Advies koeltechniek, Airconditioning, Datacentrakoeling, Duurzaamheid, General, Koeltechniek, Nieuws

18-01-2017

Vrije koeling: mogelijkheden, valkuilen en adviezen

Vrije koeling: mogelijkheden, valkuilen en adviezen
De energie die voor koeling van computerruimten nodig is, vormt een grote kostenpost. Door voor vrije koeling te kiezen en buitenlucht in de computerruimte te blazen, kan een drastische kostenbesparing worden gerealiseerd. Daarbij moet echter wel rekening worden gehouden met een aantal aspecten.

Rittal, ontwerper en producent van systemen op het gebied van IT-infrastructuur en klimaatbeheersing, heeft een aantal tips en adviezen rond de toepassing van vrije koeling op een rij gezet.

Beperking van koelmachinegebruik

Wie het heeft over ‘vrije koeling’ in combinatie met klimaattechniek, bedoelt daarmee niet een volledig gratis systeem voor IT-koeling. Het doel is eerder om het gebruik van koelmachines met compressoren zo veel mogelijk te beperken – idealiter tot een punt waarbij alleen nog energie voor de ventilatoren van de free coolers en voor eventuele pompen van het koude water nodig is. De efficiëntie van het complete systeem is daarom sterk afhankelijk van de klimatologische omstandigheden ter plaatse: een computerruimte in Scandinavië zal economischer werken dan een computerruimte op een locatie in Zuid-Europa.

Hoe werkt vrije koeling?

Bij vrije koeling maken de installaties gebruik van het convectieprincipe: de warmte wordt aan het te koelen medium, meestal een mengsel van water en glycol, onttrokken door middel van de koele omgevingslucht. Dit gebeurt door een buiten geplaatste free cooling-module. Deze module kan bijvoorbeeld een lamellenwarmtewisselaar of een vergelijkbare technologie bevatten waar het warme retourwater doorheen stroomt. Daarbij wordt de warmte aan het water onttrokken. Hoe groter het contactvlak van de lamellen, des te efficiënter het systeem werkt. Extra ventilatoren verhogen de hoeveelheid lucht en daardoor het koelvermogen. Het resultaat: een laag energiegebruik voor het opwekken van koude. De mogelijke aanvoertemperatuur ligt daarbij slechts iets boven de temperatuur van de koelere omgevingslucht. Bij het configureren hanteren klimaattechnici een richtwaarde van ongeveer plus twee graden Celsius.

Vrije koeling 2

Directe vrije koeling: de voordelen

Bij vrije koeling wordt onderscheid gemaakt tussen directe en indirecte vrije koeling. Directe vrije koeling gebruikt het koelmedium direct om de warmte uit de computerruimte te verwijderen. Grote exploitanten van computerruimten met homogene omgevingen gebruiken de buitenlucht direct voor het koelen – en blazen de buitenlucht daadwerkelijk de computerruimte in. Een voorbeeld hiervan is de zelfkoelende computerruimte van Yahoo in de Amerikaanse staat New York. Hier zijn de gebouwen dwars ten opzichte van de heersende windrichting geplaatst, en voorzien van een dak-element dat over de volledige lengte loopt, net als een hanenkam. Dat laatste is ook de reden waarom het eigenzinnige ontwerp de bijnaam ‘Kippenhok’ heeftgekregen. De koude lucht stroomt via lamellen in de zijwanden het gebouw in, terwijl de warme lucht via de dakconstructie wordt afgevoerd. Onder ideale omstandigheden is voor dit systeem alleen extra energie nodig om de lucht met behulp van ventilatoren te verplaatsen.

Directe vrije koeling: de nadelen

Zo gemakkelijk als het principe klinkt, zo moeilijk is het om de belangrijkste nadelen van deze methode te compenseren. De lucht die naar binnen stroomt moet namelijk door (actieve) filters worden gereinigd. Daarnaast zijn er maatregelen nodig om temperatuurschommelingen te compenseren. Via een mengsysteem kan bijvoorbeeld te koude buitenlucht worden vermengd met de warme afvoerlucht van de computer- of telecomruimte. Als de buitentemperaturen te hoog zijn, hoeft alleen de koelcompressor te worden ingeschakeld. De voortdurend veranderende luchtvochtigheid, bijvoorbeeld door regen, vormt een andere uitdaging. Te vochtige of juist te droge lucht kan de levensduur van de IT-componenten verkorten. De voor het aanzuigen van de buitenlucht benodigde kanalen zijn meestal zeer groot en moeten goed worden beschermd tegen knaagdieren en insecten.

Adiabatische koeling: mogelijke kiemvorming

Met het principe van adiabatische koeling is een aanvullende technologie beschikbaar om de efficiëntie van vrije koeling te verbeteren. Nog voordat de naar binnen stromende lucht een warmtewisselaar raakt, wordt deze vermengd met verneveld water. Door de fijne druppels verdampt het water in de warme luchtstroom direct. Bij deze overgang van vloeibaar naar gasvormig vindt een thermodynamische statusverandering plaats, waardoor het water warmte onttrekt aan de omringende lucht. Dit maakt het mogelijk om de aanvoertemperatuur van het water of de lucht van een koelsysteem verder te verlagen. Een van de uitdagingen bij deze methode is de kans op kiemvorming. Overal waar met water wordt gewerkt, bestaat het risico van legionella. Daarom zijn er extra beschermingsmaatregelen nodig, bijvoorbeeld door het regelmatig reinigen, het bevloeien in plaats van het doorstromen met een grote hoeveelheid water, of het afschermen tegen zonlicht. In het algemeen bieden adiabatische koelsystemen veel mogelijkheden om het energiegebruik te optimaliseren. Ze vragen echter wel om een nauwkeurige planning en ervaren deskundigen bij de realisatie van dergelijke systemen.

‘Water Usage Effectiveness’

Wie veel water gebruikt, moet het verbruik in de gaten houden. Voor het verbruik in computerruimten definieerde de organisatie The Green Grid de indicator Water Usage Effectiveness (WUE). Met deze indicator wordt het jaarlijkse waterverbruik vergeleken met het stroomverbruik van de actieve IT-componenten. De eenheid van de WUE-indicator is liter per kilowattuur (l/kWh). Deze informatie kan worden vergeleken met andere verbruikswaarden en draagt er op die manier bij om de lopende kosten voor de IT te optimaliseren.

Indirecte vrije koeling: een schoon systeem

Wie voor een middelgrote IT-infrastructuur van ca. 200 kW een koelconcept zoekt, kiest op onze breedtegraden meestal voor indirecte vrije koeling. Dit geldt in het bijzonder voor ondernemingen uit het MKB, die niet over de middelen beschikken om bijzondere koelsystemen te ontwikkelen. Bij de indirecte systemen koelt de buitenlucht een warmteoverdrachtsvloeistof zoals water of water/glycol mengsel, dat voor de koeling in een gebouw wordt gebruikt. Het water is dus het middel dat de koude in de computerruimte transporteert – water voert warmte tot 4.000 keer beter af dan lucht. Een ander voordeel: er komt geen luchtvochtigheid van buitenaf in het gebouw. Omdat er ook geen koude lucht van buitenaf de computerruimte in wordt geblazen, zijn minder filtersystemen nodig. Er moeten echter minimaal een lucht/waterwarmtewisselaar en pompen in het koudwatersysteem aanwezig zijn, waarvoor elektrische energie nodig is.
Veel ondernemingen geven de voorkeur aan een systeem met indirecte koeling. Dit is een schoon en stabiel systeem dat voorspelbaar werkt. Deze methode vangt veranderende weersomstandigheden en temperatuurschommelingen zeer goed op.

Efficiënt voorbeeld: Lefdal Noorwegen

Een voorbeeld hiervan is het Lefdal Mine Datacenter, een zeer schaalbaar en efficiënt cloud-datacenter in een stilgelegde mijn aan de Noorse kust. De ontwikkelaars vertrouwen op efficiënte koeling met zeewater uit de nabijgelegen fjord. Het circa acht graden koude water koelt in een warmtewisselaar het water in het secundaire circuit van het datacenter. Omdat het weer en de temperaturen bestendig zijn, hebben de exploitanten het thermodynamische systeem zeer stabiel onder controle. Alleen het agressieve zeewater vraagt in het primaire koelcircuit om oppervlakken met een titaniumcoating.

Praktische tip: individueel koelconcept

Zoals het Lefdal-voorbeeld laat zien, zijn er voor sommige systemen minimale belastingen van de computerruimte nodig om te koud water te verwarmen. Daarom moet bij het configureren van een koelsysteem worden gestart met een analyse van de minimale belasting die voor de exploitatie noodzakelijk is. Een ander belangrijk punt voor de praktijk: een koelconcept moet altijd individueel worden geconfigureerd en berekend. Leveranciers zoals Rittal maken bijvoorbeeld gebruik van actuele weergegevens om de temperaturen voor de vrije koeling op de betreffende locaties individueel te berekenen. Andere belangrijke parameters zijn de luchtvochtigheid en het dauwpunt. De voor deze parameters benodigde richtlijnen worden geleverd door de wereldwijd erkende brancheorganisatie ASHRAE en ETSI. Samen met de fabrikanten worden voorwaarden gedefinieerd waaronder een IT- of Telecom omgeving veilig kan werken. Daarom is het bijvoorbeeld toegestaan om een server ook bij een omgevingstemperatuur van 25 graden te exploiteren.

Conclusie

De in grote computerruimten zoals bij Facebook, Google of anderen hyperscalers gebruikte koelconcepten zijn meestal niet zomaar te kopen en aan te passen. Dit zijn individueel ontwikkelde systemen waarbij rekening is gehouden met de IT-infrastructuur, het gebruik van de systemen en de omgevingstemperaturen. Wie op veilig wil spelen, kiest voor een gesloten koelsysteem dat men zelf via alle parameters van het koelcircuit kan controleren. Want alleen wie onzekerheden zoals het weer uit de vergelijking schrapt, krijgt een stabiele en vooral betrouwbare IT-infrastructuur.

>Leestip:
datacenterkoeling

Vakmedianet gebruikt cookies om bepaalde voorkeuren te onthouden en advertenties af te stemmen op je interesses. Meer informatie over het gebruik van cookies.