Vrije Koeling in datacenters

De meeste datacenters zijn tegenwoordig voorzien van Vrije Koeling. Afhankelijk van de grootte, de belasting en externe omstandigheden kunnen airconditioningsystemen tot wel 90 procent aan energie besparen.

Maar wat zijn de voor- en nadelen van de verschillende concepten? Benjamin Petschke, productmanager bij STULZ GmbH, geeft een kort overzicht van de meest gebruikelijke opties voor Vrije Koeling en legt uit wat de voordelen van een dynamisch regelsysteem zijn.
 

Bij welk koellast is het zinvol om te kijken naar oplossingen met Vrije Koeling?

In het algemeen geldt: hoe groter het datacenter, hoe meer kosten er kunnen worden bespaard met Vrije Koeling. Een paar jaar geleden dacht men nog dat Vrije Koeling alleen zin had voor grote datacenters. De terugverdientijd voor een systeem met Vrije Koeling was toen ongeveer twee tot drie jaar. Maar de ontwikkelingen hebben niet stilgestaan. Er bestaat nu ook een breed assortiment Vrije Koeling-oplossingen voor kleine en middelgrote IT-systemen.
Dat begint met het Free-Cool-Plenum voor kleine serverruimtes en edge computing vanaf 2 kW tot 250 kW-airconditioningsystemen met indirecte Vrije Koeling en externe drycoolers voor middelgrote datacenters.
 

Als het om Vrije Koeling gaat, kunnen exploitanten van datacenters tegenwoordig kiezen uit een groot aantal verschillende systemen. Wat zijn de verschillen en mogelijke nadelen?

De afgelopen jaren zijn er steeds meer verschillende systemen bijgekomen, en Vrije Koeling-oplossingen zijn bovendien een stuk flexibeler geworden. De meeste ontwikkelingen waren erop gericht om de Vrije Koeling-periodes gedurende het jaar te optimaliseren. Eenvoudige systemen kunnen vaak alleen schakelen tussen mechanische koeling en Vrije Koeling, waardoor Vrije Koeling beperkt is tot een paar duizend uur per jaar. Om dit nadeel te voorkomen, moet een moderne Vrije Koeling-oplossing altijd een glijdend Mix-bedrijf ondersteunen. Maar ook technologieën zoals dynamische regeltechniek de bedrijfstijd in Vrije Koeling-modus aanzienlijk verlengen. Maar in eerste instantie moet de basisstructuur, dus de beslissing voor een systeem met indirecte of directe Vrije Koeling, duidelijk worden gemaakt. Naast de efficiëntie speelt natuurlijk ook de praktische haalbaarheid een rol.

Directe Vrije Koeling wordt gezien als het 'non plus ultra' op het gebied van efficiëntie. Maar waarom is het dan niet geschikt voor iedere locatie?

Systemen met directe Vrije Koeling gebruiken de koele buitenlucht om warmte af te voeren. Maar deze buitenlucht moet eerst uitgebreid worden bewerkt voordat ze probleemloos het datacenter in kan worden gebracht. Dit is een van de grootste nadelen van directe Vrije Koeling: het is heel afhankelijk van de omgevingscondities. Als de omstandigheden goed zijn, kan met directe Vrije Koeling tot wel 80 procent van de kosten worden bespaard. Dat komt doordat er geen warmteoverdrachtverliezen zijn door extra warmtewisselaars.

Zijn er omstandigheden waarbij een systeem met directe Vrije Koeling wordt afgeraden?

Alleen al vanwege de gewenste temperatuur en vochtigheid in een datacenter is het niet altijd mogelijk om een systeem met directe Vrije Koeling te kiezen zonder beperkingen. Daarnaast zijn er, vanwege luchtvervuiling en fijnstof, vaak dure filtersystemen met een hoge filterklasse nodig. In de winter is extra bevochtiging nodig, wat ook gevolgen zal hebben voor de kosten. En alhoewel deze aspecten het gebruik van directe Vrije Koeling niet direct uitsluiten, moeten exploitanten toch rekening houden met de totale kosten van verschillende oplossingen. Naast de verwachte energiebesparingen, omvat dit ook kosten voor nieuwe filters, onderhoud en bevochtiging.

Welke alternatieven zijn er voor directe koeling met buitenlucht?

Het belangrijkste alternatief is indirecte Vrije Koeling – of als een combinatie van een koelmachines met vrije koeling en CW-airconditioners, of op basis van DX-airconditioners met geïntegreerde Vrije Koeling en drycoolers. Hoe dan ook, bij indirecte Vrije Koeling wordt een mengsel van water/glycol gebruikt als overdrachtsmedium tussen de buitenlucht en het datacenter, zodat er geen directe luchtuitwisseling met de omgeving plaatsvindt. Om te voldoen aan de richtlijnen op het gebied van werkveiligheid en om de benodigde overdruk in de serverruimte te handhaven, wordt er bij indirecte Vrije Koeling slechts een beperkte hoeveelheid verse lucht aangevoerd. Hierdoor vervallen de dure filtersystemen en de daarmee gepaard gaande kosten voor nieuwe filters en regelmatig onderhoud. Ook grote openingen in de gevels van het gebouw, die een veiligheidsrisico zouden kunnen vormen, zijn niet meer noodzakelijk.

Waarom is de watertemperatuur van invloed op de efficiëntie van het Vrije Koeling-systeem?

De meeste indirecte Vrije Koeling-systemen schakelen op een bepaald, vastgesteld omschakelpunt over op mechanische koeling. De periode waarin Vrije Koeling kan worden gebruikt, is daardoor heel beperkt. Om over te schakelen op de Vrije Koeling heeft een drycooler een wateruittredetemperatuur nodig van 7 °C – en om deze temperatuur te bereiken, is een buitentemperatuur van 3 °C nodig. Het aantal dagen waarop de buitentemperatuur maximaal 3 °C is, is bijvoorbeeld in Frankfurt nogal beperkt. Bij een dynamische regeling ligt de wateruittredetemperatuur niet meer vast op een bepaalde waarde, maar wordt deze aangepast aan de belasting van het datacenter. Het koelvermogen van het Vrije Koeling-systeem is sterk afhankelijk van de koudwatertemperaturen. Hoe hoger deze watertemperatuur, hoe lager het koelvermogen. En net in deze situatie, die in eerste instantie nadelig lijkt, kan gebruik worden gemaakt van een  dynamisch regeling op het moment dat de capaciteit van het datacenter niet volledig wordt benut.

Kunt u dit toelichten met een kort voorbeeld?

Een datacenter dat volledig wordt belast, heeft in Vrije Koeling-modus een watertemperatuur van ongeveer 10 °C nodig. De drycooler kan dit koude water alleen produceren als de buitentemperatuur lager is dan 7 °C. Maar hetzelfde datacenter heeft bij een belasting van 60 procent ook maar 60 procent van het koelvermogen nodig. In Vrije Koeling-modus kan het koelsysteem dit koelvermogen, al leveren bij een veel hogere watertemperatuur van bijvoorbeeld 16 °C. Deze watertemperatuur kan dan door de drycooler worden geproduceerd bij een buitentemperatuur van ongeveer 13 °C.

En hoeveel kan er op deze manier worden bespaard?

In Frankfurt ligt de buitentemperatuur per jaar ongeveer 3.000 uur onder de 7 °C. Ter vergelijking, de temperatuur ligt ieder jaar 5.300 uur onder de 13 °C. Dat betekent dat een intelligente regeling van de koudwatertemperatuur 2.300 extra uren met Vrije Koeling per jaar mogelijk maakt. De meeste Vrije Koeling-systemen werken nog steeds op basis van een combinatie, of zelfs volledig met mechanische koeling.

Wat zou u zeggen tegen exploitanten van datacenters die nog geen Vrije Koeling-systeem gebruiken? Kan zoiets alsnog worden toegevoegd?

Natuurlijk, ombouwen en aanpassingen brengen altijd extra kosten met zich mee. Maar als we kijken naar de technologische ontwikkelingen, met name op het gebied van Vrije Koeling, is een periodieke analyse van de bestaande infrastructuur en een zorgvuldige overweging van de omgevingsomstandigheden altijd zinvol. De huidige koelsystemen zijn zo efficiënt dat grote investeringen snel terugverdiend zijn. Er is niet alleen vooruitgang geboekt op het gebied van koelcomponenten, maar ook op het gebied van analysehulpmiddelen. Tegenwoordig kan een combinatie van omgevingsbewaking en moderne airconditioningtechnologieën leiden tot enorme energie- en CO2-besparingen.