Cool bleiben im Norden - Extrem effiziente Kühlsysteme und Rechenzentren

: Emma Beresford

Geschäftsentwicklungsmanagerin bei EcoCooling Ltd.

Kostenlose Kühlung und eine Fülle an kohlenstoffarmer Wasserkraft macht die Arktis zu einem rentablen Standort für Rechenzentren. In diesem Beitrag möchte ich erklären, wie EcoCooling das Klima im preisgekrönten Hydro66 Rechenzentrum in Boden, Schweden, ausnutzt.

Im fernen Norden in Schweden gab es kürzlich einen Anstieg bei Investitionen in Rechenzentren, darunter Hydro66 in Boden und Facebook in Luleå. Der offensichtliche Grund dafür ist das kalte Klima, das die kostenlose Kühlung unterstützt und so die erheblichen Kosten für die Wärmeabfuhr moderner Rechenzentren reduziert.

Dieser Artikel beschreibt, wie Hydro66 ein direktes Frischluft-Kühlsystem implementiert hat, das durch Verdunstungskühlung unterstützt wird, um eines der effizientesten Rechenzentren der Welt hervorzubringen. Andere Faktoren in dieser Region können die Kapital- und Betriebskosten eines Rechenzentrums reduzieren und werden auch erörtert.

Hydro66 hat vor kurzem die erste Phase eines 20 MW Rechenzentrums in Boden, das zusammen mit den Städten Luleå, Älvsbyn und Piteå die Node Pole Alliance gebildet hat, abgeschlossen und bezogen. Das Ziel dieser Organisation ist es, die großen natürlichen Ressourcen dieses Gebietes zu nutzen, um Rechenzentrumsinvestitionen zu gewinnen. Die wichtigsten Vorteile sind die kostengünstige Kühlung und Energie und die nahezu unbegrenzte Kapazität der erneuerbaren Energie und die Netzinfrastruktur, um große Zentren zu unterstützen.

Ein wichtiges Ziel von Hydro66 war es, das Rechenzentrum so zu entwerfen, dass es bei einem Power Usage Effectivness (PUE) Wert - das Verhältnis der Gesamtenergiemenge, die von einem Rechenzentrum verwendet wird, im Vergleich zur Energie, die das Computerequipment benötigt - von weniger als 1,05 betrieben werden kann. Das konnte nur mit Frischluftkühlung, unterstützt durch die effizienteste unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und Stromverteilung, erreicht werden,

Boden liegt auf dem 66. Breitengrad und ist demgemäß kalt, mit einer Rekordtieftemperatur von -40 ° C und einer maximalen Temperatur von 32 ° C, obwohl es selten über 25 ° C hat. In diesem Klima kann ein einfaches Lüftungssystem für die meiste Zeit verträgliche Temperaturen aufrechthalten, aber in den wenigen Fällen, in denen die Umgebungstemperatur 25 ° C übersteigt, ist ein zusätzliches Kühlsystem erforderlich. Die Möglichkeiten hierfür sind Kaltwasser, Direct Expansion (DX) und direkte oder indirekte Verdunstungskühlung.

Ein gut entworfenes Kaltwassersystem kann sehr effizient, aber teuer sein. Es ist auch nur für größere Kühllasten geeignet. Der Markt für ein Rechenzentrum wie Hydro66 ist "Colocation", wo Ausrüstung, Raum und Bandbreite zur Vermietung an Privatkunden zur Verfügung stehen. Die endgültigen Kühllasten sind zum Zeitpunkt der Errichtung nicht bekannt, so dass es unmöglich ist, die notwendige Größe eines Kaltwassersystem abzuschätzen, um eine unbekannte Belastung zu berücksichtigen.

Das IT-Equipment ist üblicherweise in 600 mm breiten Racks untergebracht, und die Rack-Lasten können je nach Art des Equipments zwischen 2 kW und 15 kW liegen. Darum wählen die meisten Rechenzentren die DX-Möglichkeit; Einheiten von bis zu 100 kW Kühllast können in modularer Weise hinzugefügt werden, was die Kühllast berücksichtigt, wenn die Computerracks belegt sind.

Indirekte Kühlung ist die nächste Möglichkeit. Die Außenluft passiert eine Seite eines Wärmetauschers und die Heißluft aus dem Zentrum passiert die andere Seite. Die entzogene Wärmemenge hängt von der Außentemperatur ab. An warmen Tagen wird die Umgebungsluft (Außenluft) adiabatisch mit befeuchteten Pads oder Sprays abgekühlt und - an sehr heißen Tagen – wird zur Erhaltung verträglicher Bedingungen eine DX-Coil hinzugefügt.

Der offensichtliche Hauptvorteil eines indirekten Lüftungssystems besteht darin, dass keinerlei Verunreinigungen der Außenluft in das Rechenzentrum gelangen. Weil indirekte Kühlsysteme große Wärmetauscher benötigen, ist das Equipment groß und kann teuer sein. Außerdem haben die Planungsbehörden von Boden, im Fall von Hydro66, Lösungen ohne Außenanlage bevorzugt.

Hydro66 hat sich für die Verwendung eines direkten Entlüftungssystems, ergänzt um Verdunstungskühlung (EcoCooling ECT10800 Nordic Range Coolers), entschieden. Das Gerät ist modular aufgebaut und im Inneren montiert, wodurch Planungsprobleme vermieden wurden. Für die Luftbewegung werden elektronisch kommutierte (EC) Axialventilatoren eingesetzt, weil sie leichter anzubringen sind und weniger Platz benötigen als Radialventilatoren. Bei sehr niedrigem Druck erreichen Axialventilatoren auch größere Durchflussraten und Druck und ihre Motoren sind effizient, leise und verfügen über einfache Geschwindigkeitsregler.

Die Effizienz eines Lüfters ist etwa proportional zum Kubik der Geschwindigkeit. Rechenzentren benötigen eine Redundanz von N + 1, 2N oder 2 (N + 1), also wird das Equipment mit Teilkapazität betrieben. Durch die Steuerung aller EC-Ventilatoren als Gruppe - und die Reduzierung der Luftstrommenge auf die für das IT-Equipment erforderliche – konnte der Stromverbrauch der Ventilatoren reduziert werden, was zu einer bemerkenswerten Effizienz führte.

Im Durchschnitt benötigt 1 MW IT-Ausrüstung einen Luftstrom von 90 m3/s Luft bei entsprechenden Temperaturen. Ein Belüftungssystem, das auf EC-Axialventilatoren basiert, kann bei einem Energieverbrauch der Ventilatoren von ca. 40 kW 1 MW Kühlleistung bieten. Das erhöht den PUE-Wert des Rechenzentrums um 0,04. Wenn es - wie im Fall von Hydro66 - in Verbindung mit einer rotierenden USV-Lösung (ein von einem Elektromotor angetriebenes Schwungrad) verwendet wird, bei dem die Verluste <1 % sind, wird ein PUE-Wert von 1,05 erreicht. Da das Rechenzentrum sowohl über Redundanz als auch Ersatzkapazität verfügt, wird die Lüftungsrate reduziert und es werden weitere Einsparungen vorgenommen. Läuft zum Beispiel ein Ventilator mit 80 % der Leistung, reduziert das den Energieverbrauch um die Hälfte und bei 50% auf 12,5 %.

Hydro66 verwendet konstant ein intelligentes Steuerungssystem, um den Energieverbrauch der Ventilatoren zu optimieren, um den tatsächlichen Kühlbedarf in einer dynamischen Umgebung zu berücksichtigen. An wärmeren Tagen wird die adiabatische Kühlung aktiviert, wodurch die Temperatur der Zuluft gesenkt wird, um die Feuchtkugeltemperatur der Umgebungsluft zu erreichen. In Boden bedeutet das, dass die Zuluft nie wärmer ist als 22 ° C, was allen Standards entspricht, ohne dass zusätzliche mechanische Kühlung benötigt wird. Die Verwendung der adiabatischen Kühlung erhöht den Feuchtigkeitsgehalt, während die Trockenkugeltemperatur verringert wird, wodurch die relative Luftfeuchtigkeit erhöht wird.

Bezugnehmend auf die thermischen Richtlinien der ASHRAE 2011 verursacht eine hohe relative Feuchtigkeit (RH) normalerweise nur bei anderen Luftverunreinigungen Korrosion. Wenn Gase wie Schwefel oder Chlor in der Umgebungsluft sind, können diese bei einer hohen RH, Korrosion verursachen. Boden verfügt über "saubere" Luft, weil es keine lokale Industrie gibt, die Verunreinigungen produziert.

Die Kombination von hoher RH und Staub oder Partikeln kann auch Probleme verursachen, so dass jegliche Zu- und Umlaufluft gefiltert wird. Bei relativ sauberen Bedingungen, wie denen in Boden, ist EU4 ein geeigneter Filtrationsgrad. Eine Erhöhung kann zu einem deutlichen Anstieg der Kapitalkosten, des Wartungsbedarfs und des Energieverbrauchs der Ventilatoren führen.

Ein direktes Frischluftsystem, das in der kältesten Zeit des Jahres unter arktischen Bedingungen arbeitet, kann im Rechenzentrum zu einer sehr niedrigen RH führen. Eine niedrige RH, in Verbindung mit anderen Faktoren, kann zu Problemen durch elektrostatische Entladung (ESD) führen, die das IT-Equipment beschädigen kann. Das Hydro66 Kühlsystem verfügt über eine Rezirkulationsschleife, bei der - bei niedrigen RH-Bedingungen - die Warmluft aus dem Rechenzentrum über die adiabatischen Pads geleitet wird, um die Luft über den vom ASHRAE 2011 thermischen Leitfaden zulässigen Wert von 20 % zu befeuchten. Diese neuartige Lösung nutzt daher die adiabatischen Pads für zwei Funktionen – zur Kühlung bei heißem und zur Befeuchtung bei kaltem Wetter.

Hydro66 hat ein kostengünstiges, flexibles Rechenzentrum erbaut, das einen PUE-Wert von weniger als 1,05 erreicht hat. Das direkte Frischluft-Kühlsystem rundet die Geschäftsstrategie mit einem modularen System ab, das diese fortschrittliche Entwicklung unterstützt.

Für weitere Informationen zu EcoCooling Nordic Grade Coolers oder eine Kostenanalyse für Ihre Anlage kontaktieren Sie bitte sales@ecocooling.org.