Vrije koeling voor een datacenter

Beschrijving: wat is vrije koeling voor een datacenter?

We spreken van vrije koeling als natuurlijke koude (bijvoorbeeld uit de buitenlucht) wordt gebruikt om het koudemiddel te koelen, in plaats van mechanische koeling zoals in een compressiekoelmachine. In het Nederlandse klimaat kan een datacenter voor een groot deel van het jaar gebruik maken van ‘vrije koeling’. Er zijn meerdere technieken. Zie ook maatregel Vrije koeling voor de serverruimte.

A. Droge koeler(s) via bypass

Droge koelers zijn toepasbaar in een systeem waarin de koude centraal wordt opgewekt en via een koelwaternet naar de zaalkoelers wordt getransporteerd. In de zaalkoeler staat het koelwater de koude af aan de lucht die in de koude gang wordt ingeblazen. Als de retourleiding van het koudwaternet warmer is dan de buitenlucht is het lonend het koelwater eerst door een buiten opgestelde warmtewisselaar te pompen, de bypass. Een ventilator blaast de koude buitenlucht langs de warmtewisselaar voor maximale afkoeling van het koelwater. De warmtewisselaar met de ventilator is de droge koeler. Het koel-medium in het koelwaternet moet een glycol/water-oplossing zijn (of vergelijkbaar) om bevriezing in de buiten opgestelde warmtewisselaar te voorkomen.

Als het (bestaande) koelwaternet alleen uit water bestaat is een extra platenwarmtewisselaar, een extra circuit (met water/glycol-mengsel) met pompstation nodig. De regeling van de vrije koeling kan of/of zijn (de compressiekoelmachine is óf aan óf uit), of getrapt. Systemen met getrapte regeling kunnen, afhankelijk van de temperatuur van het traject, voor een hogere graad van vrije koeling zorgen.

B. Verdampingskoeler(s) via bypass

Het systeem is qua werking vergelijkbaar met droge koeler(s) via bypass maar met één of meerdere verdampingskoeler(s) in plaats van de droge koeler(s).

Door de warmtewisselaar buiten nat te maken en met de ventilator de buitenlucht langs de warmtewisselaar te blazen, verdampt het water (indirecte adiabatische koeling). Voor het verdampen van het water is warmte nodig, dat het onttrekt aan het koelwaternet.

Het koel-medium in het koelwaternet moet een glycol/water-oplossing zijn (of vergelijkbaar) om bevriezing in de buiten opgestelde warmtewisselaar te voorkomen. Als het (bestaande) koelwaternet alleen uit water bestaat is een extra platenwarmtewisselaar, een extra circuit (met water/glycol-mengsel) met pompstation nodig. De regeling van de vrije koeling kan of/of zijn (de compressiekoelmachine is óf aan óf uit), of getrapt. Systemen met getrapte regeling kunnen, afhankelijk van de temperatuur van het traject, voor een hogere graad van vrije koeling zorgen.

C. Kunststof kruisstroomwarmtewisselaar en verdampingskoeler aan buitenzijde (indirecte lucht/luchtkoeling)

Deze maatregel is toepasbaar in een systeem waar voor transport van koude een luchtnet (meestal per koudegang) aanwezig is. Op ieder luchtnet is een luchtbehandelingskast (LBK) aanwezig. Op de LBK zijn vier kanalen aangesloten. De LBK’s staan vaak op het dak of naast het gebouw, maar zo dicht mogelijk bij de koude gang. Met één kanaal blaast de LBK de koude lucht de koude gang in en zuigt de LBK de warme lucht uit de warme gang af. De LBK circuleert continue de lucht. Met een derde kanaal zuigt de LBK buitenlucht aan en draagt de koude via een kruisstroomwarmtewisselaar over aan de circulatielucht: indirecte luchtkoeling.

Als deze buitenlucht te warm is, wordt water in het kanaal ingebracht. Voor verdamping van het water is warmte nodig die het water aan de lucht onttrekt (adiabatische koelen). Na uitwisseling van de koude blaast de LBK de buitenlucht af naar de omgeving (het vierde kanaal).

D. Open koelsysteem (directe vrije luchtkoeling) met additionele indirecte adiabatische koeler

Bij deze optie is een luchtsysteem voor transport van koude aanwezig. Per koudegang is een luchtbehandelingskast aanwezig waarop twee kanalen zijn aangesloten. Met één kanaal blaast de LBK koude lucht de koude gang in en met het andere kanaal zuigt de LBK de warme lucht uit de warme gang af. Er is sprake van een open koelsysteem omdat de aangezogen buitenlucht eventueel na behandeling in de koude gang wordt geblazen. In de luchtbehandelingskast wordt de lucht als nodig indirect adiabatisch (na)gekoeld. Ook hier is een compressiekoelmachine aanwezig als back-up en voor de warme dagen.

Toepasbaarheid van vrije koeling in een datacenter

Deze maatregelen zijn, op natuurlijke momenten, toepasbaar in datacenters waar compressiekoelmachines de volledige koeling verzorgen.

• Er moeten gescheiden warme en koude gangen aanwezig zijn.
• Bouwkundig moet het mogelijk zijn om deze maatregel uit te voeren. Denk hierbij aan het gewicht van het systeem, dat door het dak gedragen moet worden, en er moet ruimte zijn voor luchtkanalen en overige installaties.
• Hoe hoger de koeltemperatuur hoe meer er gebruik gemaakt kan worden van vrije koeling. Een richtgetal is dat per graad stijging van de temperatuur van de koude gang circa 400 uur extra per jaar gebruik gemaakt kan worden van vrije koeling en de compressiekoelmachine dus 400 uur minder hoeft te draaien. Zie maatregel Verhoog temperatuur in serverruimte en datacenter.
• Mogelijkheden zijn afhankelijk van de uitgangssituatie: watergekoeld (optie A en B) of luchtgekoeld systeem (optie C en D).

Milieuaspecten: energiebesparing door vrije koeling in datacenter

Deze maatregel bespaart op het elektriciteitsverbruik van de compressiekoelmachine. Afhankelijk van de plek in Nederland (deze is van grote invloed op de gemiddelde temperatuur en luchtvochtigheid) en de gekozen optie kan 40 tot 100% op het elektriciteitsverbruik van de koelmachine worden bespaard.

Naar schatting kan bij een koelmachine van 36 kW_k per jaar 42.000 kWh worden bespaard (bron: EML 2023).

Financiële aspecten: wat kost vrije koeling in een datacenter

Vrije koeling toepassen kost per stuk (36 kW_k) op een zelfstandig moment naar schatting € 44.700 (materiaal) + € 11.500 (arbeid). En op een natuurlijk moment € 21.500 (materiaal). Deze maatregel verdient zich op een natuurlijk moment binnen vijf jaar terug. Bron: EML 2023. Hierbij is gerekend met € 0,21 per kWh en € 1,16 per m³ aardgas (excl. BTW)..

Subsidie voor vrije koeling van datacenter

Het gebruik van vrije koeling van serverruimten of bestaande datacenters staat op de energielijst (2024, code 220219) en komen daarom, onder voorwaarden, in aanmerking voor Energie Investerings Aftrek (EIA). Dit betekent dat je een extra bedrag ter grootte van 40% (2024) van het investeringsbedrag ten laste mag brengen van de winst.

Aanvullende informatie

###text:DBO_inleiding

Zie ook maatregel Alle energiemaatregelen voor serverruimte en datacenter. Dataopslag in de cloud is over het algemeen zuiniger dan in het eigen netwerk, zie maatregel Koop dataopslag duurzaam in.

Bronnen: Stichting Stimular, Erkende Maatregelenljst 2023 en Informatiebank