Energiebesparing door slim koelen

CE Delft heeft in oktober een rapport gepubliceerd getiteld ‘Energiebesparing door best beschikbare technieken voor koeling van serverruimtes’. Dit onderzoek, dat is opgesteld in opdracht van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland, gaat in op het type serverruimte, de manier van koelen en het energieverbruik. Ook wordt gekeken naar de vraag op welke wijze een computerruimte efficiënter gekoeld kan worden en wat de terugverdientijden zijn van de investeringen die hiervoor nodig zijn. Arthur Singendonk van profITbox en Air@Work bespreekt een aantal conclusies van het onderzoek.

Het energieverbruik van de ICT-ruimte bij bedrijven is relatief onzichtbaar, stellen de onderzoekers van CE Delft. Dit zijn Maarten Afman, Anouk van Grinsven en Ab de Buck. ‘Er zijn sterke aanwijzingen dat er nog veel energiebesparing mogelijk is door energie-efficiënte koeltechnieken toe te passen’, schrijven zij. ‘In de EIA-energielijst zijn bedrijfsmiddelen opgenomen die te maken hebben met energiezuinige koeling. Uit de meldingen voor deze bedrijfsmiddelen blijkt dat het vooral de grote datacenters zijn die gebruikmaken van de EIA voor energie-efficiënte technieken. Kleinere ondernemers doen dat niet of nauwelijks.’

Onbekend

Een probleem is echter, zo vervolgen zij, dat van de serverruimten binnen kantoren veelal niet goed bekend is wat de huidige praktijk van de toegepaste technieken is. Ook bestaat vaak weinig kennis van de huidige energetische prestaties. Door deze relatieve ‘onzichtbaarheid’ van het energiegebruik van de serverruimte is hier vanuit het bedrijf zelf en vanuit de omgeving van het bedrijf (bijvoorbeeld de toezichthouder) slechts beperkt aandacht voor. Dit is een van de redenen, stellen de onderzoekers, waardoor de penetratie van energie-efficiënte technieken naar verwachting relatief gering is. Koelinstallaties zijn hier een belangrijke categorie. Ondernemers kunnen naar verwachting forse besparingen behalen, door efficiënte koeltechnieken toe te passen.

Typen serverruimtes

In opdracht van de Rijksdienst van Ondernemend Nederland (RVO) heeft CE Delft daarom onderzoek gedaan naar de best beschikbare vervanging van bestaande koeltechnieken door moderne varianten voor het koelen van de eigen serverruimte. Voor dit onderzoek is gesproken met een aantal deskundigen uit de markt. Uit de gesprekken komt naar voren dat we onderscheid moeten maken in een aantal typen serverruimtes:

• klein: circa 5 vierkante meter vloeroppervlakte, 5 tot 10 kW opgesteld ICT-vermogen
• middelgroot: 10 tot 100 vierkante meter vloeroppervlakte; ICT-vermogen 15-40 kW
• groot: 100 tot 600 vierkante meter vloeroppervlakte; meer dan 100 kW ICT-vermogen.

Veel voorkomende koeltechnieken

De meest voorkomende koeltechnieken voor kleine serverruimtes zijn, zo concluderen de onderzoekers, de zeer inefficiënte split-unit systemen (in meer dan negentig procent van de serverruimtes aanwezig) en directe vrije koeling (minder dan tien procent).

Voor middelgrote en grote serverruimtes (20-40 kW) is er een groter palet aan technieken in gebruik, blijkt uit het rapport. Bij middelgrote serverruimtes worden ook split-unit systemen aangetroffen. Daarnaast zijn er in deze categorie ook DX-koelsystemen, evenals koelers die werken op gekoeld water. Dit is in tachtig procent van de gevallen zonder vrije koeling, aldus de onderzoekers.

Voor grote serverruimtes is er een mix van ongeveer vijftig procent DX-koelsystemen en vijftig procent koeling met gekoeld water. Wederom in tachtig procent van de gevallen zonder vrije koeling.

Beste technieken

In het onderzoek van CE Delft is een lijst van best beschikbare technieken voor koeling van serverruimtes opgenomen. Nummer één op die lijst is: directe vrije luchtkoeling. In het rapport wordt deze techniek omschreven als:

Het inblazen van gefilterde of ongefilterde buitenlucht. Dit moet ruimtelijk wel mogelijk zijn, de serverruimte bevindt zich dus dicht bij de gevel of het dak. Een variant hierop zijn de systemen voor indirecte vrije luchtkoeling, met lucht/lucht-warmtewisselaars. Zowel directe als indirecte vrije luchtkoeling kan adiabatisch ondersteund zijn. Indirecte systemen hebben als voordeel dat ze gesloten zijn, er is dus geen risico voor de luchtkwaliteit in de serverruimte. In sommige gevallen zal een alternatieve koelvoorziening nodig zijn om extreem warme periodes te kunnen overbruggen, al hangt dat af van de eisen aan de koellucht. Voor alle groottes toepasbaar, vaak met een alternatieve koelvoorziening. 

Directe vrije luchtkoeling

De meeste conventionele koelsystemen van computerruimtes zijn gebaseerd op compressorkoelsystemen die werken met een koudemiddel. Het vloeibare koudemiddel wordt door een expansieventiel geëxpandeerd in een luchtkoeler of verdamper. Het geëxpandeerde vloeibare koudemiddel onttrekt in de verdamper warmte aan de ventilatielucht. Het wordt hierbij gasvormig. De compressor comprimeert het gasvormige koudemiddel naar hoge druk. Hierna wordt de warmte in het koudemiddel weer afgegeven aan de omgeving en wordt het gasvormige koudemiddel weer vloeibaar in de condensor. Hierna herhaalt het proces zich.

Dit wordt wel de directe expansie-methode genoemd. Hierop zijn tal van varianten in de markt aanwezig. Soms wordt de lucht in het datacenter niet direct gekoeld maar wordt er eerst water gekoeld dat vervolgens de datacenterlucht met een extra warmtewisselaar en pomp koelt. Zo wordt het oververhitte koudemiddel ook wel gekoeld met water in plaats van met lucht, waardoor het water in temperatuur stijgt, wat vervolgens op een andere wijze gekoeld wordt.

Voor het op deze manier koelen zijn veel mechanische componenten nodig. Denk aan pompen, compressoren en ventilatoren. Al deze componenten verbruiken energie, dienen onderhouden te worden (kosten) en kennen een zekere mate van uitvalrisico.

Gefilterde buitenlucht

Indien de buitencondities het toestaan, wordt de computerruimte gekoeld met een mix van binnenlucht en gefilterde buitenlucht. Voor de periode van het jaar dat dit niet mogelijk is, zijn verschillende oplossingen denkbaar. Bijvoorbeeld extra dauwpunt- of adiabatische koeling of aanvullende traditionele koeling.

De koelinstallatie is verantwoordelijk voor een flink deel van het energieverbruik van een serverruimte. Door de koeling van een datacenter te optimaliseren, kan dan ook flink op het energieverbruik en daarmee de energiekosten worden bespaard. Vrije luchtkoeling maakt gebruik van buitenlucht, waarvan de temperatuur in Nederland doorgaans fors lager is dan de temperatuur in de serverruimte. De koelinstallatie in de serverruimte hoeft hierdoor minder hard te werken, wat energie bespaart.

Maar hoe groot is deze besparing in de praktijk nu eigenlijk? Dit kunnen we uitrekenen met een zogeheten energiebesparingscalculator. Bijvoorbeeld de online calculator van profITbox (zie figuur 1).

Figuur 1. Op internet zijn online calculatiemodellen beschikbaar die het mogelijk maken om het potentieel van de energiebesparing door het toepassen van moderne koeltechnieken uit te rekenen

Extra: adiabatisch koeling

Het is ook mogelijk om vrije luchtkoeling - zeg maar - adiabatisch te ondersteunen. Hoe werkt dit in de praktijk? Indirecte bevochtigingskoeling is een koelproces waarbij de temperatuur van de lucht in het datacenter wordt verlaagd door het verdampen van water in een andere luchtstroom in een platenwarmtewisselaar. De lucht in de computerruimte is geheel gescheiden van de bevochtigde luchtstroom. Deze bevochtigde lucht wordt naar buiten afgevoerd en is daarmee niet van invloed op de luchtvochtigheid in het datacenter zelf. Zonder gebruik te maken van compressoren kan de computerruimte nu 24/7 gekoeld worden binnen de aanbevolen ASHRAE-norm (zie figuur 2).

Figuur 2. De temperatuurverdeling in Nederland gedurende een jaar maakt het mogelijk om gemiddeld acht op de tien dagen vrije luchtkoeling toe te passen

Het afkoelen van warme lucht door verdamping van water houdt op als de lucht honderd procent verzadigd is. De temperatuur waarbij dat gebeurt, wordt ook wel de natte-boltemperatuur genoemd.

Water als koudemiddel kent een aantal voordelen. Het is een natuurlijk proces (in plaats van chemisch), is energiezuinig en vormt daarmee een duurzaam alternatief voor traditionele koelprocessen. Bovendien is slechts een minimale hoeveelheid componenten nodig: twee ventilatoren en een waterklep. Het is daarmee een betrouwbaar en onderhoudsarm koelsysteem.

Kunststof warmtewisselaar

Er zijn meerdere fabrikanten die adiabatische koeloplossingen leveren. Air@Work is daar een voorbeeld van. Hier is een indirecte adiabatische koelmethode ontwikkeld die gebaseerd is op het gebruik van een kunststof warmtewisselaar. Deze wordt StatiqCooler genoemd. Deze warmtewisselaar brengt via een dunne plaat warmte van de ene luchtstroom (de buitenlucht) over naar de andere luchtstroom (de lucht in het datacenter).

De StatiqCooler maakt gebruikt van een kunststof warmtewisselaar

Bij een lage buitentemperatuur koelt de buitenlucht indirect de datacenterlucht zonder dat hierbij water wordt toegepast. Wordt het buiten warmer, dan wordt de platenwisselaar bevochtigd. Het water verdampt op de plaat in de warmtewisselaar en onttrekt daarmee warmte aan de datacenterlucht. Door de dunwandige kunststof platen en de hygroscopische laag heeft de warmtewisselaar een hoge warmte-overdrachtscoëfficiënt.

Voordelen

Het koelsysteem zorgt met twee gescheiden luchtstromen voor de koeling van het datacenter. Buitenlucht komt niet in contact met de recirculatielucht. Gedurende acht op de tien dagen gedurende het jaar zorgt deze aanpak voor koeling aan de buitenlucht. Gedurende de resterende dagen wordt door het verdampen van water in de gebruikte buitenlucht de gewenste afkoeling gerealiseerd.

Door gebruik te maken van koelenergie van de buitenlucht gecombineerd met water kan zeer efficiënt gekoeld worden. Het noodzakelijke energieverbruik betreft alleen de energie voor de ventilatoren. Hierdoor is een besparing tot negentig procent op de energiekosten mogelijk in vergelijking tot conventionele systemen. Dit betekent dat in veel situaties er bovendien meer IT-apparatuur kan worden opgesteld, omdat de elektrische energie die niet langer voor het koelen nodig is, nu beschikbaar is voor dit soort apparatuur.

Het vervangen van de bestaande koelinstallatie door een indirecte adiabatische oplossing kent in de regel terugverdientijden van minder dan vier jaar. De vervanging wordt binnen vier jaar terugverdiend door besparingen op de kosten voor energie en onderhoud.

Door het toepassen van indirecte adiabatische koeling wordt er zeer efficiënt gekoeld. Het energiegebruik is alleen dat wat nodig is voor het aandrijven van de ventilatoren. Een besparing van 90% op energiekosten is realiseerbaar in vergelijk met conventionele systemen. Daardoor kan de E- infrastructuur aanzienlijk lichter worden uitgevoerd. Denk hierbij aan transformatoren en generatoren waardoor de investering in het datacenter lager uitkomt dan bij conventionele koelsystemen.

Het systeem is betrouwbaar door het minimaliseren van bewegende delen, daardoor is de beschikbaarheid hoog en zijn de onderhoudskosten laag.

Conclusie

Er bestaan legio technieken om te besparen op de kosten voor het koelen van bestaande (kleine) computerruimten. Indirecte adiabatische koeling kan zowel in nieuwe als in bestaande ruimtes worden toegepast. Hierbij is het niet nodig om gebruik te maken van compressorkoeling. Directe vrijekoeling kan een oplossing zijn voor bestaande datacenter aangevuld met adiabatische of conventionele technieken.

De best beschikbare techniek-combinaties: 

1. Directe vrije lucht koeling. Dus inblazing van gefilterde of ongefilterde buitenlucht. Dit moet ruimtelijk wel mogelijk zijn, de serverruimte bevindt zich dus dicht bij de gevel of het dak. Een variant hierop zijn de systemen voor indirecte vrije lucht koeling, met lucht/lucht warmtewisselaars. Zowel directe als indirecte vrije lucht koeling kan adiabatisch ondersteund zijn. Indirecte systemen hebben als voordeel dat ze gesloten zijn, er is dus geen risico voor de luchtkwaliteit in de serverruimte. In sommige gevallen zal een alternatieve koelvoorziening nodig zijn om extreem warme periodes te kunnen overbruggen, al hangt dat af van de eisen aan de koellucht. Voor alle groottes toepasbaar, vaak met een alternatieve koelvoorziening.
2. Rack cooling met een DX-systeem. Efficiënt omdat de koude precies daar wordt geleverd waar hij moet zijn. Het nadeel is dat er bij dit soort systemen geen gebruik van vrije koeling gemaakt kan worden. Daarom alleen kosteneffectief voor koeling van kleine serverruimtes met een behoorlijke warmtelast. Voor middelgrote en grotere ruimten zou naar meer vrije koeling moeten worden gestreefd. Alleen voor klein.
3. Een watergekoeld ‘precision airconditioning’ systeem uitgerust met (vaak optionele) vrije koeling. De optie voor vrije koeling houdt in dat de warme lucht rechtstreeks aan het water gekoeld kan worden als het water koud genoeg is. Er bestaan watergekoelde CRAC’s voor rack, row en ruimtekoeling. Op het dak van het gebouw staat alleen een droge koeler. Voor middelgroot en groter.
4. Gekoeld watersysteem, met centrale koudwatermachine (chiller) en vrije koeling. Als er gekoeld water voorhanden is in het gebouw, dan zijn luchtbehandelingskasten of rack/row cooling met gekoeld water ook een optie. De centrale koudwatermachine (chiller) moet wel ontworpen zijn voor vrije koeling of gekoppeld zijn aan een vrije koeling, waarbij droge koelers een lagere graad aan vrije koeling bieden dan hybride droge koelers of (natte) koeltorens. Deze vorm is toepasbaar vanaf de middelgrote categorie, en biedt een grotere koelcapaciteit in een kleinere oppervlakte en de centrale koudwatermachine biedt een grotere efficiëntie en meer opties voor vrije koeling. Voor middelgroot en groter.

 Arthur Singendonk is werkzaam bij profITbox/Air@Work