Modulaire koelsystemen voor dynamisch groeiende IT-omgevingen

Wie een kleine computerruimte met slechts enkele servers exploiteert, zal in de meeste situaties een directe koeling van de IT-racks achterwege kunnen laten en in plaats daarvan de complete technische ruimte klimatiseren. Hierbij zuigen de in de behuizing aanwezige actieve IT-componenten de gekoelde lucht via hun ingebouwde ventilatoren naar binnen en worden de systemen voldoende gekoeld. Is er echter een uitbreiding van een dergelijke IT-omgeving gepland, dan loopt dit koelconcept al snel tegen zijn grenzen aan.

Of deze aanpak is niet langer rendabel omdat er te veel gekoelde lucht verloren gaat. Modulaire koelsystemen bieden een oplossing: ze zijn geschikt voor het koelen van afzonderlijke racks, voor de opbouw van een Cold Cube-klimatisering en zelfs voor High Performance Computing-systemen, waarbij tot wel 40 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. Echt klassiek zou een koeling met een op koudemiddel gebaseerd koelaggregaat zijn. Bij de DX-koeling (DX staat voor Direct Expansion en beschrijft de klimatisering via een split-koel­aggregaat en een compressor) wordt de koude via een gesloten koudemiddelcircuit met verdamper, compressor, condensor en elektronisch expansieventiel gegenereerd. Het principe is eenvoudig: via de verdamper wordt koudemiddel verdampt dat hierbij de warmte opneemt. De compressor zuigt het koudemiddel aan en comprimeert het gas onder hoge druk. In de condensor wordt het gas weer vloeibaar gemaakt, waardoor de warmte wordt afgegeven. Via het elektronisch expansieventiel wordt het

koudemiddel uiteindelijk in druk verlaagd en begint de cyclus weer van voren af aan. Het principe is vergelijkbaar met dat van een koelkast.

In de IT-klimaattechniek passen veel fabrikanten R-410A 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 over 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 aggregaat wordt simpelweg aan een 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 inch-componenten wordt ondersteund.

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.

Bij dit concept wordt gekoelde lucht voor de modulen geblazen. De door de servers verwarmde lucht wordt dan in het achterste gedeelte van het rack 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.

Dakmontage

Een alternatief vormen de rack-koelaggregaten die aan de zijkant van het IT-rack zijn te monteren. Hierdoor kan één koelaggregaat twee racks koelen. Dergelijke aggregaten zijn ook leverbaar in uitvoeringen die de gekoelde lucht naar voren uitblazen. Daarmee realiseren bedrijven een zeer elegante oplossing met een Cold Cube waarin meerdere IT-racks worden gekoeld.

Een bijzonderheid zijn de compacte dakmontage-koelaggregaten die direct op het dak van een IT-rack worden gemonteerd. Dergelijke eendelige systemen zijn uitgerust met een warmtewisselaar en een compressor. Ook hier wordt de gekoelde lucht voor het 19 inch-­niveau geblazen en daar door de IT-componenten aangezogen. Hierdoor is koeling van vermogens tot 3 kW mogelijk. Deze aggregaten voeren de warme lucht af direct buiten het rack, waardoor de technische ruimte sterk opwarmt. Deze oplossing kan zinvol zijn indien er voldoende ventilatie in de ruimte aanwezig is. Wie bijvoorbeeld op de 15e etage van een gebouw een snelle koeloplossing nodig heeft en geen structurele veranderingen aan de ruimte mag aanbrengen, is met dit concept het beste geholpen.

Water als alternatief?

Een belangrijke parameter bij het kiezen van een systeem is het te koelen totaalvermogen van de IT-infrastructuur. De DX-gebaseerde koeling is geschikt voor kleine tot middelgrote totaalvermogens tot ongeveer 60 kW vermogensverlies, bij homogeen over de IT-racks verdeelde vermogens. Vanaf een totaalvermogen van ongeveer 60 tot 80 kW is de installatie van een op water gebaseerde koeling zinvol.

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.

Vanzelfsprekend kan in kleinere IT-omgevingen ook een op water gebaseerd koelcircuit worden toegepast. Hiervoor is echter een geschikte watertoevoer nodig. Die is vaak wel aanwezig in 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 koude omgevingslucht kan worden gekoeld.

Daarentegen zijn de kosten voor aanschaf van op koudemiddel gebaseerde koelsystemen meestal lager. Reden daarvoor: omdat wanduitsparingen voor dunne koperen leidingen voordeliger zijn te realiseren dan voor water­leidingen, vallen de montagekosten lager uit. De lopende bedrijfskosten zijn vergeleken met een op water gebaseerde koeling echter hoger, omdat het systeem continu stroom voor de compressor nodig heeft. Het is daarom aan te raden een volledige kostenberekening (Total Cost of Ownership) te maken, die naast de investeringskosten ook rekening houdt met de bedrijfskosten.

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 het compressorvermogen via de temperatuur van de server-intredelucht te regelen. Deze systemen werken met een inverter-geregelde compressor, waarmee het koel­aggregaat de gekoelde lucht constant op de ingestelde intredelucht­temperatuur van de server houdt. Zo wordt ook het inblazen van te sterk gekoelde lucht - wat tot condensatie 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 en de capaciteit van het systeem af.

Conclusie

Modulaire 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-­niveau met modulaire klimaatsystemen werkt, houdt op lange termijn de benodigde flexibiliteit om op veranderende eisen aan de IT te reageren.

Elbert Raben, Product Manager IT Infrastructuur bij Rittal