Groundwater cooling of a supercomputer in Perth, Western Australia: hydrogeological simulations and thermal sustainability

Abstract

Groundwater cooling (GWC) is a sustainable alternative to conventional cooling technologies for supercomputers. A GWC system has been implemented for the Pawsey Supercomputing Centre in Perth, Western Australia. Groundwater is extracted from the Mullaloo Aquifer at 20.8 °C and passes through a heat exchanger before returning to the same aquifer. Hydrogeological simulations of the GWC system were used to assess its performance and sustainability. Simulations were run with cooling capacities of 0.5 or 2.5 Mega Watts thermal (MWth), with scenarios representing various combinations of pumping rate, injection temperature and hydrogeological parameter values. The simulated system generates a thermal plume in the Mullaloo Aquifer and overlying Superficial Aquifer. Thermal breakthrough (transfer of heat from injection to production wells) occurred in 2.7–4.3 years for a 2.5 MWth system. Shielding (reinjection of cool groundwater between the injection and production wells) resulted in earlier thermal breakthrough but reduced the rate of temperature increase after breakthrough, such that shielding was beneficial after approximately 5 years pumping. Increasing injection temperature was preferable to increasing flow rate for maintaining cooling capacity after thermal breakthrough. Thermal impacts on existing wells were small, with up to 10 wells experiencing a temperature increase ≥ 0.1 °C (largest increase 6 °C).

Résumé

Le refroidissement par eaux souterraines (RES) est une alternative durable aux technologies conventionnelles de refroidissement pour les superordinateurs. Un système RES a été mis en œuvre pour le Centre de Supercalcul de Pawsey à Perth en Australie occidentale. L’eau souterraine est extraite de l’aquifère Mullaloo à une température de 20.8 °C et circule à travers un échangeur à chaleur avant d’être réinjectée dans le même aquifère. Des simulations hydrogéologiques du système RES ont été utilisées pour évaluer sa performance et durabilité. Les simulations ont été effectuées en considérant des capacités de refroidissement de 0.5 ou 2.5 Mega Watts thermique (MWth), avec des scénarios représentant différentes combinaisons de débit de pompage, de température d’injection et de valeurs de paramètres hydrogéologiques. Le système simulé génère un panache thermique dans l’aquifère de Mullaloo et dans l’aquifère superficiel sus jacent. La percée thermique (transfert de chaleur à partir de l’injection vers les puits de production) s’est produite après 2.7–4.3 ans pour le système 2.5 MWth. Un blindage (réinjection d’eau souterraine froide entre les puits d’injection et de production) a entraîné une percée thermique plus tôt, mais a réduit le taux d’augmentation de la température après la percée, de telle sorte que ce blindage a été bénéfique après environ 5 ans de pompage. L’augmentation de la température d’injection était préférable à l’augmentation du débit pour maintenir la capacité de refroidissement après la percée thermique. Les impacts thermiques sur les puits existants étaient faibles, avec un maximum de 10 puits connaissant une augmentation de température ≥ 0.1 °C (la plus grande augmentation est de 6 °C).

Resumen

El enfriamiento por agua subterránea (GWC) es una alternativa sustentable para las tecnologías convencionales de enfriamiento de supercomputadoras. Se implementó un sistema GWC para el Pawsey Supercomputing Centre en Perth, Australia occidental. El agua subterránea se extrae del acuífero Mullaloo a 20.8 °C y pasa a través de un intercambiador de calor antes de retornar al mismo acuífero. Las simulaciones hidrogeológicas del sistema GWC se usaron para evaluar su rendimiento y sustentabilidad. Las simulaciones se corrieron con capacidades de enfriamiento de 0.5 o 2.5 Mega Watts térmicos (MWth), con escenarios que representan varias combinaciones de caudales de bombeo, temperaturas de inyección y valores de parámetros hidrogeológicos. El sistema simulado genera una pluma térmica en el acuífero Mullaloo y en el acuífero superficial suprayacente. La ruptura térmica (transferencia de calor a partir de la inyección a los pozos de producción) ocurrió en 2.7–4.3 años para una sistema de 2.5 MWth. El blindaje (reinyección de agua subterránea fría entre los pozos de inyección y los pozos de producción) dio lugar a una ruptura térmica más temprana, pero redujo la tasa de aumento de la temperatura después de la ruptura, de tal manera que el blindaje fue beneficioso después de aproximadamente 5 años de bombeo. El aumento de temperatura de inyección fue preferible al aumento de la tasa de flujo para mantener la capacidad de enfriamiento después de la ruptura térmica. Los impactos térmicos en los pozos existentes fueron pequeños, con hasta 10 pozos experimentando un aumento de la temperatura ≥ 0.1 ° C (el incremento mayor fue de 6 ° C).

摘要

对于超级计算机常规冷却技术来说,地下水冷却一个可持续的可替代选择。西澳大利亚珀斯Pawsey超级计算中心应用了地下水冷却系统。20.8 °C的地下水从Mullaloo含水层抽取,在返回含水层前经过热交换器。利用地下水冷却系统的水文地质模拟评价其性能和可持续性。模拟时冷却能力为0.5或2.5 百万瓦热量,展现抽水量、注入温度和水文地质参数值各种组合方案。模拟系统在Mullaloo含水层及上覆的表层含水层产生了热卷流。一个2.5 百万瓦热量系统2.7–4.3 年后出现了热突围 (从注入井到生产井的热传递)。屏蔽 (注入井和生产井之间的冷却地下水再注入) 导致较早的热突围,但降低了突围后温度增加的速度,这样,大约抽水5年后,屏蔽是非常有益的。对突围后保持冷却能力来说,增加注入温度比增加流速更好。对现有井的热影响非常小, 有10口井温度升高了 ≥ 0.1 °C (升高最多的为6 °C)。

Resumo

O resfriamento por águas subterrâneas (RPAS) é uma alternativa sustentável às tecnologias de resfriamento convencional para supercomputadores. Um sistema de RPAS foi implementado para o Centro de Supercomputação de Pawsey em Perth, Austrália Ocidental. A água subterrânea é extraída a partir do Aquífero Mullaloo à 20.8 °C e passa através de um trocador de calor antes de retornar ao mesmo aquífero. Simulações hidrogeológicas do sistema de RPAS foram usadas para avaliar seu desempenho e sustentabilidade. Simulações foram executadas com capacidades de resfriamento de 0.5 ou 2.5 Mega Watts termais (MWt), com cenários representando várias combinações de taxas de bombeamento, temperatura de injeção e valores de parâmetros hidrogeológicos. O sistema simulado gera uma pluma termal no Aquífero Mullaloo e no Aquífero Superficial sobrejacente. Colapso termal (transferência de calor da injeção ao poço de produção) ocorreu de 2.7–4.3 anos para um sistema de 2.5 MWt. A proteção (reinjeção da água fria entre os poços de injeção e produção) resultou em um colapso termal anterior mas reduziu a taxa de aumento da temperatura despois do colapso, tal que a proteção foi benéfica depois de aproximadamente 5 anos de bombeamento. O aumento da temperatura de injeção foi preferido à aumentar a taxa de fluxo na manutenção da capacidade de resfriamento após o colapso termal. Impactos termais nos poços existentes foram pequenos, com um total de 10 poços apresentando um aumento de temperatura ≥ 0.1 °C (maior aumento 6 °C).

Appendix

To assess mesh sensitivity, scenario 4 was repeated on a refined mesh comprising 5,344,008 elements with a mesh resolution of 0.75 m around the GWC wells. A comparison of results obtained using the original and refined meshes is presented in Table 8. The results are very similar; hence, it was concluded that the original mesh resolution is sufficient to resolve the behaviour of the GWC system.

Table 8 Mesh sensitivity—comparison of results on normal and refined mesh, 10 years pumping, scenario 4