Ontwerptoepassingen en installatiekeuzen voor efficiënte datacenters
Moderne datacenters maken grote stappen in de energie-efficiëntie en reduceren van de carbon footprint. Er worden nieuwe eisen gesteld aan de efficiëntie van cloud computing, big data en infrastructuur. Deze verandering wordt gedreven door een toenemend aantal gebruikers, een groeiende hoeveelheid data en een veel grotere afhankelijkheid van de infrastructuur waaruit het datacenter bestaat. Met private cloud-technologieën en de snelle groei van data binnen veel technologische toepassingen, zoals het Internet of Things, is het werken met de juiste datacenter-optimalisatietechnologieën belangrijker dan ooit tevoren.
De kosten van energie vormen een steeds groter deel van de Total Cost of Ownership voor datacenters. Het is mogelijk om het elektriciteitsverbruik van een gemiddeld datacenter drastisch te verlagen door een passend ontwerp van de fysieke infrastructuur van dat datacenter en door het ontwerp van de IT-architectuur.
Figuur 1 laat de verdeling in het energieverbruik van een gemiddeld datacenter zien. De IT-en koelapparatuur nemen daar het grootste aandeel in.
Toekomstige datacenters
Om toekomstige datacenters nog efficiënter te maken, kunnen verschillende ontwerptoepassingen en installatiekeuzen worden overwogen. Een slim ontwerp vertaalt zich niet alleen in een efficiëntere toepassing, maar ook in een betere, kostenbesparende synergie tussen de elektrische- en de koelinstallatie.
In dit artikel wordt een koelwaterinstallatie met Computer Room Air Handling (CRAH) units verder toegelicht en de belangrijkste best practices beschreven.
Ontwerp
De eerste belangrijk afwegingen zijn de initiële ontwerpcondities. Wat is de werkelijk te verwachten IT-belasting en welke lucht-, water en buitenluchttemperaturen worden gekozen als ontwerpcondities. En zijn er specifieke klant-SLA’s om rekening mee te houden?
Vaak worden de koel- en elektrische systemen van datacenters te groot bemeten om de toekomstige groei te kunnen opvangen of een hoog niveau van redundantie te kunnen bieden. Buiten hogere kosten kan dit ook nadelig zijn voor het energieverbruik van het datacenter.
Het ontwerp van schaalbare systemen wordt sterk aanbevolen om de initiële kosten te verlagen door alleen te installeren wat werkelijk nodig is, de energieprestaties verbeteren en toekomstige groei mogelijk maken als en wanneer de belasting toeneemt.
Toepassing van hogere koelwatertemperaturen
De meeste datacenters volgen ASHRAE-ontwerpcondities met betrekking tot de intrede luchttemperatuur van een server. Een koelwateraanvoertemperatuur van 20 à 22°C naar CRAH-units is mogelijk voor een luchtintredetemperatuur van 25 à 27°C van de server. Hoe hoger de koelwatertemperatuur, hoe efficiënter de toepassing van het koelsysteem. De efficiëntie van koelapparatuur neemt sterk toe naarmate er minder diep gekoeld hoeft te worden. Daarnaast neemt het aantal uren vrije- en/of adiabatische koeling fors toe.
De capaciteit van de koelinstallatie neemt toe bij een hogere koelwatertemperatuur, waardoor het gewenste koelvermogen met kleinere apparatuur kan worden behaald. Dit vertaalt zich in een lagere CAPEX voor de koelapparatuur, maar ook in een kleinere impact op de elektrische infrastructuur van het datacenter. De koelwatertemperatuur is daardoor van invloed op de totale CAPEX en OPEX van het datacenter.
Het effect van een hogere koelwatertemperatuur voor een koelinstallatie wordt weergegeven in figuur 2. Het energieverbruik van de koelinstallatie daalt als gevolg van een verbeterde koelefficiëntie en een toename van het aantal uren vrije koeling.
Toepassing van een hogere koelwater delta T
De delta T staat voor het verschil tussen de koelwateraanvoer- en retourtemperatuur. Een hogere delta T heeft invloed op de toepassing van de koelapparatuur en koelwaterpompen.
- Invloed op de koelapparatuur. Naast de koelwateraanvoertemperatuur naar het datacenter is de waterzijdige delta T van belang voor de efficiëntie van de koelapparatuur, maar vooral voor het vergroten van het aantal uren vrije- en/of adiabatische koeling. Toepassing van vrije koeling is vaak al mogelijk als de buitenluchttemperatuur enkele graden lager is dan de koelwaterretourtemperatuur, waardoor direct van invloed op verbetering van de efficiëntie.
- Invloed op de koelwaterpompen. De meeste pompen in een datacenter zijn 24/7 operationeel. De benodigde waterhoeveelheid die een pomp dient te verplaatsen hangt af van de koelcapaciteit van de koelinstallatie, maar ook zeker van de delta T over de koelinstallatie.
Het effect van de waterzijdige delta T op het opgenomen vermogen van de pomp wordt in onderstaande afbeelding weergegeven.
Figuur 3. Prestatiecurve van pompen Figuur 4. Pompbesparing met delta T
Verbetering van de luchtcirculatie in de IT-ruimte
Indien een IT-ruimte wordt gekoeld door middel van een CRAH-unit, dan is de luchtcirculatie in de ruimte het meest energie-efficiënt als deze luchthoeveelheid automatisch wordt geregeld op basis van druk- of temperatuurverschil.
- Bij toepassing van een verhoogde vloer. Om de luchthoeveelheid door een verhoogde vloer of gesloten koude gang te regelen wordt veelal een drukverschilregeling toegepast. Hoe lager de luchtdrukverliezen, des te minder energie benodigd is om de lucht te verplaatsen.
- Bij toepassing van een verlaagd plafond. Om de luchthoeveelheid door een gesloten warme gang opstelling in combinatie met een verlaagd plafond te regelen wordt veelal een druk- of temperatuurverschilmeting regeling toegepast. Hoe lager de luchtdrukverliezen, des te minder energie benodigd is om de lucht te verplaatsen.
Variabele Speed Drive (VSD)
De meeste koelapparatuur is voorzien van mechanisch draaiende delen zoals compressoren, ventilatoren en pompen voor het koelen van een datacenter. Door toepassing van frequentieregelaars op deze componenten en slimme software in de apparatuur, vindt een optimalisatie van het energieverbruik plaats.
Compressoren worden afgestemd op de gewenste koelcapaciteit en ventilatoren en pompen verplaatsen niet meer lucht of water dan benodigd, waardoor een veel lager opgenomen vermogen nodig is (zie figuur 5).
Redundante apparatuur
Een interessant uitgangspunt is om redundante apparatuur niet alleen als back-up te zien, maar ook om het totale energieverbruik van de koelapparatuur te verlagen. Als bij toepassing van CRAH-units de totale luchthoeveelheid in de ruimte over meer units wordt verdeeld, neemt het opgenomen vermogen van de ventilatoren af volgens de grafiek fan speed versus power.
Adiabatische koeling
In een datacenterontwerp kan adiabatische koeling worden toegepast om de efficiëntie van de koelinstallatie te verhogen, om elektrische energie te besparen en koelapparatuur meer koelvermogen te geven.
Afhankelijk van de buitenluchttemperatuur en luchtvochtigheid wordt water op verschillende manieren gebruikt om de buitenluchttemperatuur met een zogenaamde adiabatische pads terug te koelen. Een lagere buitenluchttemperatuur over een droge koeler of koelmachine verhoogt de efficiëntie en verlaagt het energieverbruik. Voor adiabatische koeling is kraan- of oppervlaktewater nodig.
In het koelontwerp kan worden gekozen om de modulegrootte van koelapparatuur te beperken, aangezien adiabatische koeling het totale koelvermogen vergroot, waardoor een lager elektrisch aansluitvermogen haalbaar is. Of adiabatische koeling wordt enkel toegepast om het energieverbruik van de koelapparatuur te verlagen, waardoor geen afhankelijkheid ontstaat op beschikbaarheid van water. De keuze in de toepassing dient onderdeel te zijn van de initiële ontwerpcondities
Koudemiddel
Indien koelmachines worden ingezet wordt voor verschillende toepassingen vaak gebruik gemaakt van een koudemiddel. Afhankelijk van het type koudemiddel en het ontwerp van de apparatuur wordt een bepaalde efficiëntie verkregen. Schneider Electric loopt voor op de toepassing van koelmachines voorzien van het milieuvriendelijk koudemiddel R1234ze met een zeer laag Global Warming Potential van <1. Het GWP-getal geeft de directe invloed weer op de opwarming van de aarde, als het koudemiddel onverhoopt in de lucht terecht komt.
Energie-efficiëntie in datacenters
De energie-efficiëntie van een datacenter wordt voor een groot deel bepaald door de ontwerpkeuzen en ontwerpcondities van de koelinstallatie. Met bovenstaande technieken, toepassingen en een slim ontwerp, kan een datacenter pPUE van ruim onder de 1,25 worden behaald
Meer informatie over verschillende koeloplossingen voor datacenters is te vinden op blog.se.com/datacenter/power-and-cooling. Voor advies kunt u contact opnemen via se.com/nl.
Meer over
Lees ook
nLighten neemt 7 edge datacenters van EXA Infrastructure over
Overname opent nieuwe markten voor nLighten in België, Zwitserland en Spanje en breidt de aanwezigheid in Frankrijk, het Verenigd Koninkrijk en Nederland uit. nLighten heeft de overname bekendgemaakt van zeven edge datacenters van EXA Infrastructure. Deze stap versterkt de positie van nLighten als marktleider binnen de Europese1
NTT DATA versterkt aanwezigheid in EMEA met uitbreiding datacenter in Berlijn
NTT DATA, aanbieder van IT-technologie en –diensten, kondigt aan dat zijn Global Data Centers divisie een derde datacentercampus in Berlijn zal ontwikkelen.
Uptime waarschuwt voor te hoge verwachtingen van vloeistofkoeling in datacenters
Volgens een recente blog van Daniel Bizo, Research Director bij Uptime Institute Intelligence, moeten de verwachtingen rondom vloeistofkoeling in datacenters bijgesteld worden. Bizo wijst op enkele fundamentele uitdagingen die nog overwonnen moeten worden.