Vaarwel compressor-koeling

Een datacenter kan geen fractie van een seconde zonder stroom en geen minuut zonder koeling. Bij het koelen van datacenters wordt geëist dat men installaties en voorzieningen redundant uitvoert. Vaak past men op compressoren gebaseerde vormen van koeling toe. Maar het kan ook anders, bleek uit de lezing van Air@Work tijdens IT Room Infra 2014.

De temperatuur in een datacenter met een haperende koeling loopt zeer snel op

Redundantie is nodig voor het geval een machine uitvalt of een machine uit staat voor onderhoud. Als de koeling in het datacenter ermee ophoudt, wordt de door de ICT-apparatuur opgewarmde lucht immers niet meer afgekoeld en wordt deze opnieuw aangeboden aan de ICT-apparatuur. De niet-gekoelde lucht wordt weer opgewarmd en deze vicieuze cirkel zorgt voor een zeer snelle oververhitting van de ruimte en de ICT-apparatuur. Een datacenter met 100 kW opgesteld ICT-vermogen met een haperende airconditioning-installatie is binnen een minuut opgewarmd tot 34°C, binnen tien minuten opgewarmd tot 46 graden en binnen vijftien minuten is de ruimte warmer dan 50°C.

Hoe wordt gekoeld?

De meeste conventionele koelsystemen van datacenters zijn gebaseerd op compressor-koelsystemen die werken met een bepaald 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 gasvormig. De compressor comprimeert het gasvormige koudemiddel naar hoge druk, waarna de warmte in het koudemiddel weer wordt afgegeven aan de omgeving en het gasvormige koudemiddel weer vloeibaar wordt in de condensor.

De direct expansie-koelmethode

Dit wordt ook wel de directe expansie-methode genoemd. Er zijn tal van varianten op. Soms wordt de lucht niet direct gekoeld, maar wordt er eerst water gekoeld dat vervolgens de lucht 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 direct expansie-koelen zijn veel mechanische componenten nodig, zoals pompen, compressoren en ventilatoren. Al deze componenten hebben een uitvalrisico en kennen hoge kosten door energiegebruik en onderhoud.

EER en PUE

Een energiebesparend natuurlijk alternatief is het gebruik van verdampingskoeling met water als koudemiddel. Hoe energiezuinig - of onzuinig - de koeling van het datacenter is, wordt vastgelegd in de Energy Efficiency Ratio (EER) of de Power Usage Effectiveness (PUE). In de koeltechniek schrijft men veel over de EER als het om de efficiency van de koelinstallatie gaat. Bij datacenters schrijft men over de PUE. 

De Energie Efficiency Ratio (EER) is de verhouding tussen de koelcapaciteit of koelvermogen (in kW) en de hoeveelheid elektrische energie die toegevoerd dient te worden. Het gaat hierbij om de totale benodigde energie van alle componenten die nodig zijn om de koelcapaciteit of het koelvermogen op te wekken – dus ook de compressoren, ventilatoren, pompen en dergelijke. 

De Power Usage Effectiveness (PUE) is de totale energiegebruik gedeeld door ICT energiegebruik. Oorspronkelijk bedoeld om de efficiency van het hele datacenter vast te leggen wordt deze ook gebruikt om de efficiency van de koeling vast te leggen: PUEcooling

In onderstaand schema is als voorbeeld een ruimte genomen met opgesteld ICT-vermogen van 100 kW en een kWh prijs van € 0,12.

Opgesteld ICT vermogen(kW) Koelprincipe EER / PUEc Benodigd elektrisch vermogen(kW) Prijs kWh/h (euro) Energiekosten per jaar
100 Directe expansie 3 / 1,33 33,3 € 0,12 € 35.540,00
100 Koelmachine + indirecte vrije koeling 4 / 1,25 25 € 0,12 € 26.280,00
100 Koelmachine + geoptimaliseerde indirecte vrije koeling 6 / 1,16 16,7 € 0,12 € 17.520,00
100 Geoptimaliseerde indirecte vrije koeling 8 / 1,21 12,5 € 0,12 € 13.140,00
100 Indirecte adiabatische koeling 30 / 1,03 3,3 € 0,12 €3.504,00

Bevochtigingskoeling

Indirecte bevochtigingskoeling is een koelproces waarbij de temperatuur van de datacenter-lucht wordt verlaagd door het verdampen van water in een andere luchtstroom in een platenwarmtewisselaar. De lucht is geheel gescheiden van de bevochtigde luchtstroom die naar buiten word afgevoerd en is daarmee niet van invloed op de luchtvochtigheid in het datacenter. Het afkoelen van warme lucht door verdamping van water in de lucht houdt op als de lucht 100 procent verzadigd is. De temperatuur waarbij dat gebeurt heet de natte bol-temperatuur.

Water als koudemiddel is een natuurlijk, energiezuinig en duurzaam alternatief voor traditionele koelprocessen, zonder dat daarbij gebruik wordt gemaakt van chemische koudemiddelen. Met minimale componenten, twee ventilatoren en een waterklep, is een zeer betrouwbaar en onderhoudsarm koelsysteem mogelijk.

Een voorbeeld van een indirecte adiabatische datacenter-koeling is de StatiqCooler van Air@Work. Het is een kunststof warmtewisselaar (zie figuur 4). De warmtewisselaar is een component die warmte van de ene luchtstroom - de buitenlucht - door een dunne plaat gescheiden overbrengt naar de andere luchtstroom, de datacenter-lucht. Bij een lage buitentemperatuur koelt de buitenlucht indirect de datacenter-lucht zonder water. Wordt het buiten warmer, dan wordt de platenwisselaar bevochtigd. Het water verdampt op de plaat in de warmtewisselaar en onttrekt de warmte uit de datacenter-lucht. Door de dunwandige kunststof platen en de hygroscopische laag heeft de warmtewisselaar een hoge warmte-overdrachtscoëfficiënt.

Altijd compressorloos koelen

De ASHRAE TC 9.9 2011-richtlijn

De ASHRAE TC 9.9 2011-richtlijn geeft een allowable (rood in figuur 5) en recommendable (blauw) kader aan waaraan de toevoerlucht in het datacenter moet voldoen. In het Mollier-diagram zijn deze aangegeven. Voor het toepassen van compressorloze koeling moet dus op zijn minst aan de temperatuurwaarden van het allowable-kader worden voldaan. Bij Air@Work gaan we een stapje verder. Er wordt door de efficiënte indirecte adiabatische warmtewisselaar altijd in het Nederlands klimaat voldaan aan het recommendable-kader. Door de combinatie van temperatuur en vochtigheid kan in ons land altijd compressorloos gekoeld worden. In het voorbeeld (groene lijn) wordt de lucht van 32°C / 50 procent RV bevochtigd tot 100 procent relatieve vochtigheid. Met een natte bol temperatuur van 23,5°C kan dan de datacenter-lucht gekoeld worden.

Voorbeeld:

Setpoint = 24°C koude gang, 34°C warme gang

Buitenluchtconditie       Aantal uur          Status

-20°C <> 14°C                 5682 uur             1. Indirecte vrijelucht koeling

14°C <> 32°C                   3072 uur            2. Indirecte adiabatische koeling

32°C <> 40°C                         6 uur            3. Indirecte adiabatische koeling primaire output 25 °C

Temperatuur koude gang verandering naar maximaal 25°C.

Niet het hele jaar

Zolang de buitentemperatuur laag genoeg is, werkt de wisselaar als een normale tegenstroom warmtewisselaar. De buitenlucht koelt de datacenter-lucht. De twee luchtstromen beïnvloeden elkaar maar mengen niet. Pas als de temperatuur buiten oploopt wordt er begonnen met het bevochtigen van de hygroscopische laag over de kunststofplaten.

Samenvatting

Door het toepassen van indirecte adiabatische koeling kan zeer efficiënt gekoeld worden. Er is dan alleen energie nodig voor het aandrijven van de ventilatoren. Hierdoor kan een besparing van 90 procent op energie- en onderhoudskosten worden gerealiseerd in vergelijking 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 koelsysteem is bovendien betrouwbaar door het minimaliseren van bewegende delen, daardoor is de beschikbaarheid hoog en zijn de onderhoudskosten laag.

Arthur Singendonk, Air@Work

 
Meer over
Lees ook
DE WIT datacenterkoeling wordt METIS

DE WIT datacenterkoeling wordt METIS

DE WIT datacenterkoeling gaat met ingang van 2 februari 2024 verder onder een nieuwe naam: METIS. Vanaf dezelfde datum verlaat het bedrijf - dat in de afgelopen negen jaar een betrouwbare reputatie heeft opgebouwd in het koelen van onder andere datacenters - in goede harmonie de DE WIT groep om zelfstandig verder te groeien.

Equinix lanceert ondersteuning voor Direct-naar-Chip vloeistofkoeling in meer dan 100 datacenters

Equinix lanceert ondersteuning voor Direct-naar-Chip vloeistofkoeling in meer dan 100 datacenters

Equinix heeft aangekondigd dat het uitgebreide ondersteuning voor vloeistofkoeling gaat implementeren in meer dan 100 van haar International Business Exchange (IBX) datacenters in meer dan 45 stedelijke gebieden wereldwijd.

Vertiv neemt CoolTera over

Vertiv neemt CoolTera over

Vertiv heeft aangekondigd dat dochterondernemingen van het bedrijf een definitieve overeenkomst hebben gesloten om alle aandelen van CoolTera te verwerven. Dit is een leverancier van liquid cooling-oplossingen voor datacenters.