Naarmate de wereldwijde digitalisering vordert, is het vandaag de dag noodzakelijk voor datacenters om snelle en passende IT-oplossingen te hebben. Deze oplossingen moeten ook over een brede reeks aan prestatiesklassen voldoen. Energie-efficiëntie, IT-beveiliging, innovatieve klimaatbeheersing en hoge beschikbaarheid zijn slechts enkele voorbeelden van de essentiële eisen.
Ontwikkelaars en datacenterexploitanten plaatsen bijzondere aandacht voor factoren zoals energie efficiëntie en effectiviteit van het energieverbruik (PuE). Of het nu gaat om microdatacenters, colocatieproviders of hyperscale-datacenters – allemaal hebben één ding gemeen: ze hebben allemaal een koelconcept nodig voor hun IT die het energieverbruik zal verminderen, natuurlijke hulpbronnen zal sparen en, idealiter, bijdragen aan de bescherming van het klimaat.
Met de digitale transformatie zijn de eisen die aan IT-infrastructuren worden gesteld fundamenteel veranderd. Meer en meer bedrijven zijn afhankelijk van de snelle verwerking en analyse van steeds grotere hoeveelheden gegevens. Volgens een onderzoek uitgevoerd door de Amerikaanse fabrikant van harde schijven Seagate en het marktonderzoeksbureau IDC zal het wereldwijd gegenereerde volume toenemen tot ongeveer 175 zettabytes tegen 2025. Ter vergelijking dat is acht keer zoveel data zijn als in 2017.
Koeling is doorgaans goed voor een aanzienlijk deel van de infrastructuurkosten van datacenters. Tegelijkertijd leidt elke nieuwe server- en geheugengeneratie tot een verdere toename van de verpakkingsdichtheden. Ruimtebehoefte, elektriciteitsverbruik en hoge thermische belastingen zijn dus grote uitdagingen waarvoor oplossingen moeten worden gevonden. Over het algemeen zijn er verschillende manieren om datacenterkoeling te implementeren. De juiste methode wordt bepaald door de koelvraag en andere individuele vereisten. Externe factoren, zoals de lokale omgevingsomstandigheden, beïnvloeden ook de keuze van het koelsysteem.
De factoren temperatuur en luchtvochtigheid spelen een belangrijke rol bij het klimaatbeheersingsconcept. Of er nu ventilatorsystemen of koudemiddel- of watergebaseerde oplossingen worden gebruikt: betrouwbaarheid, veiligheid en maximale energie- en kostenefficiëntie zijn altijd belangrijke overwegingen.
Een koelconcept moet daarom niet alleen alle algemene richtlijnen volgen, maar ook flexibel kunnen worden aangepast aan de behoeften van een individuele toepassing op elk moment. Vraaggerichte koeling – of het nu gaat om rack-, suite- of ruimtekoeling – is de basis voor optimale energie-efficiëntie en kosteneffectiviteit in het datacenter. En dat brengt altijd een klimaatconcept op maat met zich mee, opgebouwd rond state-of-the-art technologie
Een belangrijke vraag hierin is: Welk koelmedium: Water of koudemiddel?
Als algemeen uitgangspunt is koeling van de IT-hardware van fundamenteel belang voor een goede werking van een datacenter. Zonder voldoende koeling kunnen de servers oververhit raken – met blijvende negatieve gevolgen voor het datacenter. In het ergste geval zal de CPU uiteindelijk de klokfrequentie tot nul verlagen. De Rittal-oplossingen zijn ontworpen om dergelijke situaties te voorkomen.
Er moeten twee basistypen vraaggerichte rack-, suite- en ruimtekoeling worden onderscheiden:
◾ koudemiddel-gebaseerde
◾ koelmiddel op waterbasis
Koeloplossingen op basis van koudemiddel
Bij koudemiddel-gebaseerde oplossingen zoals DX-koeling (Direct Expansion) wordt de koude gegenereerd in een gesloten koelmiddelcircuit bestaande uit een verdamper, een compressor, een condensor en een expansieventiel. Het koudemiddel wordt verdampt bij de verdamper en absorbeert daarbij warmte. De compressor trekt het gasvormige koudemiddel onder hoge druk aan en comprimeert het. Bij de condensor wordt het koudemiddel weer vloeibaar en geeft daarbij warmte af. Een doorstroomklep of een elektronisch expansieventiel zorgt voor uitzetting van het koudemiddel en de cyclus kan opnieuw beginnen. Dit is ook het werkingsprincipe van huishoudelijke koelkasten en diepvriezers.
De investeringskosten voor koelsystemen met een koudemiddel zijn over het algemeen lager dan voor een koeloplossing op waterbasis, omdat de benodigde wandopeningen gemakkelijker te realiseren zijn voor de dunnere koperen leidingen dan voor waterleidingen. Aan de andere kant zijn de bedrijfskosten vaak hoger in vergelijking met waterkoeling omdat het systeem een continue stroomvoorziening voor de compressor vereist.
Koeloplossingen op waterbasis
Koelen met water is in principe ook mogelijk voor kleinere IT-omgevingen. Zolang de buitentemperatuur lager is dan de temperatuur in het datacenter, kan vrije koeling worden gebruikt. Voor deze koelmethode is geen compressor nodig. De nieuwste ontwikkelingen zijn gericht op oplossingen waarbij de servers hogere luchtinlaattemperaturen accepteren.
Waterkoeling is een circuitsysteem, wat betekent dat bij het plannen van de investering rekening moet worden gehouden met een extra koelset (leidingen, pomp, vrije koeler). De extra uitgaven worden vervolgens gecompenseerd door de lagere exploitatiekosten, omdat het water een groot deel van het jaar via de koude buitenlucht kan worden gekoeld.
Met schaalbare klimaatbeheersingsconcepten zoals Liquid Cooling Packages (LCP) is een temperatuurneutrale uitbreiding van een datacenter mogelijk zonder aanpassingen aan de ruimte. LCP is een efficiënte koeloplossing waarbij hoge thermische vermogensverliezen uit de IT-racks worden afgevoerd. De LCP-productfamilie omvat zowel rij- als rackgebaseerde modellen. Dit maakt de configuratie van een optimale oplossing voor verschillende toepassingsscenario's mogelijk - bijvoorbeeld de koeling van twee rackrijen met aisle cointainment, evenals koeling voor enkele, gesloten IT-racks.
De antwoorden uit het Rittal-portfolio
Rittal levert Liquid Cooling Packages (LCP) in verschillende varianten voor gebruik met verschillende koelmedia. LCP CW-systemen vereisen gekoeld water voor koeling, terwijl LCP DX een koelmiddelsysteem is. LCP CW’s zijn gebaseerd op een lucht/water-warmtewisselaar, waarbij koud water wordt gebruikt om de verwarmde lucht uit het IT-rack te koelen. In een LCP DX-systeem daarentegen wordt de lucht efficiënt gekoeld en in overeenstemming met de werkelijke vermogensverliezen op het serverrack zelf of in een koude gang. Een externe condensor zorgt standaard voor hoge koelvermogens, tot 35 kW. De geabsorbeerde thermische energie wordt uitgestraald naar de omgevingslucht op de externe condensorlocatie. Deze methode voorkomt opwarming van het datacenter. Airconditioning in de ruimte is dus niet nodig. De toerentalgeregelde compressor zorgt ervoor dat het koelvermogen optimaal is aangepast aan de werkelijke vereisten. De smalle breedte van 300 mm maakt de LCP DX een ideale keuze voor de planning en koeling van kleine en middelgrote datacenters en serverruimtes.
Liquid Cooling Units (LCU) van Rittal zijn koeloplossingen op basis van koudemiddelen die direct in het rack worden geplaatst. De ruimtebesparende LCU DX-serie is ontworpen voor de koeling van netwerk- en serverbehuizingen en biedt optimale ondersteuning voor IT-typische "front-to-back" luchtgeleiding. De oplossing is beschikbaar in enkele en redundante versies. De op koelmiddel gebaseerde gesplitste koeleenheid bestaat uit een interne verdamperspoel van de eenheid) en een externe eenheid met geïntegreerde compressor (invertergestuurd). Met twee vermogenscategorieën 3 kW en 6,5 kW is LCU DX de ideale koeloplossing voor kleinere IT-toepassingen.
Nieuw is de LCU op basis van gekoeld water. De LCU CW bestaat uit een lucht/water-warmtewisselaar, ventilatoren en de controller. Deze dient voor het afvoeren van warmte uit serverracks en daardoor voor een effectieve koeling van de in de behuizing of het rack ingebouwde componenten. De LCU CW wordt naast het 19"-niveau in de netwerkbehuizing/het serverrack ingebouwd. De verwarmde lucht wordt achter in de rack aangezogen, via de warmtewisselaar gekoeld en in het voorste deel van het rack weer uitgeblazen. Het nuttig koelvermogen kan, afhankelijk van de watertemperatuur oplopen tot 8 kW.
Cube-systemen
De klimaatbeheersing van datacenters kan worden geoptimaliseerd door te zorgen voor koelluchtcirculatie via een verhoogde vloer. Om de efficiëntie van het klimaatbeheersingssysteem met verhoogde vloer te verbeteren, kan de koude of warme gang worden ingesloten om warme en koude cubes te vormen. Het toepassen van deze aanpak elimineert het mengen van de toevoerlucht en retourlucht. De serverracks kunnen gerichter worden voorzien van koude toevoerlucht en de algehele energie-efficiëntie wordt verhoogd. De luchtscheiding wordt bereikt door middel van ‘aisle containment’, wat verwijst naar een combinatie van deur- en dakelementen die specifiek warme en koude gebieden van het datacenter definiëren. Een dergelijke scheiding is cruciaal voor het besparen van energie en het verhogen van de efficiëntie van de beschikbare klimaatbeheersingstechnologie.
In serverruimtes die niet als datacenters zijn ontworpen, leidt het permanent mengen van gekoelde en verwarmde lucht vaak tot koeltekorten. Hotspots maken het werk van de IT-apparatuur moeilijker. Of het nu met of zonder een verhoogde vloer is, of het nu in een warme of koude gangpadconfiguratie is, gangpadinsluiting is een eenvoudig middel om de efficiëntie van koeling te verbeteren. Rittal heeft drie koelvarianten voor ‘aisle containment’ ontwikkeld, die allemaal dienen om de energie-efficiëntie en prestatiemogelijkheden van een klimaatbeheersingsoplossing te verbeteren.
Cold aisle containment
‘Cold aisle containment’ is over het algemeen de voorkeursmethode, omdat hiermee de luchtinlaattemperatuur van de server nauwkeurig en gegarandeerd kan worden geregeld.
Koud gangpad met verhoogde vloer:
CRAC-systemen leveren gekoelde lucht in het koude gangpad via de geperforeerde panelen van de verhoogde vloer. Optimalisatie van de verhoogde vloerhoogte maakt het mogelijk om de koelluchtinlaat te routeren zonder stroomverliezen. Een ongestoorde toevoer en gelijkmatige verdeling van de koellucht in het koude gangpad garandeert een hoog rendement. Hardwareracks die niet op de behuizing zijn aangesloten, hebben geen invloed op de koelefficiëntie van het koude gangpad.
Koud gangpad zonder verhoogde vloer:
De LCP Inline leidt de gekoelde lucht direct naar het koude gangpad aan de voorzijde. Een homogene verdeling van koellucht in het koude gangpad garandeert een hoge mate van efficiëntie.. Kamerhoogtes spelen bij deze variant slechts een ondergeschikte rol.
Hot aisle containment
Warm gangpad zonder verhoogde vloer:
Hot aisle containment zonder een verhoogde vloer wordt vaak gekozen waar de ruimte beperkt is. De LCP Inline zuigt de hete lucht direct af op het punt waar deze wordt gecreëerd. De koelprestaties van de koelunits worden optimaal benut en de algehele efficiëntie van het systeem neemt aanzienlijk toe. Voordelen: Gebruik met hoge vermogensverliezen en ruimte-neutrale afvoer van de warmtebelastingen.
Cold aisle and hot aisle containment gecombineerd
Deze configuratie combineert de voordelen van beide varianten. Het wordt echter zelden in de praktijk aangetroffen, omdat de toegankelijkheid voor de exploitant beperkt is en een hogere investeringskost moet worden gepland.
Koeling in het datacenter
Er worden verschillende klimaatbeheersingsconcepten aangeboden voor verschillende warmtebelastingen en vermogensdichtheden van datacenters:
- Room cooling
- Suite cooling
- Rack cooling
- Chip cooling
- Vrij gekozen combinaties van de bovengenoemde varianten
Room cooling
Een gestructureerde rackindeling speelt een essentiële rol bij ruimte-gebaseerde koeling. Racks zijn meestal georganiseerd in rijen, met hun luchtinlaten tegenover elkaar. Waar voor deze typische opstelling wordt gekozen, is een verhoogde vloer om de verdeling van de koude lucht te vergemakkelijken een voorwaarde. Een traditioneel klimaatbeheersingssysteem met verhoogde vloer wordt vaak gebruikt als het warmteverlies in het rek minder dan ca. 8 kW bedraagt. Het nadeel van verhoogde vloerklimaatbeheersing is dat de toevoerlucht en retourlucht wordt gemengd, wat de effectiviteit van de koeling vermindert. Dit probleem kan worden opgelost door te zorgen voor warm of koud insluiting van het gangpad.
Een CRAC unit (Computer Room Air Conditioner) is een relevante oplossing voor ruimte-gebaseerde koeling. Koeling door middel van een CRAC-systeem is perfect geschikt voor datacenters met lage tot gemiddelde warmteverliezen per IT-rack. Het is een relatief eenvoudige zaak om redundantie te implementeren, meestal in een aparte serviceruimte of iets dergelijks, wat betekent dat het niet nodig is om de "heavy-duty apparatuur" direct in de serverruimte te plaatsen.
Energiezuinige, uiterst nauwkeurige CRAC-units van Stulz beloven een exacte temperatuur- en vochtigheidsregeling voor een ideaal ruimteklimaat. Zo garanderen ze optimale bedrijfsomstandigheden voor waardevolle IT-apparatuur. Door de samenwerking met Stulz is Rittal in staat om het volledige spectrum van IT-klimaatbeheersingsoplossingen aan te bieden.
Suite cooling
Vanaf een koelvraag van ca. 10 kW per rack is verhoogde vloerklimaatbeheersing over het algemeen niet meer voldoende. In dergelijke gevallen worden de klimaatbeheersingsoplossingen direct in de rackrijen geïntegreerd, zodat de koude luchtstroom direct voor de racks kan worden aangevoerd. Met deze oplossing wordt de warmte in een lucht/water- of lucht/koelmiddelwarmtewisselaar overgebracht naar een vloeibaar medium (water of koudemiddel) en afgevoerd. Het basisprincipe van een hybride koelsysteem is typisch voor rij-gebaseerde koeling. Dit verwijst naar een externe hybride condensor met koelmiddel voor indirecte vrije koeling, naast een compressor voor exclusieve of gezamenlijke werking.
Het systeem maakt automatisch schakelen tussen vrije koeling, compressorwerking en gezamenlijk gebruik mogelijk. Het systeem omvat ook een inverter-gestuurde pomp. Een expansievat is op dezelfde manier geïntegreerd in het watercircuit, naast verschillende veiligheidsvoorzieningen. Het hybride koelsysteem beschikt over een externe condensor met geïntegreerde free-cooler.
Rittal's LCP DX-oplossingen voor rij-gebaseerde klimaatregeling bieden koelvermogens van 12, 20 en 35 kW en zijn geschikt voor kleine en middelgrote omgevingen. In tegenstelling tot een luchtcirculatiesysteem wordt een LCP Inline unit niet in een aparte ruimte van het datacenter geïnstalleerd, maar toegevoegd aan de te koelen rackrij.
Rack cooling
In het geval van warmtebelastingen, bijvoorbeeld voor high performance computing, van >20 kW per rack, is rack-gebaseerde koeling de meest kosteneffectieve en technisch geschikte oplossing. Het belangrijkste punt is om ervoor te zorgen dat het koelsysteem zo dicht mogelijk bij de locatie is waar de warmte wordt gegenereerd. Hoogwaardige koelsystemen kunnen tot 55 kW warmtebelasting per rack afvoeren. Actieve rack-gebaseerde koeling vereist een koudwater-infrastructuur in de buurt van de behuizingen. Het water voor de warmtewisselaars in rack-gebaseerde koelsystemen wordt meestal centraal behandeld en gekoeld