Wat zijn de voor- en nadelen van de verschillende concepten?

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? Hieronder geven we een kort overzicht van de meest gebruikelijke opties voor vrije koeling en leggen we uit wat de voordelen van een dynamisch regelsysteem zijn.

1. Bij welke omvang van een datacenter is het zinvol om te kijken naar concepten met vrije koeling?

In het algemeen geldt: hoe groter het datacenter, hoe meer er kan 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 ongeveer twee tot drie jaar. Maar de ontwikkelingen staan niet stil. Er bestaat nu ook een breed assortiment concepten met vrije koeling voor kleine en middelgrote IT-systemen. Dat begint al bij vrije koeling voor kleine serverruimtes en edge computing van 2 kW tot een 150 kW-airconditioningsysteem met indirecte vrije koeling en een externe droge vloeistofkoeler (dry cooler) voor middelgrote datacenters.

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

De afgelopen jaren zijn er steeds meer verschillende systemen bijgekomen en de oplossingen met vrije koeling zijn bovendien een stuk flexibeler geworden. De eerste ontwikkelingen waren erop gericht om de periode waarin je vrije koeling kunt gebruiken in het jaar te verlengen. Eenvoudige systemen kunnen vaak alleen schakelen tussen mechanische koeling en vrije koeling, waardoor je maar een beperkt aantal uur per jaar van de vrije koeling gebruik kunt maken. Om dit te verbeteren, moet een moderne oplossing met vrije koeling altijd een hybride-optie in zich hebben. Ook kunnen 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 ook de praktische geschiktheid hier een rol.

3. Directe vrije koeling wordt gezien als het best mogelijke 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. Deze buitenlucht moet eerst uitgebreid worden bewerkt, voordat ze naar het datacenter kan worden gevoerd. Dit is een van de grootste nadelen van directe vrije koeling: het is heel afhankelijk van de omgeving. Als de omstandigheden goed zijn, kan met vrije koeling tot wel 80 procent van de operationele kosten worden bespaard. Dat komt doordat er geen temperatuurverschil benodigd is voor extra warmtewisselaars en er dus bij hogere buitentemperaturen van vrije koeling gebruik kan worden gemaakt.

4. Zijn er omstandigheden waarbij een systeem met directe vrije koeling wordt afgeraden?

Alleen al vanwege de 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 kan 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 energiebesparing, omvat dit ook kosten voor nieuwe filters, onderhoud en bevochtiging.

5. Welke alternatieven zijn er voor directe vrije koeling met buitenlucht?

Het belangrijkste alternatief is indirecte vrije koeling – ofwel als een combinatie van een koelmachine en een droge vloeistofkoeler met gekoeld water airconditioners dan wel op basis van DX-airconditioners met geïntegreerde vrije koeling en een droge vloeistofkoeler. 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 kosten voor dure filtersystemen en de daarmee gepaard gaande kosten voor nieuwe filters en regelmatig onderhoud. En de grotere openingen in het gebouw, die een veiligheidsrisico zouden kunnen vormen, zijn niet meer noodzakelijk.

6. Waarom zijn de ruimtetemperatuur en watertemperatuur van invloed op de efficiëntie van het vrije koeling-systeem?

De meeste vrije koeling-systemen schakelen op een bepaald, vooraf vastgesteld moment over op mechanische koeling. De periode waarin vrije koeling kan worden gebruikt, is daarom heel beperkt. Om over te schakelen op 100% vrije koeling heeft een gekoeld water airconditioner een water/glycol aanvoertemperatuur nodig van ca. 15°C onder de ruimtetemperatuur – en om deze waarde te bereiken, is een buitentemperatuur van ca. 18°C onder de ruimtetemperatuur nodig. Het aantal dagen waarop de buitentemperatuur hieraan voldoet, is afhankelijk van de gekozen ruimtetemperatuur: hoe hoger deze temperatuur wordt gekozen, hoe meer uren van vrije koeling gebruik kan worden gemaakt. Een ruimtetemperatuur van 34°C is tegenwoordig gebruikelijk bij hoog efficiënte systemen.

Een tweede mogelijkheid om de periode waarin vrije koeling kan worden gebruikt te verlengen, is het hanteren van een variërende watertemperatuur. Bij dynamische aansturing ligt de watertemperatuur 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 water/glycol temperaturen. Hoe hoger de watertemperatuur, hoe lager het koelvermogen. En net in deze situatie, die in eerste instantie nadelig lijkt, kan gebruik worden gemaakt van dynamisch aansturen op het moment dat het datacenter niet volledig wordt belast.

7. Is dit te illustreren met een kort voorbeeld?

Een datacenter dat volledig wordt belast, heeft in vrije koeling-modus een watertemperatuur van ongeveer 18°C nodig. De vloeistofkoeler kan dit koude water alleen produceren als de buitentemperatuur lager is dan 15°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, bijvoorbeeld, al leveren bij een veel hogere watertemperatuur van 24°C. Deze watertemperatuur kan dan door de vloeistofkoeler worden geleverd bij een buitentemperatuur van ongeveer 21°C.

8. En hoeveel kan er op deze manier worden bespaard?

In Amsterdam ligt de buitentemperatuur per jaar ongeveer 3000 uur onder de 7°C. Ter vergelijking, de temperatuur ligt ieder jaar 5300 uur onder de 13°C. Dat betekent dat een intelligente aansturing van de koudwatertemperatuur 2300 extra uren met vrije koeling per jaar mogelijk maakt. De meeste vrije koelsystemen werken nog steeds op basis van een combinatie, of zelfs volledig met mechanische koeling.

9. Wat zouden exploitanten van datacenters die nog geen vrije koeling gebruiken kunnen doen? 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 zijn terugverdiend. 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.