Elke server, GPU en switch in een datacenter zet elektriciteit om in warmte, en die warmte moet het gebouw verlaten zonder dat de IT-apparatuur te warm wordt. De koelmachine maakt die afvoer mogelijk. Hij produceert het gekoelde water dat de warmte uit de ruimte afvoert, en het ontwerp ervan bepaalt grotendeels hoeveel elektriciteit en water de hele faciliteit verbruikt om koel te blijven.
Voor operators en facility engineers is de praktische vraag zelden of een locatie een koelmachine nodig heeft. De vraag is eerder welk type koelmachine het beste past bij de belasting, het klimaat en de watervoorziening. Dit artikel blijft bij die beslissing en laat de chip-level loop buiten beschouwing., vloeistofkoeling voor datacenters, De koelvloeistofverdeeleenheid en de koelcyclus zelf zullen elk afzonderlijk worden besproken.
De rol van een chiller in de koelketen van een datacenter
Een datacenterchiller is de koelmachine die gekoeld water produceert en de warmte van het gebouw naar buiten afvoert. De benodigde capaciteit hangt af van de rackdichtheid en het klimaat waarin het datacenter zich bevindt. Binnen het gebouw vangen luchtbehandelingsunits in de computerruimtes, in-row units of een direct-to-chip koelcircuit de warmte van de apparatuur op en leiden deze naar een gekoeldwatercircuit. De chiller begint waar het water warm terugkeert en eindigt waar de warmte de buitenomgeving bereikt.
De koelmachine is slechts één schakel, niet de hele keten. De manier waarop deze de lucht uiteindelijk naar buiten transporteert, is precies wat de twee belangrijkste koelmachinefamilies van elkaar onderscheidt, en dat verschil is bepalend voor de meeste kosten en efficiëntie verderop in het proces.
Luchtgekoeld versus watergekoeld: het echte verschil zit hem in de warmteafvoer.
De termen 'luchtgekoeld' en 'watergekoeld' beschrijven waar een koelmachine zijn warmte naartoe stuurt, niet hoe de servers worden gekoeld. De juiste keuze hangt af van de beschikbaarheid van water en de piektemperatuur in de omgeving. Een faciliteit kan gekoeld water door het hele gebouw circuleren en toch 'luchtgekoeld' zijn, omdat de term verwijst naar de warmteafvoerfase en niet naar het serverrack zelf.
Een luchtgekoelde koelmachine voert warmte rechtstreeks af naar de buitenlucht via condensorbuizen en ventilatoren, waardoor er geen koeltoren nodig is en er in normale werking weinig tot geen water wordt verbruikt. Een watergekoelde koelmachine voert warmte af naar een condensor-watercircuit en een koeltoren, waar verdamping de uiteindelijke afvoer verzorgt. Het efficiëntievoordeel van waterkoeling is fysiek, niet marketingtechnisch: een koeltoren voert warmte af tegen de natteboltemperatuur van de buitenlucht, die lager is dan de drogeboltemperatuur waartegen een luchtgekoelde condensor moet werken, waardoor het koelmiddel bij een lagere temperatuur condenseert. De compressor verbruikt minder stroom.. Dat voordeel brengt wel continu watergebruik, waterzuivering en meer infrastructuur voor de waterzuiveringsinstallatie met zich mee.
| Dimensie | Luchtgekoelde koeler | Watergekoelde koeler |
|---|---|---|
| Uiteindelijke warmteafvoer | Buitenlucht via condensorbatterijen | Koeltoren via verdamping |
| Efficiëntie-aanjager | Beperkt door de drogeboltemperatuur | Voordelen van een lagere natteboltemperatuur |
| Waterverbruik | Minimaal tijdens normaal gebruik | Continu; vereist behandeling en doorblazen. |
| Omgevingsgevoeligheid | De capaciteit neemt af naarmate de buitentemperatuur stijgt. | Stabieler bij hoge omgevingstemperaturen |
| Fabrieksinfrastructuur | Compact en eenvoudiger te installeren | Toren, condensorcircuit, pompen, watersystemen |
| Normale pasvorm | Kleinere locaties, locaties aan de rand van gebieden of locaties met waterschaarste. | Grote centrale waterpartijen waar water beschikbaar is. |
Een veelvoorkomende fout bij het dimensioneren van een koelinstallatie schuilt in deze tabel. In warme, droge klimaten is de condensorzijde van een luchtgekoelde koelinstallatie het eerste onderdeel dat capaciteit verliest wanneer de omgevingstemperatuur in de zomer piekt. Een installatie die is gedimensioneerd voor een milde ontwerpdag schiet dan juist tekort op de dagen dat het er het meest toe doet. De verificatiestap die dit voorkomt, is het controleren van de ontwerptemperatuur aan de hand van de meest ongunstige lokale omstandigheden, en niet aan de hand van jaarlijkse gemiddelden.
Normen en beoordelingspunten om te controleren voordat u koelinstallaties vergelijkt.
Vergelijkingen tussen koelinstallaties zijn alleen zinvol aan de hand van vastgestelde normen, omdat de cijfers van twee fabrikanten niet vergelijkbaar zijn tenzij ze op dezelfde manier zijn gemeten. Controleer daarom, voordat u de prestaties van verschillende installaties met elkaar vergelijkt, waar elk cijfer vandaan komt.
- AHRI 550/590 (IP) of 551/591 (SI) Deze normen beoordelen in de fabriek geproduceerde waterkoelingssystemen op basis van de dampcompressiecyclus, zowel luchtgekoelde als watergekoelde units. Ze definiëren het rendement bij vollast in kW/ton (waarbij kW/ton ≈ 3,516 ÷ COP) plus het IPLV- en NPLV-rendement bij deellast. Let op de kanttekening in de norm zelf: IPLV vertegenwoordigt de gemiddelde prestatie van een enkele koelmachine, dus een gebouwspecifieke analyse voorspelt het werkelijke energieverbruik nauwkeuriger.
- ASHRAE-norm 90.4 De MLC is de energienorm voor datacenters en is van toepassing op faciliteiten met een geconditioneerde vloerdichtheid van meer dan 20 W/ft² en een IT-belasting van 10 kW. De norm beoordeelt de installatie aan de hand van de mechanische belastingcomponent (MLC), de verhouding tussen het energieverbruik voor koeling, ventilatoren, pompen en warmteafvoer en het energieverbruik van de IT-apparatuur. ASHRAE stelt dat de MLC niet direct gelijk is aan de PUE (Power Usage Effectiveness), dus beschouw de twee als afzonderlijke controles.
- ASHRAE TC 9.9 Thermische richtlijnen Stel de toegestane temperatuur- en vochtigheidsgrenzen voor de watertoevoer in. Deze bepalen hoe warm het gekoelde water mag zijn, wat op zijn beurt bepaalt hoeveel uren gratis koeling de locatie kan claimen.
- De PUE en WUE van het groene netwerk kader de afweging tussen energie en water die hieronder wordt besproken.
Een korte checklist voorafgaand aan de selectie voorkomt dat deze aspecten abstract worden: droge- en natteboltemperatuur op de ontwerpdag, beoogde aanvoer- en retourtemperaturen van het gekoelde water, kW/ton bij vollast en IPLV/NPLV onder de feitelijke omstandigheden op de locatie, redundantieniveau en het daaruit voortvloeiende aantal units, en de waterbegroting inclusief suppletie, spuien en behandeling.
De variabelen die bepalen welk type koelinstallatie het beste bij uw locatie past.
De keuze voor een koelmachine hangt af van een aantal onderling samenhangende locatievariabelen in plaats van één beste technologie. De koellast bepaalt het uitgangspunt: luchtgekoelde units worden doorgaans toegepast bij kleinere en middelgrote installaties, terwijl de grootste centrale installaties vaker watergekoeld zijn. De gepubliceerde bereiken variëren echter per fabrikant en het omslagpunt verschuift wanneer redundantie wordt toegepast. Het klimaat beïnvloedt de uitkomst vervolgens, omdat de capaciteit van luchtgekoelde systemen afneemt naarmate de drogeboltemperatuur piekt. Een lange, hete zomer zorgt er dus voor dat watergekoelde of hybride systemen minder geschikt zijn.
De beschikbaarheid van water is vaak de doorslaggevende factor. Waar water schaars, duur of gereguleerd is, vermijdt een luchtgekoeld of gesloten systeem de continue waterafname van de koeltoren en de daarmee gepaard gaande vergunningsproblemen. Hetzelfde geldt voor de ruimte en de constructie van de installatie: koeltorens, condensorleidingen en pompen vereisen ruimte en structurele ondersteuning, waardoor een beperkte dakruimte of een renovatieproject vaak de voorkeur geeft aan een zelfstandige, luchtgekoelde installatie. Redundantie versterkt dit alles, aangezien een N+1 of 2N-doelstelling het aantal units en de benodigde ruimte zodanig vergroot dat de goedkopere, enkele machine uiteindelijk minder kosten met zich meebrengt.
De terugkerende specificatiefouten vloeien rechtstreeks voort uit het overslaan van een van deze variabelen: dimensioneren op basis van alleen de IT-belasting in tonnen, valideren op basis van de gemiddelde in plaats van de piektemperatuur, de natteboltemperatuur negeren, de extra ruimte die redundantie in beslag neemt vergeten en nooit de daadwerkelijke retourwatertemperatuur van de koelarchitectuur controleren.
Vrije koeling en deellastgedrag, waar de energie daadwerkelijk naartoe gaat
Het werkelijke energieverbruik van een koelmachine wordt bepaald door de prestaties bij deellast en de uren dat er vrije koeling is. Deze zijn veel meer afhankelijk van het klimaat en de ingestelde temperatuur van het gekoelde water dan van het nominale rendement bij vollast. Datacenters draaien het grootste deel van het jaar op deellast, dus het gedrag bij 40 of 60 procent van de capaciteit is belangrijker dan de waarde bij 100 procent. IPLV is er juist om dat bereik te beschrijven.
Vrije koeling is de factor die een efficiënte installatie onderscheidt van een dure. Wanneer de buitentemperatuur voldoende laag is, kan een koelmachine de mechanische compressie verminderen of stoppen, waardoor het water door de omgeving wordt gekoeld. In gematigde klimaten bespaart dit de compressorenergie gedurende een groot deel van het jaar. Door de temperatuur van het gekoelde water te verhogen, wordt dit bereik vergroot, en goed gescheiden warme en koude gangen zorgen ervoor dat de installatie warmer kan draaien zonder de IT-apparatuur in gevaar te brengen.
De afweging zit hem in twee meetwaarden. PUE (Power Usage Effectiveness) is gelijk aan het totale energieverbruik van de installatie gedeeld door het energieverbruik van de IT-apparatuur, en WUE (Water Usage Effectiveness) is gelijk aan het jaarlijkse waterverbruik van de locatie gedeeld door het energieverbruik van de IT-apparatuur, uitgedrukt in liters per kWh. Een ontwerp kan op de ene waarde uitblinken en op de andere tekortschieten. Zo kan een watergekoelde installatie met een uitstekende PUE een hoge WUE hebben, wat ongeschikt is voor een regio met waterschaarste. Bij hybride installaties met lucht- en vloeistofkoeling kan PUE alleen ook een vertekend beeld geven. Daarom worden soms aanvullende metingen zoals de totale energie-efficiëntie toegevoegd. Het is belangrijk om vroegtijdig vast te stellen op welke meetwaarde de locatie daadwerkelijk wordt beoordeeld.
Hoe koelers en koeling op chipniveau de werkverdeling aanpassen naarmate racks dichter op elkaar komen te staan.
Naarmate de rackdichtheid de capaciteit van de omgevingslucht overschrijdt, voedt de koelinstallatie steeds vaker een vloeistofcircuit op chipniveau in plaats van direct koellucht te koelen. De rol als warmteafvoerende ruggengraat blijft echter onveranderd. Bij een directe koelinstallatie naar de chip, koude platen warmte opvangen bij de processor, een koelvloeistofverdeeleenheid Het systeem beheert de koelcyclus, en een koelmachine of droge koeler voert die warmte naar buiten af. De koelmachine bevindt zich nog steeds aan het einde van de keten.
Een randvoorwaarde wordt vaak verkeerd geïnterpreteerd: directe chipkoeling betekent niet automatisch kouder koelwater. Afhankelijk van het ontwerp van de koelplaat, de temperatuur van de chip-unit (CDU), het type koelvloeistof en de inlaatlimieten van de chip, maken sommige architecturen merkbaar hogere temperaturen van het koelwater of het secundaire circuit mogelijk. Dit kan de vrije koeling vergroten en de efficiëntie verbeteren. Deze hogere instelwaarden zijn architectuurspecifiek en geen universele ontwerpwaarden. Ze moeten daarom voor het daadwerkelijke circuit worden bevestigd in plaats van te worden aangenomen. Wat constant blijft, is dat de koelmachine moet worden afgestemd op de koelarchitectuur die hij bedient: dichtere racks en een specifieke koelvloeistoftemperatuur veranderen de conditie van het retourwater waarmee de fabriek te maken krijgt.
De beslissing over de koelmachine wordt weer afgestemd op de belasting die deze moet verwerken.
De keuze voor een koelmachine hangt af van drie onderling samenhangende variabelen: waar de warmte wordt afgevoerd, wat het klimaat en de watervoorziening toelaten, en hoe de belasting is opgebouwd voor redundantie. Lucht- of watergekoeld is een passende beslissing voor een specifieke locatie, bevestigd door de AHRI-gecertificeerde vollast- en deellastwaarden en een ASHRAE 90.4-analyse van de totale mechanische belasting, en niet door een kwaliteitsrangschikking.
Bij Trumonytechs bevindt ons werk zich aan de kant van de chip naar de koelvloeistof in deze keten, met behulp van koelplaten en thermische interfacematerialen die warmte die aan het circuit wordt toegevoerd, wordt uiteindelijk door de koelmachine afgevoerd. Vanuit dat perspectief blijkt één variabele steeds weer doorslaggevend te zijn, nog voordat een koelmachine is gespecificeerd: de retourwatertemperatuur, omdat deze de conditie van de verdamper van de koelmachine bepaalt, de beschikbare vrije koeluren, de temperatuur van de CDU-aanvoer en de temperatuur van de koelplaatinlaat die de chips daadwerkelijk zien. Als het koelcircuit op chipniveau wordt ontworpen met een optimistische koelvloeistoftemperatuur in gedachten, kan een correct gedimensioneerde installatie nog steeds problemen ondervinden.
Als u een koelarchitectuur afstemt op een koelinstallatie, is de volgende praktische stap het vaststellen van de droge- en natteboltemperatuur, de gewenste aanvoer- en retourtemperaturen van het gekoelde water en de redundantiegraad voordat u apparatuur gaat vergelijken. Wat de chip betreft, deel de warmtebelasting van de koelplaat, de TDP van de chip, het type koelvloeistof, de gewenste inlaat- en uitlaattemperaturen van de koelunit, de dikte en thermische geleidbaarheid van de thermische interface (TIM) en het drukverliesbudget. Ons engineeringteam kan u vervolgens helpen het koelontwerp op chipniveau af te stemmen op de warmteafvoerinstallatie die u plant.
FAQ
Worden de koelinstallaties in datacenters luchtgekoeld of watergekoeld?
Beide typen bestaan, en de benaming beschrijft hoe de koelmachine warmte afvoert naar de omgeving, niet hoe servers worden gekoeld. Luchtgekoelde koelmachines voeren warmte af naar de buitenlucht; watergekoelde koelmachines voeren warmte af naar een koeltoren. Veel luchtgekoelde datacenters circuleren nog steeds gekoeld water binnenshuis.
Wat is het verschil tussen een droge koeler en een luchtgekoelde koeler?
Een droge koeler voert warmte uit een vloeistofcircuit af naar de buitenlucht zonder eigen koelcyclus, waardoor de vloeistof alleen tot omgevingstemperatuur kan worden gekoeld. Een luchtgekoelde koelmachine bevat een dampcompressiecyclus en kan gekoeld water produceren dat kouder is dan de omgevingstemperatuur, wat een droge koeler niet kan. Veel compacte ontwerpen gebruiken droge koelers voor passieve koeling en een koelmachine voor de uren dat de omgevingstemperatuur te hoog is.
Gebruiken luchtgekoelde koelinstallaties water?
Luchtgekoelde koelinstallaties gebruiken in normale omstandigheden weinig tot geen water, wat hun grootste voordeel is in waterarme gebieden. Sommige modellen zijn voorzien van adiabatische of sproeivoorkoeling, waarbij alleen tijdens de warmste uren kleine hoeveelheden water worden gebruikt om de capaciteit te beschermen.
Kan directe chipkoeling gebruikmaken van warm water?
In veel gevallen wel, omdat de warmteafvoer bij de chip hogere koelvloeistoftemperaturen kan verdragen dan koeling met omgevingslucht. De haalbare temperatuur is afhankelijk van het ontwerp van de koelplaat, de temperatuur waarbij de chip de koelvloeistof binnenkomt, het type koelvloeistof en de maximale inlaattemperatuur van de chip. Dit moet daarom per architectuur worden bevestigd in plaats van zomaar aangenomen te worden.
Heeft een watergekoelde koelmachine altijd een betere PUE?
Niet altijd, want de PUE (Power Usage Effectiveness) is afhankelijk van het klimaat, de ingestelde waarden, het aantal uren vrije koeling en het type koelmachine. Een watergekoelde installatie is vaak energiezuiniger, maar kan een hoge WUE (Water Use Efficiency) hebben. In koele klimaten kan een luchtgekoelde installatie met veel uren vrije koeling dit verschil grotendeels compenseren.
Zijn koelinstallaties nog steeds nodig bij directe vloeistofkoeling van de chip?
Een koelmachine of een vergelijkbaar apparaat voor warmteafvoer is nog steeds nodig, omdat directe koeling van de chip de warmte weliswaar dichter bij de processor brengt, maar deze niet uit het gebouw verwijdert. De koelplaatlus en de koelvloeistofverdeler voeren de warmte terug naar de koelmachine, die deze vervolgens naar buiten afvoert.
