Artikel Dynamische koeling door Ing. Dick Havenaar Voorzitter redactieraad RCC Koude & Luchtbehandeling Dynamic Free Cooling, efficient energy saving air conditioning system for data centres Dynamic Free Cooling, efficiënt en energiebesparend airconditioningsysteem voor datacenters Datacenters gebruiken enorm veel energie: een gemiddeld datacenter gebruikt net zoveel stroom als een middelgrote stad. Het gaat om een betrekkelijk nieuw fenomeen, waarbij beheersing van het energiegebruik pas recent aandacht heeft gekregen. De koeling van datacenters zal een steeds belangrijker aandachtsgebied worden voor de koude- en luchtbehandelingstechnologie. Zo is de NEN bezig om een nieuwe standaard op te stellen voor klimaatbeheersing in datacenters. Maar ook de industrie zelf werkt aan tal van nieuwe, energiebesparende oplossingen. Afb.1: Luchtcirculatie in koude en warme luchtstraten 36 102e Jaargang nr. 1 - januari 2009
Dynamische koeling Artikel Afb. 2 : Directe expansie watergekoeld systeem voorzien van vrije koeling. Werd in het verleden in computerruimtes met een verhoogde vloer koude lucht aan de onderzijde ingeblazen (downflow) en aan de bovenzijde weer aangezogen, tegenwoordig gaat dat in datacenters heel anders. De afgelopen jaren heeft men een systeem ontwikkeld waarbij de koude en warme luchtstromen van elkaar gescheiden zijn. Er zijn zogeheten warme- en koudestraten of -gangen gecreëerd, die zijn voorzien van roosters of tegels voor toe- en afvoer van de luchtstromen. Deze luchtstromen worden hierdoor strikt gescheiden gehouden. De gekoelde lucht wordt in de koudestraat of -gang door de servers aangezogen (servers en/of racks hebben zelf kleine ventilatoren) en in de warmegang naar de luchtbehandelingskast gevoerd. Daar wordt de lucht weer gekoeld en via de vloer naar de koudestraten of -gangen gevoerd (zie afb.1). Serverracks worden meestal gekoeld met lucht van +22ºC. In Nederland is de buitentemperatuur niet zo vaak hoger dan +22 C, dus kan er snel gebruik worden gemaakt van het koeleffect van vrije koeling, waardoor het energiegebruik aanmerkelijk wordt gereduceerd. De Stulz Groep leverancier van airconditioningapparatuur wil met het Dynamic Free Cooling-concept een bijdrage leveren aan duurzame oplossingen voor de koeling van datacenters. Voor het goed functioneren van datacenters zijn er twee zaken die altijd foutloos moeten werken: continue elektriciteit en continue koeling! Een datacenter en/ of computerruimte kan geen milliseconde zonder elektrische energie en geen minuut zonder koeling. De bedrijfszekerheid voor het leveren van energie wordt vaak opgelost door het installeren van generatorsets. Voor de koeling geldt dat er redundant opgestelde units aanwezig zijn. De klanten willen graag letterlijk zekerheid in huis hebben, vandaar dat er vaak meerdere systemen met het benodigde maximale koelvermogen worden geïnstalleerd. De totale koellast wordt niet verdeeld over meerdere systemen. Bij datacenters en computers gaat het puur om bedrijfszekerheid. Dynamic Free Cooling De huidige generatie servers in datacenters produceert veel warmte die moet worden afgevoerd. Toekomstige en nieuw ontwikkelde chips voor computersystemen zullen naar verwachting 10 keer zoveel warmte gaan produceren als de huidige microprocessoren. Het onttrekken van deze warmte door alleen compressiekoelsystemen vergt veel elektrische energie. Door de sterk stijgende energiekosten en de vaak beperkte beschikbaarheid van elektrische energie, wordt er bij de conditionering van datacenters steeds meer gebruikgemaakt van energiebesparende technieken en innovaties. Dynamic Free Cooling (DFC), ontworpen door Stulz en toegepast bij de airconditioningsystemen van deze onderneming, omvat o.a. een regel- en controleconcept om het energiegebruik drastisch terug te dringen. Deze DFCairconditioningsystemen zijn voorzien van hybride indirecte vrije koeling in precisie-airconditioningunits. Verder zijn ze voorzien van buiten het datacenter opgestelde droge koelers met toerentalgeregelde EC-ventilatoren. (zie afb. 2) Voor transport van het koude water tussen de binnenunits en de droge koelers zijn toerentalgeregelde pompen in het systeem opgenomen. Met het DFC-systeem worden alle tot de installatie behorende apparaten en componenten in hun werking optimaal benut, en wordt altijd de minimaal benodigde elektrische energie opgenomen om op elk gewenst moment het benodigde koelvermogen te leveren. Het is een economisch efficiënt systeem dat bij voorkeur gebruikmaakt van vrije 102e Jaargang nr. 1 - januari 2009 37
Dynamische Artikel koeling koeling (als de buitentemperatuur dat toelaat) en altijd zorg draagt voor het minimale energiegebruik. De luchtverdeling in het datacenter vindt plaats d.m.v. toerengeregelde EC-ventilatoren in de binnenunits. Het aanwenden van koeling door het inschakelen van het compressiekoelsysteem vindt alleen plaats bij hoge buitentemperatuur. Ondanks dat vanwege bedrijfszekerheid en serviceverlening meerdere redundant opgestelde units worden geïnstalleerd, wordt toch in samenhang met het DFC-concept aanzienlijk bespaard op het energiegebruik. CFD-programma s Stulz werkt met Computer Fluided Design-programma s. Men tekent de installaties in dit programma en voorziet het systeem van alle relevante data. Hiermee worden de installaties gevisualiseerd en kunnen de luchtverdeling, temperatuurverdeling, luchtdrukken en de optimale luchtsnelheid exact worden afgelezen. Men kan ook zien wat er gebeurt als er in de koudestraat een warme plek ontstaat. Bij wijziging van een tegel in de vloer of van een rooster, is het onmiddellijk duidelijk hoe de verdeling van temperatuur en lucht hierdoor verandert. Klanten van grote datacenters willen vooraf weten hoe het systeem werkt en wat er gebeurt met de installatie als men een of meerdere parameters wijzigt. Ook na het installeren en opleveren wil Afb. 3 : Testcentrum Stulz in Hamburg de klant zien wat hij uiteindelijk heeft gekocht. Daarom worden op verzoek van de klant de systemen voor de levering getest, wat validatie na oplevering mogelijk maakt. Stulz heeft in het researchcentrum in Hamburg (zie afb.3) veel onderzoek gedaan naar deze systemen. Met die know how claimt Stulz dan ook maatwerk van hoge kwaliteit te kunnen leveren. Men selecteert de apparatuur door gebruik te maken van een computerprogramma en niet door te verwijzen naar brochures met informatie. Dit computerondersteunde maatwerk is de standaardwerkwijze bij Stulz. Datacenters en koeling Er zijn ten minste twee belangrijke argumenten om een energie-efficiënt precisieairconditioningsysteem voor datacenters toe te passen. In de eerste plaats de kostenbesparing tijdens de gehele levensduur van het datacenter. Bij een modern datacenter is gemiddeld 40% van het totale energiegebruik nodig voor het aandrijven van het koelsysteem. Maar datacenters die 60% van het totale energiegebruik besteden aan het koelen, zijn geen uitzondering. Het tweede argument is dat men zo efficiënt mogelijk gebruik moet maken van de plaatselijk beschikbare hoeveelheid elektrische energie (elektrische voeding) voor het maximaliseren van de beschikbare servercapaciteit of vermogen van het datacenter. Uiteindelijk komen alle argumenten natuurlijk samen in de absolute voorwaarde voor duurzamer energieverbruik. Ieder datacenter heeft behoefte aan de hoogste kwaliteit luchtkoeling om de warmte af te voeren die door de servers wordt gegenereerd. De temperatuur en de luchtvochtigheid moeten constant worden gehouden om een goede werking van de servers te garanderen. Er zijn diverse luchtkoelsystemen toe te passen, maar allemaal gebruiken zij een grote hoeveelheid elektrische energie om ventilatoren, pompen en compressoren aan te drijven. De ventilatoren voor de luchtcirculatie zijn opgenomen in de CRAC-units die in het datacenter staan opgesteld. CRAC staat voor Computer Room Air Conditioning. De luchtcirculatie die door de CRAC-units in stand wordt gehouden, zorgt ervoor dat de door de servers geproduceerde warmte wordt overgedragen aan de in de CRAC-units opgenomen warmtewisselaar. Deze warmtewisselaar brengt de opgenomen warmte via water of via een koudemiddel buiten het datacenter. Door de ventilatoren op de koelmachines of op de droge koelers wordt de binnen in het datacenter opgenomen warmte naar de buitenlucht afgevoerd. De compressoren die zijn opgenomen in de CRAC-units of in de koelmachines zorgen ervoor dat de warmte die het koudemiddel uit de ruimte heeft opgenomen, naar de buitenlucht wordt afgevoerd. Indien er pompen zijn geïnstalleerd, zorgen deze voor het circuleren van het water tussen de CRAC-units die binnen staan opgesteld en de koelmachines of droge koelers die buiten staan opgesteld om daar de door de servers geproduceerde warmte af te voeren. De compressoren gebruiken de grootste hoeveelheid energie. De ventilatoren van de CRACunits zijn (omdat zij de interne ventilatie moeten verzorgen) een goede tweede in het energiegebruik. De pompen en de ventilatoren van de droge koelers en de koelmachineventilatoren vergen verhoudingsgewijs de geringste hoeveelheid energie. Een en ander blijft afhankelijk van de selectie van de te gebruiken componenten. 38 102e Jaargang nr. 1 - januari 2009
Dynamische koeling Artikel Luchtkoelsystemen voor datacenters zijn over het algemeen over-bemeten en ontworpen met een surplus aan beschikbaar koelvermogen. Beide aspecten kunnen worden gebruikt om de aanwezige componenten zodanig te benutten, dat het totale energiegebruik wordt verminderd. Vermindering van energiegebruik De reserve-units kunnen worden gebruikt om de luchtstroom met de overige units te delen. Dit leidt tot een grote energiebesparing. Door dit te doen wordt ook het warmtewisselende oppervlak van de reserve-units gebruikt, waardoor de efficiency van het totale systeem wordt verhoogd. Bij een hoge buitentemperatuur wordt met behulp van mechanische koeling door compressoren de lucht in het systeem afgekoeld. De warmte wordt uit de in het datacenter circulerende lucht door de warmtewisselaar aan het vloeibare en verdampende koudemiddel overgedragen. Dit verdampende koudemiddel brengt onder invloed van compressie door de compressoren de warmte naar een hogere druk en temperatuur, waardoor de warmte in de condensor aan de buitenlucht wordt afgevoerd. Bij een lage buitentemperatuur is er geen behoefte aan deze functie van de compressoren, en kan de warmte in het datacenter gemakkelijk rechtstreeks aan het water worden overgedragen. Buiten het gebouw zal deze warmte dan rechtstreeks naar de buitentemperatuur worden overgebracht. De temperatuur van dit water heeft een belangrijke invloed op de efficiency van het luchtkoelsysteem. Enerzijds, hoe hoger de watertemperatuur, des te lager het koelvermogen van de CRAC-units. Anderzijds wordt de efficiency aanmerkelijk verhoogd als, afhankelijk van de periode in het jaar, het systeem met hogere watertemperaturen kan werken. De optimalisatie zal door het DFCsysteem worden geregeld. Het luchtkoelsysteem met DFC Het systeem zoals hier beschreven bestaat uit hybride CRAC-units die in het datacenter zijn geplaatst, droge koelers die buiten het gebouw zijn opgesteld, en pompen die zorgen voor de circulatie van het water in een gesloten hydraulisch circuit tussen de CRAC-units en droge koelers. De hybride CRAC-units zijn voorzien van toerengeregelde EC-ventilatoren voor luchtcirculatie in het datacenter, een gesloten koudemiddelcircuit met scroll-compressoren en een luchtwaterwarmtewisselaar voor de werking voor het vrije koelen. De droge koelers bestaan uit water-luchtwarmtewisselaars en toerengeregelde EC-ventilatoren voor luchtcirculatie door de warmtewisselaar. De centrale pompen worden afhankelijk van de systeemdruk in toerental geregeld en zorgen voor de circulatie van het water tussen de droge koeler en de CRACunits. Hierdoor wordt de warmte uit het datacenter naar de omgeving afgevoerd. Alle componenten betrokken bij het luchtkoelproces worden gecontroleerd door de microprocessor in de CRACunits. Sensoren (bij de retour van de CRAC-units) de buitenluchttemperatuur. Dynamic Free Cooling voor verhoging van de efficiency Een efficiencyverhoging wordt verkregen door gebruik te maken van een aantal thermodynamisch belangrijke uitgangspunten. Eén daarvan is het werken met dynamische watertemperaturen. De traditionele indirecte vrije koelsystemen werken met vast ingestelde watertemperaturen van +35 C als hoge buitentemperatuur en +7 C voor vrije koeling als lage buitentemperatuur. In verband Afb. 4: DFC overzicht componenten beheer en klimaatregeling 102e Jaargang nr. 1 - januari 2009 39
Dynamische Artikel koeling Meer weten? www.koudeenluchtbehandeling.nl hiermee is de toepassing van vrije koeling beperkt. Bij het toepassen van DFC is de watertemperatuur niet langer een vaste ingestelde waarde, maar volledig dynamisch en afhankelijk van wat het airconditioningsysteem vraagt. Waarom? Het zal duidelijk zijn dat het systeem werkt als een koudwatersysteem in vrije koeling-modus of -bedrijf. Het koelvermogen van het koudwatersysteem is afhankelijk van de watertemperatuur. Hoe hoger de watertemperatuur, des te lager is het koelvermogen. Dit lijkt een nadeel, maar dit effect wordt toegepast met DFC-regeling en dan werkt het als een voordeel. Een datacenter dat bij volledige belasting (100% koelvermogen) in bedrijf is, vereist bij vrije koeling een watertemperatuur van b.v. 10,5 C. Water op deze temperatuur kan door externe droge koeling bij een buitentemperatuur tot + 7 C worden geproduceerd. Eenzelfde datacenter dat bij deellast van 60% operationeel is, vereist tevens een koelvermogen van 60%. Een airconditioningsysteem in vrije koeling-modus kan dit 60% koelvermogen al bij een veel hogere watertemperatuur van bijvoorbeeld +16ºC produceren, terwijl deze conditie voor het water al bereikt kan worden bij een buitentemperatuur van 14 C. Wat betekent dit voor de totale vrije koelingperiode in een jaar? Stulz neemt Amsterdam als voorbeeldlocatie. In Amsterdam is de buitentemperatuur gedurende 35% van de totale tijd (= 2800 uur per jaar) onder de 7 C, terwijl 74% (= 6500 uur per jaar) de optredende buitentemperatuur onder de 14 C uitkomt. Dit betekent dat er 3700 uur of 154 dagen extra per jaar gebruikt kunnen worden voor vrije koeling. Standby Management Alle datacenter-luchtkoelsystemen worden ontworpen met een bepaalde overcapaciteit. Eén, twee of meer reserve-units worden gewoonlijk tijdens standaarduitvoering afgezet. Door middel van DFC werken de CRAC-units in de vrije koeling-modus op een nieuwe, afwijkende manier. Het gebruik van de uiterst efficiënte EC staat de snelheid van de automatische bediening van de ventilatoren toe. Ventilatiewetten beschrijven dat luchtvolume direct evenredig is aan de ventilatorsnelheid en dat de ventilatorkracht een deel is van de ventilatorsnelheid. Kortom, door de reserve- CRAC-units bij verminderde snelheid (luchtvolume) in werking te stellen, wordt de algemene ventilatorkracht sterk verminderd. Het is energiezuiniger om alle eenheden met inbegrip van de reserve-crac-units bij lagere snelheid in werking te stellen dan afgesloten of opeenvolgend de reserve-units. Deze techniek verstrekt eveneens een gelijkmatige en voorspelbare luchtdistributie. DFC beheert de CRAC-units op vrije koeling-modus op deze nieuwe wijze, en zo worden grote besparingen op ventilatorenergie gerealiseerd. Hoe dan ook, bij afsluiting van één unit door om het even welke reden van uitval, zullen de resterende werkende ventilatoren hun snelheid verhogen om de juiste luchtcirculatie te verzekeren. Indirect vrij koelen DFC is een indirect vrij koelsysteem. Indirect betekent dat er geen buitenlucht is vereist voor het koelen van het datacenter. Een direct vrije koelsysteem gebruikt buitenlucht die moet worden gepreconditioneerd en gefilterd voor deze het datacenter intreedt. De buitenluchtkwaliteit en de buitenluchtcondities maken normaal gesproken het gebruik van directe vrije koeling onmogelijk. Aanwezige rook kan de rookmeldingsystemen in werking zetten. Vervuilde lucht vereist een zeer hoge graad van filtratie en regelmatig duur filteronderhoud. Een lage luchtvochtigheid vereist een grote hoeveelheid dure bevochtigingsapparatuur. Bij hoge buitentemperaturen moet het koelen plaatsvinden door een met compressoren uitgevoerd regulier airconditioningsysteem. Het indirecte vrije koelsysteem gebruikt water als middel voor de warmteoverdracht tussen het datacenter en de buitenlucht. Er bestaat geen noodzaak om buitenlucht in het datacenter naar binnen te transporteren, behalve een bepaalde hoeveelheid verse lucht om de luchtkwaliteit op het juiste niveau te houden voor de personen die in het datacenter werken. Dynamisch componentenbeheer Er zijn vier belangrijke componenten in het luchtkoelsysteem die energie gebruiken (zie afb. 4.); 1. De compressoren in de CRAC-units 2. De ventilatoren in de CRAC-units 3. De toerengeregelde pompen 4. De ventilatoren van de droge koeler ontwerpruimtetemperatuur DFC controleert deze componenten afhankelijk van de ruimte-indeling, de buitentemperatuur en het verschil tussen daadwerkelijke en ontwerpruimtetemperatuurr, zodanig dat de totale gebruikte energie op een minimaal niveau ligt. De nadruk ligt op het minimaliseren van de draaitijd van de compressoren, de componenten die de grootste hoeveelheid energie gebruiken. De volgende prioriteit betreft de resterende componenten, te weten de ventilatoren van de droge koeler en de centrale pompen, op dusdanige wijze te beheren dat ook hier de totale geabsorbeerde energie een minimaal niveau bereikt. Optimaal ontwerp van de behuizing De CRAC-units die voor het DFCsysteem gebruikt worden, zijn geoptimaliseerd voor hogere efficiency. De interne componenten zijn ontworpen en geplaatst om interne verliezen voor de luchtstroom te minimaliseren. De behuizing zelf is in vergelijking met de units zonder vrije koeling om dezelfde reden vergroot. De door de ventilatoren geabsorbeerde energie is door middel van deze maatregelen met maximaal 40% verminderd. 40 102e Jaargang nr. 1 - januari 2009
Dynamische koeling Artikel Het dubbele tweewegkleppensysteem Het hydraulische systeem is dusdanig ontworpen door het gebruik van tweewegkleppen, dat de hoeveelheid water die in het systeem circuleert altijd de hoogst mogelijke hoeveelheid warmte in de CRAC-units absorbeert, of in de vrije koeling, de mix- of compressorenmodus. Zo wordt het benodigde pompvermogen verminderd tot het minimum. Dynamic Free Cooling hoeveel kan worden bespaard? Dankzij DFC kunnen besparingen tot 60% worden bereikt. Deze waarde is van verschillende punten afhankelijk. De plaats (jaarlijkse temperatuurtabel), het vergelijkingssysteem, het aantal reserveunits, de ontwerpruimtetemperatuurr en een aantal andere punten hebben invloed op de besparingen. Calculatiesoftware om verschillende systemen te vergelijken, waarbij alle bovengenoemde punten in overweging worden genomen, is uitermate nuttig voor het maken van een selectie. Handmatige berekeningen van deze complexe verbindingen zijn ook mogelijk, maar één vergelijking vergt dan al gauw een aantal dagen. Dynamic Free Cooling - investering en terugverdientijd De investeringskosten voor DFC in vergelijking met een luchtgekoeld basissysteem kunnen gemakkelijk 50% hoger zijn. De besparingen van bedrijfskosten kunnen zeer aanzienlijk zijn, afhankelijk van de hierboven genoemde factoren. Als voorbeeld geldt een installatie met een koelvermogen van 400 kw uitgevoerd met standaard-cw binnenunits met EC-ventilatoren en aangesloten op een koudwateraggregaat. Dit systeem wordt vergeleken met Dynamic Free Nadere informatie en bronvermelding Stulz Groep B.V. Weverij 7 9, 1185 AB Amstelveen Postbus 75, 1180 AB Amstelveen T: 020 54 51 111 F: 020 64 58 764 E: stulz@stulz.nl www.stulz.nl Cooling aangesloten op droge koelers. De investering voor de standaardoplossing bedraagt 110.000 en die voor het DFC-systeem 212.000. Op basis van de initiële investering zou men kiezen voor de standaardoplossing. Maar als men rekening houdt met de energiebesparing van het DFC-systeem, is de extra investering al binnen 1 jaar terugverdiend. Dit komt door het veel lagere energiegebruik en de daardoor veel lagere energiekosten van het DFC-systeem. Bedrijfszekerheid Voor de bedrijfszekerheid van datacenters wordt vaak de TIER-classificatie toegepast. De TIER-classificatie komt uit Amerika en geeft aan hoe veilig een computerruimte is. TIER I en II bepalen waaraan ruimtes moeten voldoen. TIER III en TIER IV gaan zelfs zo ver dat er gelijktijdigheidsberekeningen van ernstige calamiteiten van toepassing zijn voor 2 datacenters die b.v. op 10 km afstand van elkaar zijn gelegen. De beschikbaarheid volgens TIER I = 99.671%, van TIER II = 99,749%, van TIER III = 99,982% en van TIER IV = 99,991%. Samenvatting Servers in datacenters produceren een grote hoeveelheid warmte die moet worden afgevoerd door middel van ventilatie- en airconditioningsystemen. Deze systemen gebruiken een forse hoeveelheid elektrische energie. Toenemende energiekosten en de beperkte beschikbaarheid van elektriciteit zorgen ervoor dat datacenters steeds meer overgaan op het installeren van energie-efficiënte systemen. Dynamic Free Cooling is een regelconcept voor airconditioningsystemen in combinatie met hybride indirecte vrije koeling in precisie-airconditioningunits, ventilatorgeregelde droge koelers en toerengeregelde centrale pompsystemen. Al deze systeemcomponenten worden centraal geregeld om het totale energiegebruik, afhankelijk van de omgevingstemperatuur en de koellast te minimaliseren. Summary Servers in data centres produce a large amount of heat, which has to be removed by ventilation and air conditioning systems. These systems have a vast energy consumption. Increasing energy costs and limited resources of available electricity are forcing the data centre industry to the use of energy efficient technical equipment. Dynamic Free Cooling is a control concept for data centre s air conditioning systems combining Hybrid Indirect Free Cooling Precision Air Conditioning Units, Fan Speed Controlled Dry Coolers and Speed Controlled Central Pumps to highly efficient precision cooling system. All system components are centrally controlled to minimize overall energy consumption depending on the Ambient Temperature and the Room Load Status. 102e Jaargang nr. 1 - januari 2009 41