Modulaire koelsystemen voor dynamisch groeiende IT-landschappen

Wie een kleine computerruimte met slechts enkele servers exploiteert, zal in eerste instantie kunnen denken om een directe koeling van de IT-racks achterwege te kunnen laten en in plaats daarvan de complete computerruimte te klimatiseren. Hierbij zuigen de in de IT-apparatuur aanwezige ventilatoren de gekoelde lucht aan en wordt deze apparatuur voldoende gekoeld. Is er echter een uitbreiding van een dergelijke IT-omgeving gepland, dan loopt dit koelconcept al snel tegen zijn grenzen of is het niet langer rendabel omdat er te veel gekoelde lucht verloren gaat.

Modulaire koelsystemen bieden een oplossing: ze zijn zeer efficiënt en geschikt voor het koelen van afzonderlijke racks, voor de opbouw van rijen met racks door middel van een Cold- of Hot Cube systeem en zelfs voor High Performance Computing-systemen, waarbij tot wel 50 kW vermogen per rack moet worden gekoeld.

Het koelsysteem LCU DX van Rittal biedt als split-koelaggregaat een koudemiddelgebaseerde rack-koeling en is leverbaar in de vermogensklassen tot 3 en tot 6,5 kW.

Voor IT-managers in een dynamisch groeiende IT-omgeving zijn er diverse opties. Een efficiënte oplossing zou een op koudemiddel gebaseerd koelunit kunnen zijn. Bij DX-koeling (DX staat voor Direct Expansie) wordt de koude via een gesloten koudemiddelcircuit met verdamper, compressor, condensor en expansieventiel gegenereerd. Het principe is eenvoudig: via de verdamper wordt koudemiddel verdampt dat hiervoor de door de IT-apparatuur gegenereerde warmte opneemt. De compressor zuigt het ‘warme’ koudemiddel aan en comprimeert het tot heetgas naar een hogere druk. In de condensor wordt het hete gas weer gecondenseerd, waardoor de warmte aan de buitenlucht wordt afgegeven. Via een capillaire leiding of (elektronisch) expansieventiel wordt de (vloeistof) koudemiddeldruk hierdoor verlaagd en begint de circulatie weer van voren af aan. Het principe is vergelijkbaar met dat van een koelkast.

In de IT-klimaattechniek passen veel fabrikanten R-410A, R-407C of R134A als koudemiddel toe, omdat deze middelen een hoog volumetrisch koelvermogen hebben. Daardoor wordt ook met kleine compressoren een hoog vermogen bereikt, waardoor de ontwikkeling van zeer compacte klimaatmodulen mogelijk is. Bij de toepassing dienen klanten de koudemiddelverordening in acht te nemen die in Europa per land kan verschillen. De verordening definieert onder andere welke hoeveelheden van welk koudemiddel onder welke omstandigheden op welke locaties mogen worden gebruikt. Details betreffende het type en de hoeveelheid koudemiddel zijn te vinden in de veiligheidsbladen die iedere fabrikant voor zijn producten beschikbaar dient te stellen.

Welke systemen zijn er?

Een DX-koelaggregaat is de snelste en eenvoudigst te realiseren oplossing voor een rack gebaseerde koeling: het koelaggregaat wordt simpelweg aan één van de wanden van het IT-rack gemonteerd. Er bestaan systemen voor zijwanden, achterwanden of voor montage aan de deur. Hierbij is het van belang om te zorgen dat de gekoelde lucht horizontaal in het rack kan circuleren, waardoor de klassieke ‘front to back’-luchtgeleiding van 19”-componenten wordt ondersteund. Bij dit concept wordt gekoelde lucht voor de geïnstalleerde IT-apparatuur geblazen. De door de servers verwarmde lucht wordt dan in het achterste rackbereik weer aangezogen, door de warmtewisselaar geleid en aldaar gekoeld. Bij dit concept dient het IT-rack goed te zijn afgedicht, omdat er anders koude lucht ontsnapt en het complete systeem aan efficiëntie verliest. Verder komt de vrijgekomen warmte niet rechtstreeks in de opstellingsruimte terecht, maar ontvangt de omgeving deze via een condensor en kan het rack tot onder de omgevingstemperatuur worden gekoeld.

Rack-koeling met split-systeem LCU DX: het split-koelaggregaat op koudemiddelbasis, bestaande uit een interne unit (verdamper) en een externe unit met invertergeregelde compressor, zorgt voor een efficiënte koeling zonder verlies aan ruimte.

Een alternatief vormen de DX-koelaggregaten die zijdelings aan het IT-rack gekoppeld kunnen worden. Hierdoor kan één koelaggregaat meerdere racks koelen. Dergelijke aggregaten zijn ook leverbaar in uitvoeringen die de gekoelde lucht naar voren uitblazen. Daarmee realiseren bedrijven een zeer energie-efficiënt koelsysteem met een Cold- of HotCube oplossing waarin meerdere IT-racks worden gekoeld. De warmte komt niet vrij rondom de racks, maar via de extern geplaatste condensor.

Een bijzonderheid zijn de compacte IT-dakmontage-koelaggregaten die direct op het dak van een IT-rack worden gemonteerd. Dergelijke standalone systemen zijn uitgerust met een warmtewisselaar en een compressor. Ook hier wordt de gekoelde lucht voor het 19”-niveau geblazen en daar door de IT-apparatuur aangezogen. Hierdoor is koeling van vermogens tot 3kW mogelijk. Deze aggregaten blazen de warme lucht echter rechtstreeks naar buiten waardoor de technische ruimte of productiehal worden opgewarmd. Deze oplossing kan zinvol zijn, als er al een ventilatiesysteem in de ruimte aanwezig is. Wie bijvoorbeeld op de 15^e etage van een gebouw een snelle koeloplossing nodig heeft en geen structurele veranderingen aan de ruimte mag aanbrengen, is met dit concept het best geholpen.

Water als alternatief?

Een belangrijke parameter bij het kiezen van het juiste koelsysteem is het vermogensverlies van de IT-infrastructuur, de IT-load. De DX-gebaseerde koeling is geschikt voor kleine tot middelgrote vermogens tot ongeveer 60kW, bij homogeen over de IT-racks verdeelde warmteontwikkeling. Vanaf een IT-load van ongeveer 50 tot 60kW is de installatie van een watergebaseerde koeling zinvoller (Chilled Water, CW systeem).

Vanzelfsprekend is ook in kleinere IT-omgevingen een CW koelsysteem toe te passen. Hiervoor is echter een geschikt koud waternet nodig. Die is vaak wel aanwezig in ziekenhuizen en fabriekshallen, maar niet in kantoorgebouwen. Daarom dient bij de investeringskosten rekening te worden gehouden met de aanschaf van een koudwaterset (leidingen, pompen, Free Cooling modulen en chillers). Tegenover deze investering staan echter wel lagere bedrijfskosten, omdat het water gedurende een groot deel van het jaar via de vrije koeler door koude buitenlucht kan worden gekoeld.

Afhankelijk van de toepassing kan het voordeliger zijn om afzonderlijke racks gericht te koelen, in plaats van een complete ruimte te klimatiseren. Het koelsysteem LCP DX werd speciaal ontwikkeld voor het koelen van kleine IT-ruimten en voert de gekoelde lucht direct met de juiste temperatuur naar de IT-apparatuur.

Daarentegen zijn de kosten voor aanschaf van een op koudemiddel gebaseerd DX systeem meestal lager. Reden daarvoor: omdat de installatiekosten voor dunne koperen leidingen voordeliger zijn te realiseren dan voor de grotere waterleidingen, vallen de montagekosten lager uit. Bij vermogensverliezen groter dan 60kW zijn de lopende bedrijfskosten vergeleken met een water gebaseerde koeling echter hoger, omdat het DX systeem continu stroom voor de compressor nodig heeft. Het is daarom aan te raden een volledige kostenberekening (CAPEX en OPEX) te maken, die naast de investeringskosten ook rekening houdt met de bedrijfskosten.

Aandacht voor energie-efficiënte producten

Wie voor een modulaire koeling kiest, dient bij het maken van de keuze enkele belangrijke details in overweging te nemen. Alleen moderne aggregaten zijn in staat om continu door middel van het compressorvermogen de gewenste serverintredelucht te regelen. Deze systemen werken met een energie efficiënte toerengeregelde compressor, waarmee het koelaggregaat de gekoelde lucht constant op de gewenste serverintrede temperatuur houdt. Zo wordt ook het inblazen van te sterk gekoelde lucht - wat tot condensvorming zou kunnen leiden - voorkomen. Verder is de toepassing van toerentalgeregelde EC-ventilatoren (borstelloze gelijkstroommotor) zinvol, omdat deze het luchtvolume zeer gericht kunnen regelen. Bovendien zijn deze ventilatoren uiterst zuinig door het lage energieverbruik. Doordat veel bedrijfsmodellen afhankelijk zijn van failsafe IT-systemen, dienen bedrijven rekening te houden met volledig redundante oplossingen. Hierbij zijn alle componenten, zoals compressoren, warmtewisselaars en zelfs de stroomtoevoer dubbel uitgevoerd.

Let op extreme temperaturen

Bij de systeemkeuze dient rekening te worden gehouden met de omgevingstemperatuur op de locatie. Bij extreem lage temperaturen, die in Noord- of Oost-Europa kunnen optreden, is een winterset voor de externe unit vereist. Hetzelfde geldt voor locaties met zeer hoge omgevingstemperaturen, waarvoor eveneens een geschikte externe unit nodig is. Verder dient rekening te worden gehouden met de maximaal mogelijke afstand tussen externe unit en serverruimte alsmede een eventueel hoogteverschil. Want hiervan hangen de hoeveelheid koudemiddel, de capaciteit en de keuze van het koelsysteem af.

Conclusie

Modulaire DX en CW koelsystemen kunnen zeer flexibel in alle vermogensklassen worden toegepast. Uiteindelijk dient de keuze van het klimaatconcept te worden gemaakt op basis van de bestaande gebouweninfrastructuur waarbij rekening dient te worden gehouden met het geplande gebruik van de IT-infrastructuur. Daarnaast is een investeringsberekening nodig. De grootste onzekere factor hierbij is: hoe schat ik de toekomstige ontwikkeling van mijn IT-omgeving in? Er zijn op dit moment veel bedrijven met een overgedimensioneerde klimaatoplossing, omdat de interne IT-behoefte te hoog werd ingeschat - hierdoor gaat veel geld verloren. Wie op rack- en rijniveau met modulaire klimaatsystemen werkt, behoudt op lange termijn de benodigde flexibiliteit om op veranderende eisen aan de IT te reageren.

Elbert Raben, Product Manager IT-Infrastructuur, Rittal B.V.