Tips van Rittal voor directe en indirecte vrije koeling

Free Cooling? Met natuurlijke kracht voor een optimale IT-energiebalans
IT-verantwoordelijken worden constant geconfronteerd met de uitdaging om de lopende exploitatiekosten van de computerruimte te optimaliseren. Een grote kostenpost is de energie die voor de koeling nodig is. Dus waarom niet kiezen voor vrije koeling en buitenlucht in de computerruimte blazen? Hieronder wordt beschreven hoe ondernemingen koud water of koele omgevingslucht gebruiken om de energie-efficiëntie in de computerruimte te optimaliseren. Daarnaast noemen we een aantal aspecten waarmee ondernemingen bij het gebruik van vrije koeling rekening dienen te houden.
Wie het heeft over vrije koeling in combinatie met klimaattechniek bedoelt daarmee niet een volledig gratis systeem voor de IT-koeling. Het doel is eerder om het gebruik van koelmachines met compressoren zoveel mogelijk te beperken. In het ideale geval 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 duidelijk 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 energieverbruik 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.

Directe vrije koeling: voor- en nadelen
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 nabij de grens met Canada. Hier zijn de gebouwen dwars ten opzichte van de heersende windrichting geplaatst en voorzien van een dakelement dat over de volledige lengte loopt, net als een hanenkam. Daarom heeft het eigenzinnige ontwerp ook de bijnaam kippenhok gekregen. 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.
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, maar ook 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 de adiabatische koeling is een aanvullende technologie beschikbaar om de efficiëntie van de 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 energieverbruik te optimaliseren. Zij vragen echter wel om een nauwkeurige planning en ervaren deskundigen bij de realisatie van dergelijke systemen.
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 vrijekoeling. 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 ca. acht graden koude water koelt in een warmtewisselaar het water in het secundaire circuit van het datacenter. Omdat weer en 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.