Hoe werkt een datacenter?

Hoe de klimatisering van een datacenter werkt

EOLIOS is expert in warmteafvoer voor datacenters.

Met de groeiende hoeveelheid informatie en de toenemende automatisering van werkprocessen wordt de vraag naar de veiligheid van die informatie bij de ononderbroken werking van de servers steeds nijpender. Een falen op dit vlak kan alle bedrijfsactiviteiten stilleggen en tot zware verliezen leiden. Een van de belangrijkste voorwaarden voor een stabiele werking van de servers is het behoud van de optimale luchttemperatuur in het volume van de serverruimtes, bereikt met systemen die op precisieklimatisering.

Het beheer van een datacenter is energie-intensief: het koelsysteem verbruikt vaak evenveel (of meer) energie dan de computers die het bedient.

In dit artikel bekijken we enkele van de meest gebruikte koeltechnologieën voor datacenters, evenals de nieuwe benaderingen van CFD-simulatie.

Het ontwerp met koude en warme gangen

Dit is een opstelling van datacenterracks met afwisselende rijen van koude en warme gangen.

Vóór de racks wordt koude lucht ingebracht (doorgaans via roosters) zodat de servers lucht aanzuigen; de warme gangen voeren de warmte aan de achterzijde van de servers af. De luchtkanalen zijn doorgaans aangesloten op een verlaagd plafond dat de warme lucht uit de warme gangen opneemt om ze te koelen; de gekoelde lucht komt daarna in de koude gangen terecht, via een verhoogde vloer of via kanalen.

Lege serverposities moeten worden dichtgezet met blindpanelen, om oververhitting te voorkomen en de hoeveelheid koude lucht te beperken die verloren gaat. De leegte die door het ontbreken van servers ontstaat kan namelijk ongewenste luchtstromen veroorzaken door de drukverschillen tussen de warme en de koude zone; die ongewenste luchtverplaatsing is verloren energie.

Koudwatersysteem

Deze technologie wordt het meest toegepast in datacenters van middelgroot tot groot formaat.

De lucht in het datacenter wordt aangevoerd door luchtbehandelingssystemen, bekend als luchtbehandelingssystemen voor de serverruimte (CRAH), en gekoeld water (geleverd door een koelsysteem buiten de installatie) wordt gebruikt om de luchttemperatuur te verlagen.

Wat is het verschil tussen CRAC- en CRAH-units?

CRAC-units

CRAC-units werken zoals de airconditioners in woningen. Zij hebben een systeem met directe expansie en compressoren die rechtstreeks in de unit zijn ingebouwd. Zij koelen door lucht over een met koudemiddel gevulde warmtewisselaar te blazen; het koudemiddel blijft koud dankzij een interne compressor, en de overtollige warmte wordt afgevoerd via een mengsel van glycol, water of lucht. Terwijl de meeste CRAC-units slechts een constant volume leveren (aan/uit-werking), zijn er nieuwe modellen in ontwikkeling die het luchtdebiet laten variëren.

CRAC-units zijn op verschillende manieren te plaatsen, maar zij staan doorgaans tegenover de warme gangen van een datacenter. Daar blazen zij gekoelde lucht door de perforaties van de verhoogde vloer (roosters of geperforeerde vloertegels) en koelen zo de servers.

CRAH-units

CRAH-units werken als de koudwaterluchtbehandelingsunits die in de meeste kantoorgebouwen staan. Zij koelen door lucht over een warmtewisselaar te blazen die met koudwater is gevuld. Het gekoelde water wordt doorgaans geleverd door koudwatermachines — ook wel een koudwatercentrale genoemd. CRAH-units kunnen het toerental van de ventilator regelen om een vastgestelde statische druk aan te houden, zodat de vochtigheid en de temperatuur stabiel blijven.

Koudwater is te produceren met directe expansie of met droge koelers van het adiabatische type, die veel zuiniger zijn.

Wat is de optimale temperatuur van een datacenter?

Serverruimtes bevatten een mengsel van warme en koude lucht: de ventilatoren van de server blazen tijdens het bedrijf warme lucht uit, terwijl de klimatisering verse lucht aanvoert om die warme uitblaas te compenseren. Het bewaren van het juiste evenwicht tussen warme en koude lucht is altijd doorslaggevend geweest voor de beschikbaarheid van datacenters. Wordt een centrum te warm, dan loopt de apparatuur een hoger risico op uitval — met stilstand, gegevensverlies en omzetverlies.

In de jaren 2000 lag de aanbevolen temperatuurmarge op 20 tot 24 °C: de marge die ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) als optimaal aanbeval voor een maximale beschikbaarheid en levensduur van de apparatuur, met voldoende buffer bij uitval van de klimatisering.

Sinds 2005 zijn er nieuwe normen en betere apparatuur gekomen, met ruimere toleranties voor hogere marges: ASHRAE beveelt nu een aanvaardbare bedrijfsmarge aan van 18 tot 27 °C.

Hogere temperaturen aan de serveringang maken ook het gebruik van free cooling of free chilling (buitenlucht gebruiken om verse lucht in de ruimte te blazen of het water te koelen, in plaats van de koudwatermachine) veel aantrekkelijker, zeker in gematigde streken zoals Nederland en België. Met setpoints van 25 °C in de ruimte in plaats van 15 °C worden de perioden waarin free cooling zonder klimatisering volstaat aanzienlijk langer — wat aanzienlijke energiebesparingen oplevert en de PUE (Power Usage Effectiveness) verbetert. Hetzelfde geldt voor free chilling, dat vaker inzetbaar is om de waterkringen te koelen (setpoint op 15 °C in plaats van 7 °C).

De keerzijde van een te hoog setpoint

Helaas kunnen hogere bedrijfstemperaturen de reactietijd verkorten bij een snelle stijging door uitval van de koelunit. Een centrum waarvan de servers op hogere temperaturen draaien loopt het risico onmiddellijk meerdere hardwarestoringen tegelijk te ondervinden. De recente ASHRAE-voorschriften onderstrepen het belang van proactieve bewaking van de temperatuur in de serverruimtes.

Wat gebeurt er als het te warm wordt?

Loopt de temperatuur in het centrum te hoog op, dan kan de apparatuur gemakkelijk oververhitten, wat de servers kan beschadigen. Gegevens kunnen verloren gaan, met grote problemen voor de bedrijven die op de diensten van het datacenter vertrouwen. Daarom moet elk centrum beschikken over koelsystemen om een crisis- of onderhoudsperiode door te komen.

Wat gebeurt er bij uitval van de klimaatsystemen?

Afhankelijk van de geïnstalleerde vermogensdichtheid kan de luchttemperatuur in de serverruimte razendsnel oplopen. Bij simulaties van een storing zoals een stroomuitval zien wij doorgaans een stijging in de orde van 1 °C per minuut. Daaruit volgt een aanzienlijk risico op schade aan de apparatuur en gegevensverlies als de redundantie- en veiligheidssystemen niet goed zijn gedimensioneerd. Bovendien is de tijd die de compressoren nodig hebben om te herstarten en op vol vermogen te komen een aandachtspunt voor de veeleisendste hallen. Om de gevolgen uit te stellen bestaan er systemen met thermische massa die enkele minuten warmte kunnen opslaan om de temperatuurstijging af te vlakken.

Waarom een CFD-simulatie van een datacenter uitvoeren?

CFD-simulatie levert inzicht in het verband tussen de werking van de mechanische installaties en de wisselingen in de warmtelast van de IT-apparatuur. Met die kennis kunnen de IT-medewerkers en de medewerkers ter plaatse de efficiëntie van de luchtstroming optimaliseren en de koelcapaciteit maximaliseren.