Verstandig en efficiënt gebruik van opslagtanks voor thermische energie in datacenters

Door: Hessam Seifi

Abstract:  Continue koeling is een verplichte vereiste van het UPTIME Institute (UTI) voor de certificering van alle Tier-IV datacenters. Tanks voor de opslag van thermische energie (TES) zijn een veelgebruikte technische oplossing om de juiste buffer voor dit doel te leveren en om aan de UTI-vereiste te voldoen (TES-tanks worden ook aanbevolen door UTI en worden een standaard industriepraktijk voor alle Tier-III datacenters met IT-racks met hoge dichtheid. Er is echter veel meer dan continue koeling waarvan de eigenaars en exploitanten van datacenters kunnen profiteren om hun jaarlijkse bedrijfskosten te verlagen.

Thermische energieopslagtanks en de toepassing ervan in datacenters:

Continue koeling is een verplichte eis van het UPTIME Institute (UTI) voor alle Tier-IV datacenters. Tanks voor thermische energieopslag (TES) zijn in de meeste gevallen de beste manier om aan deze eis te voldoen (behalve voor ontwerpen met DX-units, bijv. CRAC in datacenters). Er moet dus worden voorzien in redundante TES-tanks met een gelijktijdig onderhoudbare en foutentolerante configuratie voor leidingen en regeling. Bovendien wordt het voorzien in TES-tanks in Tier III-datacenters sterk aanbevolen door UTI voor IT-racks met hoge dichtheid (meer dan 5 kW/rack) en wordt dit steeds meer overgenomen door vele eigenaars en exploitanten van datacenters om de veerkracht te vergroten.

In conventionele ontwerpen wordt gewoonlijk een grote stalen buffertank voorzien met voldoende capaciteit om de IT-apparatuur continu te koelen in geval van stroomuitval en totdat de generatoren (in het geval dat netstroom de belangrijkste energiebron is) worden opgestart en de koelmachines hun volledige koelcapaciteit hervatten.

Deze tanks zijn gewoonlijk omvangrijk, nemen ruimte in beslag en hebben hoge fabricagekosten, en worden toch maar een paar keer gebruikt tijdens de hele levensduur van een datacentrum; een slimmere manier zou echter zijn om het ontwerp enigszins te wijzigen en ze vaker (bijvoorbeeld dagelijks) te gebruiken in plaats van incidenteel, om de energie-efficiëntie en energiebesparing in datacentra te verbeteren, wat vervolgens zal resulteren in lagere operationele kosten

Het is duidelijk dat de hieronder voorgestelde toepassing in sommige gevallen niet van toepassing kan zijn en dit moet per geval voor elk project worden bestudeerd met betrekking tot de klimatologische omstandigheden, de temperatuurschommelingen overdag/'s nachts, de koellastprofielen, het bestaan van andere systemen voor vrije koeling en systemen zonder koelmachine in het ontwerp, enz.

In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, zijn de koellastprofielen van datacenters niet altijd vlak (100% vollast) en vertonen de werkelijke bedrijfsgegevens schommelingen (met pieken en dalen) in het koelprofiel, afhankelijk van de toepassing en de aard van de IT-belastingen; bovendien, zelfs als de koellast 100% vollast vertoont in sommige toepassingen, is het temperatuurprofiel NIET vlak en zullen we temperatuurschommelingen zien tijdens de dagen en nachten op de locatie; dit geeft de ontwerper een kans om de thermische energieopslag verstandiger te gebruiken en volledig te profiteren van alle voordelen ervan.

Gelaagde tanks voor de opslag van thermische energie zijn een uitstekende en zuinige (in vergelijking met batterijen) manier om energie vast te houden in de vorm van gekoeld water; door gebruik te maken van deze schommelingen in de koellastprofielen en de omgevingstemperatuur (droge/natte bol) kunnen we de tank voor de opslag van thermische energie opladen tijdens uren waarop:

• het koelsysteem kan efficiënter werken (minder kW/TR)
• er is een toename van de koelcapaciteit van de koelmachine (lage droge/natte boltemperatuur)
• de vraag naar koeling is laag (koelmachines werken op deellast)

en ontladen wanneer:

• koelsysteem is minder efficiënt (hoog kW/TR)
• de koelcapaciteit van de koelmachine is lager (hoge droge/natte boltemperatuur)
• de vraag naar koelbelasting is piekbelast (één of meer koelmachines kunnen volledig worden uitgeschakeld en nog steeds aan de piekbelasting voldoen)

Deze ontlaad-/laadmodi kunnen altijd volledig worden geautomatiseerd met behulp van SCADA/PLC om de meest optimale en efficiënte bedrijfstoestand te garanderen. 

Eventuele extra kapitaalkosten als gevolg van de verhoogde capaciteit van de TES en het automatiseringssysteem kunnen voor elk project worden bestudeerd met behulp van financiële modellen om de levensvatbaarheid en het rendement van de investering aan te tonen, die kunnen worden gecompenseerd door de jaarlijkse besparing op het elektriciteitsverbruik.

Aan de eis van het UTI-niveau voor continue koeling kan nog steeds worden voldaan met gebruikmaking van dezelfde tank om ervoor te zorgen dat de tanks NOOIT worden geloosd beneden de minimumdrempelcapaciteit (door het thermocline-niveau in de tank te bewaken) die de minimumcapaciteit is die vereist is om altijd in de tank te blijven voor "continue koeling".

Ontwerpnota's en voordelen:

• De TES-tank heeft een capaciteit van 4 uur voor de opslag van volledige koelcapaciteit, vergeleken met de 10 tot 15 minuten van de huidige gebruikelijke praktijk. Dat wil zeggen dat een datacenter met een IT-belasting van 4.000 kW doorgaans 5.200 tot 5.600 KW (1,3 tot 1,4 x IT-belasting) aan koelcapaciteit nodig heeft en dat de thermische opslagcapaciteit dus 4 uur x 5.600 kW = 22.400 kWh of 6.370 ton/uur moet zijn.
• Wordt momenteel gebruikt voor continue koeling via speciale kleinvermogen-koudwaterpompen die zijn aangesloten op de UPS.
• Vergeleken met buffertanks levert deze een stabielere koelwatertoevoertemperatuur voor ongeveer 80% tot 90% van het tankvolume.
•  Moet overgedimensioneerd zijn en gebruikt worden in de dagelijkse routine om 's nachts gekoeld water te produceren en deellast werking van de koelmachines te vermijden.
• Bij voorkeur open naar atmosfeer en ten minste 2 m hoger dan de hoogste CRAH-, FCU- of AHU-batterij.
• Deze kunnen in de kelder worden geplaatst, maar vereisen ingewikkelde sustaining valves' en speciale pompen en regelingen.
• Kan onder druk worden gezet, maar vereist dikker staal en kritisch ontwerp van de diffuser. De ervaring is ontoereikend en het gebruik is uiterst zeldzaam.
• De koude en warme diffusoren hebben elk een hoogte van 450 mm nodig en de thermocline is typisch 600 mm hoog, zodat ongeveer 1,5 m van de hoogte van water Colum onbenut blijft.
• De warmteverliezen bedragen ongeveer 1% per dag en vereisen muren, bodem en dakisolatie van ten minste 100 mm dik.
• Extra wateropslag kan worden gebruikt als brandbeveiligingsopslagtanks (afhankelijk van plaatselijke voorschriften en regelgeving)
• De atmosferische tank dient als expansievat en als drukregelaar.

Phase-Change-Material (PCM) TES-tanks:

Net als water hebben materialen met faseverandering een hoge latente smeltwarmte, maar bij verschillende vriespunten (-40 °C tot +46 °C).

PCM's met vriespunten in het bereik van 9 °C tot 20 °C hebben goede mogelijkheden in datacentertoepassingen, vooral door hun grote energieopslagcapaciteit bij een kleiner volume. Het volume van een PCM-opslagtank kan 3-4 keer kleiner zijn dan dat van een wateropslagtank, waardoor hij veel minder ruimte in beslag neemt.

Om een en ander verder te bevestigen en op grotere schaal toe te passen, zijn echter uitgebreidere studies en concrete veldresultaten en tests vereist.

Conclusie:

Er is een potentieel voor ontwerpers, eigenaars en beheerders om de utility efficiency en de PUE van hun datacenters verder te verbeteren door gebruik te maken van het dagelijks laden en ontladen van de thermische energie opslagtanks, maar zorgvuldig onderzoek en studie is vereist in het project haalbaarheids- en conceptuele ontwerpstadium alvorens voor een dergelijke oplossing te kiezen. Toekomstige vooruitgang in automatisering, met name machine learning, zal zeker een impact hebben op meer optimalisatie van een dergelijk systeem door het voorspellen van de belastingsprofielen en trends en het beste scenario van laad/ontlaad cycli met betrekking tot interne en externe factoren.