Koeling van datacenters

Doordat data-intensieve toepassingen, zoals kunstmatige intelligentie (KI) en IoT een explosieve groei doormaken, zijn zelfs de modernste datacentra waarin krachtige IT-apparaten met de hoogste dichtheid zijn geïnstalleerd, fysiek steeds minder in staat om de ontstane werklasten aan te kunnen.

In datacenters wordt het koelsysteem een centrale rol toebedeeld. Hier is het noodzakelijk de restwarmte van de servers af te voeren en de luchtvochtigheid te reguleren, zodat een effectieve gegevensbeveiliging wordt gewaarborgd. Daarvoor kan lucht, water of condensatie verbonden aan verdamping worden gebruikt. Het doel is om de bedrijfstemperatuur in een bepaald gebied met zo min mogelijk schommelingen constant te houden. De optimale temperatuur bedraagt doorgaans tussen de 22 en 25 graden Celsius. Tot 27 graden is ook mogelijk.

De koelsystemen van datacenters is wereldwijd een groeimarkt, die volgens MarketsandMarkets tegen 2025 zal toenemen tot 15,7 miljard Amerikaanse dollar.

Het thema duurzaamheid
Exploitanten van datacenters moeten niet alleen de veiligheid van gegevens en toepassingen waarborgen, maar ook een oogje in het zeil houden voor wat betreft duurzaamheid en efficiëntie. Tegen 2030 zullen datacenters naar verwachting tot acht procent van het wereldwijde elektriciteitsverbruik voor hun rekening nemen. Als je alleen al in termen van “kosten” denkt, is het begrijpelijk dat de energie-efficiëntie van datacenters zo’n belangrijk onderwerp is. Het maakt daarbij niet uit of het gaat om datacenters voor bedrijven, voor hyperschalige datacenters, voor datacenters op colocatie, voor cloudgebaseerde of voor edge-datacenters.

Een van de belangrijkste meetgrootheden voor duurzaamheid is de Power Usage Effectiveness (PUE), in het Nederlands: de effectiviteit van het stroomverbruik. Deze waarde is het resultaat van de verhouding tussen de totale energie die een datacenter nodig heeft en de energie die de IT-infrastructuur verbruikt om de gegevens te kunnen behandelen. Hoe dichter de waarde bij 1 ligt, des te efficiënter werkt een datacenter. Met de moderne technologie kunnen ondertussen waarden van minder dan 1,3 worden bereikt. Dat is alleen mogelijk met een betrouwbaar koelsysteem dat zo min mogelijk energie verbruikt.

Drie koelmethoden
In principe bestaan er drie soorten koeling in het datacenter: vrije koeling (direct en indirect, dus met warmtewisselaar), mechanische koeling (door middel van koelmiddel) en verdampings- of adiabatische koeling met behulp van water of waterdamp. Daarbij zijn de lucht- en vloeistofkoeling de populairste koelmethoden.

De koeling door middel van circulerende lucht binnen de ruimte is vooral geschikt voor kleinere of middelgrote datacenters. Een extra concept voor warme en koude gangen met een gesloten intern koelcircuit (Closed Coupled Cooling, CCC) zorgt voor maximale koelefficiëntie. Daarbij circuleert de koele lucht alleen in de apparaten of in de racks zelf. De laatstgenoemde methode wordt bijvoorbeeld gebruikt in de slimme modulaire datacenters (SMDC) van Datwyler. Deze is doorgaans efficiënter dan op de ruimte gebaseerde koelconcepten, omdat deze methode de compartimentering van de warme en koude gangen combineert.

Deze methode kan ook met vloeistofkoeling worden gerealiseerd. Vloeistof kan warmte beter geleiden dan lucht en is ook geschikt voor een grotere apparaatdichtheid en voor apparaten die meer dan gemiddeld veel warmte produceren, bijvoorbeeld in datacenters met hoge dichtheid. Ten opzichte van luchtkoeling is vloeistofkoeling een efficiënter en tijdens het gebruik goedkoper koelsysteem voor hyperschalige datacenters, vooral wanneer deze rechtstreeks bij de apparaten in het datacenter wordt geïnstalleerd die koeling het meest nodig hebben.

Vloeistofkoeling is een groeimarkt
Er wordt onderscheid gemaakt tussen twee hoofdsoorten vloeistofkoeling: immersiekoeling en waterkoeling. Bij immersiekoeling wordt het gehele elektrische apparaat in een gesloten systeem in een niet-ontvlambare diëlektrische vloeistof ondergedompeld (ook wel dompelkoeling genoemd). Of slangen zorgen ervoor dat de diëlektrische vloeistof rechtstreeks naar de chips of hoofdprintplaat wordt geleid.

Bovendien zijn er twee soorten immersiekoelsystemen: Bij de eenfasige immersiekoeling blijft de diëlektrische vloeistof na de warmteopname van de componenten in vloeibare toestand. De warmte wordt overgedragen op een warmtewisselaar en daar afgevoerd, de afgekoelde vloeistof wordt teruggevoerd naar het circulaire systeem. Bij de tweefasige immersiekoeling wordt daarentegen een diëlektrische vloeistof gebruikt die bij een relatief lage temperatuur (meestal tussen 50 en 60 graden Celsius resp. 122 en 140 graden Fahrenheit) kookt en in stoom verandert. De stoom stijgt op, condenseert op een koeloppervlak (bijv. een spiraalvormige buis), wordt weer vloeibaar en keert terug naar de tank. Beide koelmethoden zijn effectief; tweefasensystemen bieden echter vanwege de latente verdampingswarmte over het algemeen een hoger thermisch rendement.

Bij waterkoeling vindt het koelen ook rechtstreeks plaats op de chip – met alle genoemde voordelen. Deze methode is volgens marktwaarnemers in de mega-datacenters in opmars, vooral bij het koelen van servers, grafische processoren (GPU’s) en flashgeheugens. Rechtstreekse koeling met water werkt bij componenten als harde schijven, opslagtapes, noodstroomvoorzieningen en netwerkcomponenten namelijk nog niet zo goed.

De markt voor vloeistof- en immersiekoeling bereikt tegen 2030 vermoedelijk een volume van 2,5 miljard dollar.