visu pajėgumu, greičio reguliavimas yra būtinas norint išlaikyti aukštą efektyvumą įvairiomis eksploatavimo sąlygomis. Mažesnis siurblių energijos poreikis sumažina aušinimo bokštų apkrovą ir vandens garavimo nuostolius, o mažesnis elektros energijos suvartojimas kartu mažina ir netiesioginį vandens naudojimą.
Harmonikų mažinimas jų susidarymo vietoje
Nors dažnio keitikliai suteikia daug privalumų, tradiciniai sprendimai gali sukelti elektros energijos kokybės problemų. Kartu su IT įranga, UPS sistemomis ir LED apšvietimu jie generuoja elektros tinklo harmonikas, kurios didina nuostolius kabeliuose bei transformatoriuose, skatina papildomą šilumos susidarymą ir didina gedimų riziką.
ABB itin žemų harmonikų (angl. Ultra Low Harmonic) dažnio keitikliai šią problemą pašalina pačiame jos šaltinyje, naudodami aktyviojo įėjimo (AFE) technologiją. Tokie dažnio keitikliai sumažina harmonikų lygį iki 97 proc., o bendras harmoninių iškraipymų rodiklis (THDi) siekia vos apie 3 proc. ir viršija IEEE 519 bei IEC standartų reikalavimus. Šis rezultatas pasiekiamas be papildomų filtrų ar kitos įrangos, o tai ypač svarbu ribotos erdvės duomenų centruose.
Itin žemų harmonikų dažnio keitikliai taip pat gerina siurblių sistemų efektyvumą vairiose vandens tiekimo ir nuotekų sistemose. Be to, jie gali kompensuoti iki ±15 proc. įtampos svyravimus ir užtikrinti stabilų variklių darbą net esant įtampos svyravimams ar elektros tinklo apkrovos pokyčiams.
Aukšto efektyvumo elektros varikliai
Ne mažiau svarbūs ir pačių dažnio keitiklių valdomi elektros varikliai. Nors daugelyje šalių jau privalomi IE3 efektyvumo klasės varikliai, operatoriai gali rinktis IE5 klasės sinchroninius reluktancinius (SynRM) variklius, kurių energijos nuostoliai yra maždaug 40 proc. mažesni.
SynRM varikliai dirba žemesnėje temperatūroje nei analogiški asinchroniniai varikliai, todėl ilgėja jų komponentų tarnavimo laikas. SynRM konstrukcijoje nenaudojami retieji Žemės metalai. Dirbdami kartu su itin žemų harmonikų dažnio keitikliais jie užtikrina maksimalų sistemos efektyvumą ir minimalią šiluminę apkrovą.
Pavyzdžiui, esant 0,20 Eur/kWh elektros energijos kainai, 8 760 darbo valandų per metus ir 75 proc. vidutinei apkrovai, vienas 90 kW IE5 SynRM variklis per 20 metų leidžia sutaupyti apie 79 800 Eur ir sumažinti CO₂ emisijas 95 760 kg, palyginti su tradiciniu IE3 varikliu. Didelio masto duomenų centruose, kuriuose naudojamos dešimtys tokių variklių, nauda dar labiau išauga.
Nuotėkių aptikimas ir išmanusis siurblių valdymas
Atvirose aušinimo bokštų sistemose vandens garavimas yra natūrali proceso dalis, tačiau nuotėkiai vamzdynuose ir vožtuvuose yra išvengiami. Net ir nedideli nuotėkiai ilgainiui gali reikšmingai pabloginti WUE rodiklį.
Tokius nuostolius galima greitai nustatyti naudojant belaidžius daiktų interneto (IoT) jutiklius, montuojamus vamzdynų jungtyse, aušinimo bokštuose, šilumokaičiuose ir siurblinėse. Papildomą kontrolę suteikia dažnio keitikliai, kurie pagal apkrovos kreivių analizę gali aptikti galimą nuotėkį, kai tam pačiam darbo režimui reikia mažesnio sukimo momento.
Išmanioji ABB siurblių valdymo sistema (Intelligent Pump Control, IPC) leidžia vertinti srautą be papildomų jutiklių ir palyginti duomenis tarp skirtingų sistemos dalių, todėl nuotėkius galima aptikti dar ankstyvoje stadijoje.
Mažesnė priklausomybė nuo gėlo vandens
Priklausomybės nuo centralizuotų vandens tiekimo sistemų mažinimas suteikia reikšmingų strateginių pranašumų. Uždaro ciklo recirkuliacinės sistemos leidžia ženkliai sumažinti gėlo vandens poreikį, palyginus su atviro garinimo principu veikiančiomis sistemomis.
Vis daugiau duomenų centrų vietoje geriamojo vandens naudoja išvalytas miesto nuotekas, techninį arba pakartotinai panaudotą vandenį. Papildomai galima diegti lietaus vandens surinkimo sistemas. Pakrančių regionuose jūros vandens aušinimas kartu su vietiniu gėlinimu gali beveik visiškai panaikinti gėlo vandens poreikį.
GPU klasterių generuojama perteklinė šiluma taip pat gali būti panaudojama terminio gėlinimo procesams, sukuriant žiedinės ekonomikos principus atitinkančią sistemą ir priartinant duomenų centrus prie vandens neutralumo tikslo.
Nepaisant to, kaip sparčiai ateityje augs DI apkrovos, aušinimui reikalingas vanduo išliks vienu svarbiausių duomenų centrų veiklos apribojimų, ypač šilto ir drėgno klimato regionuose. Aukšto efektyvumo elektros varikliai kartu su išmaniuoju dažnio keitiklių valdymu suteikia praktišką ir lengvai pritaikomą būdą mažinti tiek tiesioginį, tiek netiesioginį vandens suvartojimą naujos kartos duomenų centruose.
