Ενεργειακά αποδοτικές λύσεις για ψύξη σε υπολογιστικά κέντρα (data centers)

Abstract

Η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας οδήγησε στον κατακλυσμό του σύγχρονου κόσμου από πληροφορίες και ηλεκτρονικά δεδομένα, τα οποία χρήζουν αποτελεσματικής διαχείρισης και αποθήκευσης. Στρατηγικές διαχείρισης των δεδομένων αναπτύσσονται στα υπολογιστικά κέντρα, τα οποία είναι ευρέως γνωστά κυρίως με τον αγγλικό όρο data centers. Η ύπαρξη των κέντρων αυτών είναι καταλυτική για τους περισσότερους κλάδους επαγγελμάτων, όπως είναι η πληροφορική, η βιομηχανία, η ιατρική, η κινητή τηλεφωνία. Ωστόσο, η αδιάλειπτη λειτουργία των υπολογιστικών κέντρων συνδέεται άρρηκτα με την υψηλή κατανάλωση ενέργειας, η οποία σύμφωνα με στατιστικές έρευνες αντιστοιχεί στο 2% της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας. Ταυτόχρονα, οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, λόγω της καύσης ορυκτών καυσίμων για την παραγωγή της απαραίτητης ενέργειας, ζημιώνουν ανεπανόρθωτα το περιβάλλον. Επομένως, οι μελετητές των υπολογιστικών κέντρων στρέφουν το ενδιαφέρον τους στην εύρεση καινοτόμων και ενεργειακά αποδοτικών λύσεων, που αφορούν κυρίως στην αντικατάσταση των συμβατικών πηγών ενέργειας με ανανεώσιμες πηγές. Η παρούσα εργασία περιλαμβάνει την εύρεση ενεργειακά αποδοτικών λύσεων για την ψύξη ενός ήδη υπάρχοντος υπολογιστικού κέντρου στην Ανκόνα της Ιταλίας. Με τη βοήθεια του λογισμικού TRNSYS εξετάστηκαν κάποια σενάρια αλλαγών στο σύστημα ψύξης, τόσο μεμονωμένα όσο και συνδυαστικά. Συγκεκριμένα, με σκοπό την αποφυγή, όσο ήταν εφικτό, της λειτουργίας των παραδοσιακών μηχανημάτων ψύξης αναπτύχθηκαν τρία διαφορετικά σενάρια εφαρμογής φυσικής ψύξης : έμμεση φυσική ψύξη με νερό, φυσικός αερισμός και άμεση φυσική ψύξη με νερό ποταμού, ενώ εξετάστηκε και ένα σενάριο βελτίωσης της αποδοτικότητας των υπολογιστών. Τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης των παραπάνω σεναρίων συγκρίθηκαν τόσο μεταξύ τους, όσο και με το αρχικό σύστημα ψύξης του υπολογιστικού κέντρου και οδήγησαν στην ανάπτυξη ενός συνδυαστικού σεναρίου, το οποίο αποδείχθηκε ως εξαιρετικά αποδοτικό. Στα πλαίσια του συνδυαστικού σεναρίου, επιτεύχθηκε εξοικονόμηση ενέργειας της τάξεως του 25.1% επί της συνολικής αρχικής ετήσιας κατανάλωσης ενέργειας και ειδικότερα 41,7% επί της ενέργειας που καταναλώνεται ετησίως για ψύξη. Τέλος, είναι αξιοσημείωτη η μείωση των εκπομπών CO2 κατά 25.1%.

The rapid advancement of technology has led to the flood of the modern world with information and electronic data, which require efficient management and storage. Data management strategies are developed in data centers. The existence of these centers is crucial for most professional fields, such as computer science, industry, medicine and mobile technology.

However, the uninterrupted operation of data centers is closely associated with high energy consumption, which according to surveys, accounts for 2% of global energy consumption. Simultaneously, the combustion of fossil fuels, with the purpose of meeting the energy needs in data centers, causes remarkable carbon emissions, which irreparably damage the environment. Therefore, scholars of data centers focus on finding innovative and energy-efficient solutions, relating mainly to the replacement of conventional energy sources with renewable sources.

This thesis refers to finding energy efficient cooling solutions for an existing data center in Ancona, Italy. With the help of TRNSYS software, five change scenarios were tested in the primary cooling system, both separately and in combination. Specifically, in order to avoid, as was possible, the operation of traditional cooling units, three different free cooling scenarios were applied: indirect waterside freecooling, direct airside free cooling and direct waterside free cooling by using river water. Moreover, one more scenario was tested concerning an upgrade of the servers. The results of modeling were compared with each other and with the data’s center primary cooling system and led to the development of a combinatorial scenario, which was proved to be very efficient.

In the context of combinatorial scenario achieved energy savings -25.1% of the total annual initial energy consumption and particularly -41.7% of the energy consumed annually for cooling. Finally, it is worth noting the reduction of CO2 emissions by 25.1%.