Free cooling in datacenters: efficiënte koeltechnologie uitgelegd

Met elke nieuwe generatie servers nemen de thermische belastingen binnen datacenters verder toe. Daardoor stijgen ook de eisen aan koelconcepten en energieprestaties. Of het nu gaat om free cooling, direct-to-chip cooling, immersion cooling of andere koeltechnologieën: moderne datacenters vereisen oplossingen die tegelijk betrouwbaar, energie-efficiënt en economisch rendabel zijn.

Volgens het International Energy Agency (IEA) vertegenwoordigt koeling vandaag tussen 7% en meer dan 30% van het totale elektriciteitsverbruik van veel datacenters. Door de opkomst van AI-servers, GPU-clusters en steeds compactere rackarchitecturen blijft dit aandeel verder stijgen.

Tegelijkertijd neemt ook de regulatorische druk rond energie-efficiëntie toe. Datacenteroperatoren en ontwerpers moeten daarom oplossingen implementeren die:

• energie besparen,
• piekvermogens beperken,
• en een stabiele temperatuurregeling garanderen.

Binnen deze context wint free cooling steeds meer aan belang. Deze technologie maakt gebruik van lage buitentemperaturen om koeling te realiseren met minimale mechanische ondersteuning. Een relatief eenvoudig principe met een bijzonder groot efficiëntiepotentieel.

De belangrijkste principes samengevat

• Free cooling gebruikt lage buitentemperaturen om het energieverbruik van datacenterkoeling aanzienlijk te verlagen.
• Het temperatuurverschil tussen buitenlucht, koelmedium en de vereiste IT-temperaturen bepaalt rechtstreeks de efficiëntie van het systeem.
• In de praktijk wordt free cooling meestal toegepast als onderdeel van hybride koelinstallaties, aangevuld met mechanische koeling.
• Directe en indirecte free cooling verschillen fundamenteel op vlak van ontwerp, efficiëntiepotentieel en afhankelijkheid van de locatie.
• Het ontwerp van de watergebonden infrastructuur en de leidingsystemen bepaalt in sterke mate hoe efficiënt free cooling toegepast kan worden.

Definitie: free cooling en de belangrijkste principes

Free cooling maakt gebruik van lage buitentemperaturen om warmte uit het datacenter af te voeren met weinig of zelfs zonder inzet van compressor-gebaseerde mechanische koeling.

Het temperatuurverschil speelt hierbij een cruciale rol. Enkel wanneer:

• de buitenlucht,
• of het recooling-medium

kouder is dan het interne koelcircuit, ontstaat een bruikbare thermische gradiënt waarmee warmte efficiënt kan worden afgevoerd.

In tegenstelling tot klassieke koelinstallaties in datacenters — waarbij compressoren continu elektrische energie verbruiken — werkt free cooling met een aanzienlijk lager energieverbruik.

Afhankelijk van de klimaatzone kan free cooling een groot deel van de koelbehoefte opvangen, vooral:

• tijdens tussenseizoenen,
• in winterperiodes,of ’s nachts.

Free cooling vervangt mechanische koeling echter niet volledig, maar functioneert als aanvulling op traditionele koeltechnologieën.

Moderne installaties schakelen daarom dynamisch tussen:

• free cooling,
• en mechanische koeling,

afhankelijk van:

• de buitentemperatuur,
• de belasting van het datacenter,
• en het actuele koelvermogen dat vereist is.

Operationele voordelen van free cooling

• Aanzienlijke vermindering van het gebruik van compressoren
• Merkbaar lager energieverbruik en verbeterde PUE-waarden binnen het datacenter
• Lagere thermische belasting van koelcomponenten
• Stabielere temperatuurregeling binnen kritische IT-omgevingen

Hoe free cooling werkt in een datacenter

Koelconcepten binnen datacenters kunnen gebaseerd zijn op:

• luchtkoeling,
• waterkoeling,
• of hybride systemen.

Free cooling functioneert hierbij als een bijkomende bedrijfsmodus waarbij koude buitenlucht of een extern koelmedium wordt gebruikt om warmte uit het datacenter af te voeren met een minimaal energieverbruik.

Drie centrale componenten bepalen de werking van het systeem:

• Buitenlucht of een extern medium dat fungeert als natuurlijke warmteafvoer
• Warmtewisselaars die warmteoverdracht mogelijk makenRecoolers of dry coolers die warmte afgeven aan de omgeving

Lucht- en watergebaseerde systemen

Bij luchtgebaseerde systemen wordt buitenlucht rechtstreeks of onrechtstreeks ingezet voor de koeling van het datacenter.

Watergebaseerde systemen maken gebruik van een secundair koudwatercircuit dat de warmte uit de serverruimtes transporteert naar:

• recoolers,
• dry coolers,
• of externe koelinstallaties.

Bij lage buitentemperaturen kunnen deze systemen warmte bijzonder efficiënt afvoeren zonder intensief gebruik van mechanische koeling.

Slimme regeling en dynamische omschakeling

Moderne free cooling installaties maken gebruik van:

• sensortechnologie,
• temperatuurmetingen,
• en intelligente regelalgoritmes.

Hierdoor kan het systeem automatisch en vloeiend schakelen tussen:

• free cooling,
• en klassieke mechanische koeling,

afhankelijk van:

• de buitentemperatuur,
• de IT-belasting,
• en de actuele koelvraag binnen het datacenter.

Klimaattechnische voorwaarden voor free cooling in datacenters

De efficiëntie van free cooling wordt sterk bepaald door de klimatologische omstandigheden. In gematigde Europese klimaatzones kunnen — afhankelijk van locatie en systeemontwerp — jaarlijks meerdere duizenden uren free cooling gerealiseerd worden.

Het bepalende element hierbij is het temperatuurverschil tussen:

• de buitentemperatuur,
• de retourtemperatuur van het koelmedium,
• en het vereiste temperatuurbereik van de IT-infrastructuur.

Hogere aanvoertemperaturen en warmer koelwater

In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, hoeft een serverruimte vandaag niet extreem koud te zijn om betrouwbaar te functioneren.

Moderne servers kunnen probleemloos werken met hogere aanvoertemperaturen van het koelmedium. Hierdoor ontstaat een groter zogenaamde “free cooling window”.

Uitgebreid free cooling window

Het free cooling window verwijst naar de periode waarin free cooling mogelijk is met weinig of zonder mechanische koeling.

Hoe hoger de toegelaten temperatuur van het koelmedium, hoe groter deze periode wordt.

Concreet betekent dit:

• Wanneer koelwater tot 12 °C gekoeld moet worden, kan free cooling enkel functioneren bij buitentemperaturen rond 10 °C of lager.
• Wanneer koelwater daarentegen 25 °C mag bedragen, blijft free cooling mogelijk bij buitentemperaturen tot ongeveer 22 °C.

Daardoor vergroot het aantal operationele uren waarin free cooling inzetbaar is aanzienlijk.

Het resultaat:

• langere free cooling periodes,
• lager energieverbruik,
• en een grotere potentiële energiebesparing.

Mechanische koeling blijft noodzakelijk als back-up

Ondanks de hoge efficiëntie volstaat free cooling niet onder alle klimatologische omstandigheden.

Bij hoge zomertemperaturen — bijvoorbeeld rond 35 °C — kan buitenlucht onvoldoende koelcapaciteit leveren. Tijdens dergelijke periodes nemen mechanische koelinstallaties met compressoren het koelproces over.

Deze systemen functioneren vergelijkbaar met klassieke airconditioningsystemen, maar verbruiken aanzienlijk meer energie.

Hybride werking als standaard binnen moderne datacenters

In de praktijk werken datacenters vrijwel nooit met slechts één koelmodus.

Moderne installaties maken gebruik van hybride koelstrategieën waarbij:

• free cooling,
• en mechanische koeling

dynamisch gecombineerd worden.

Bij lage buitentemperaturen wordt free cooling maximaal benut. Naarmate de buitentemperatuur stijgt, ondersteunt de mechanische koeling geleidelijk het systeem, totdat deze bij extreme warmte volledig de koelcapaciteit overneemt.

Het verschil tussen directe en indirecte free cooling

Binnen free cooling bestaan twee hoofdconcepten. Beide systemen verminderen de belasting van mechanische koelinstallaties en dragen zo rechtstreeks bij aan een lager energieverbruik en een betere PUE-waarde.

• Directe free cooling: gefilterde en geconditioneerde buitenlucht wordt rechtstreeks in de serverruimte ingebracht.
• Indirecte free cooling: buitenlucht en datacenterlucht blijven van elkaar gescheiden via warmtewisselaars of recoolers.

Directe free cooling in datacenters: voordelen en beperkingen

Bij directe free cooling wordt gefilterde buitenlucht rechtstreeks gebruikt om de serverruimte te koelen.

Hierdoor zijn:

• minder secundaire koelcircuits nodig,
• minder warmtewisselaars vereist,
• en daalt het energieverbruik van de koelinstallatie aanzienlijk.

Voordelen van directe free cooling

• Hoge energie-efficiëntie bij lage buitentemperaturen
• Minder complexe koelinstallaties
• Lagere compressorlooptijden
• Lager energieverbruik van ventilatoren
• Potentieel zeer lange free cooling periodes in geschikte klimaatzones

Beperkingen en aandachtspunten

De luchtkwaliteit vormt bij directe free cooling de belangrijkste uitdaging.

Fijnstof, industriële emissies, vocht of zoutdeeltjes kunnen:

• IT-componenten beschadigen,
• corrosie veroorzaken,
• of de betrouwbaarheid van het datacenter beïnvloeden.

Daarom zijn volgende maatregelen essentieel:

• Hoogperformante luchtfiltratie (bijvoorbeeld volgens ISO 16890)
• Nauwkeurige vochtigheidsregeling
• Continue monitoring van stof- en pollutantenniveaus
• Stabiele luchtstromen en drukregeling binnen de serverruimte

Indirecte free cooling in datacenters: warmtewisselaars als centrale schakel

Bij indirecte free cooling blijven de buitenlucht en de datacenteromgeving volledig van elkaar gescheiden.

Warmtewisselaars, recoolers of adiabatische systemen voeren de warmte uit het datacenter af naar een extern koelmedium. Tegelijk ontstaat hierdoor de mogelijkheid om restwarmte te recupereren en opnieuw te gebruiken, bijvoorbeeld binnen lokale district heating netwerken of stedelijke warmtenetten.

Voordelen van indirecte free cooling

• Constante en contaminatievrije luchtkwaliteit binnen de IT-omgeving
• Hoge operationele betrouwbaarheid, onafhankelijk van de locatie
• Goede integratie binnen watergebaseerde koudwatersystemenCompatibiliteit met moderne liquid cooling concepten

Beperkingen en technische aandachtspunten

Warmtewisselaars functioneren enkel efficiënt wanneer voldoende temperatuurverschil aanwezig is tussen:

• het interne koelcircuit,
• en het externe koelmedium.

Wanneer dit temperatuurverschil te klein wordt, daalt het aandeel free cooling en moet mechanische koeling het systeem ondersteunen.

Daarnaast hebben ook hydraulische parameters een directe invloed op de prestaties, zoals:

• debiet,
• pompvermogen,
• en drukverliezen binnen het systeem.

Stabiele en energie-efficiënte werking op lange termijn

Wanneer indirecte free cooling correct ontworpen wordt, laat deze technologie een stabiele, betrouwbare en energie-efficiënte werking toe gedurende het volledige jaar.

Directe free cooling is doorgaans vooral geschikt in regio’s met:

• droge,
• propere,
• en stabiele buitenlucht.

Indirecte systemen bieden daarentegen meestal meer betrouwbaarheid binnen:

• stedelijke omgevingen,
• industriële zones,
• of locaties met verhoogde luchtverontreiniging.

Vereisten voor leidingsystemen en integratie binnen datacenterkoeling

Een permanent energie-efficiënte werking van een datacenter is enkel mogelijk wanneer:

• het gebouwontwerp,
• de prestaties van recoolers,
• de regelstrategie,
• en het leidingsysteem

volledig op elkaar afgestemd zijn.

Binnen indirecte free cooling systemen vormt het watergebaseerde secundaire circuit de ruggengraat van de volledige koelinstallatie. Dit circuit is essentieel voor de beschikbaarheid van het datacenter en moet gedurende vele jaren grote hoeveelheden warmte betrouwbaar kunnen transporteren — ook onder wisselende temperatuur- en drukomstandigheden.

Vereisten voor leidingsystemen binnen free cooling toepassingen

Leidingsystemen binnen datacenterkoeling moeten:

• permanent druk- en temperatuurbestendig zijn,
• corrosie, afzettingen en materiaalveroudering vermijden,
• warmteverliezen minimaliseren,
• en duurzame, lekvrije verbindingen garanderen.

Waarom PP-R en PP-RCT bijzonder geschikt zijn

PP-R en PP-RCT leidingsystemen beantwoorden uitstekend aan deze vereisten.

Ze combineren:

• corrosievrije eigenschappen,
• een laag gewicht,
• hoge thermische stabiliteit,
• en homogene verbindingstechnologie via polyfusie.

Daardoor ontstaan duurzame en volledig lekvrije verbindingen zonder mechanische koppelingen of dichtingen.

Deze eigenschappen maken PP-RCT niet alleen geschikt voor nieuwe datacenterprojecten, maar ook voor renovatie- en retrofitomgevingen waar:

• bedrijfszekerheid,
• lange levensduur,
• en minimale onderhoudskosten

van cruciaal belang zijn.

Conclusie: de rol van free cooling in het datacenter van de toekomst

Free cooling is vandaag uitgegroeid tot een strategisch onderdeel van moderne datacenterinfrastructuren. De technologie verlaagt het energieverbruik, ontlast mechanische koelinstallaties en creëert stabiele thermische bedrijfsomstandigheden binnen kritische IT-omgevingen.

Het volledige potentieel van free cooling komt echter pas tot zijn recht wanneer alle componenten binnen het koelsysteem perfect op elkaar afgestemd zijn. Daarbij moeten:

• het koelcircuit,
• het secundaire waternet,
• de leidingsystemen,
• de sensortechnologie,
• de recoolers,
• en eventuele warmterecuperatie

als één geïntegreerd geheel functioneren.

Eén zaak staat vast: free cooling zal een centrale rol spelen binnen de volgende generatie datacenters. Niet als vervanging van mechanische koeling, maar als een intelligente bedrijfsmodus die energieverbruik verlaagt, piekbelastingen opvangt en de volledige koelketen efficiënter maakt.

Samen de volgende stap definiëren

aquatherm ondersteunt u bij het analyseren van de rol van leidingsystemen binnen uw koelconcept en bij het evalueren van de beschikbare technische oplossingen.

Of het nu gaat om free cooling, hogere bedrijfstemperaturen, hybride koelstrategieën of liquid cooling infrastructuren,

samen bepalen we de juiste materiaalkeuze, het optimale systeemontwerp, en de meest efficiënte installatiemethode voor uw project.