Keuze van AI-vloeistofkoelingspompen voor datacenters
Een facilitaire ploeg voegt twee rijen GPU-racks toe aan een bestaande hal. De rackdichtheid stijgt van 12 kW luchtkoeling naar 80 kW vloeistofkoeling met directe chipkoeling. De installateur kiest een pomp uit de catalogus die overeenkomt met het nominale debiet op het gegevensblad van de CDU, sluit deze aan op de secundaire kringloop en gaat ervan uit dat de klus geklaard is.
Zes weken later is de doorstroming in de leiding bij het verste verdeelstuk te laag, draait de pomp op volle toeren aan het einde van zijn curve en stijgen de inlaattemperaturen telkens wanneer een tweede CDU in bedrijf wordt genomen.
Het kiezen van een pomp op basis van alleen het nominale debiet is de meest voorkomende fout bij AI-vloeistofkoelingsprojecten. Een pomp levert haar catalogusdebiet niet zomaar; ze levert het debiet dat de systeemcurve toestaat bij de opvoerhoogte die ze kan produceren. Dat betekent dat het werkpunt moet worden afgeleid uit het volledige hydraulische circuit — koelplaten, verdeelstukken, slangen, filters, kleppen, warmtewisselaars en leidingen — over het realistische werkingsbereik, niet alleen het ontwerppunt op een zonnige dag.
In deze handleiding wordt de selectiemethode uitgelegd die bij de inbedrijfstelling standhoudt.
Belangrijkste opmerkingen
- Het werkpunt wordt bepaald door het snijpunt van de pompkarakteristiek en de systeemkarakteristiek, en niet alleen door de spreadsheet met de warmtebelasting.
- AI-koelcircuits zijn doorgaans gelaagd: een installatiewatersysteem (FWS), een technologisch koelsysteem (TCS) of secundair circuit, en CDU’s die het direct-to-chip-circuit op rackniveau afschermen.
- Het pomptype, de materialen en de afdichtingen moeten geschikt zijn voor de koelvloeistof — behandeld water, propyleenglycolmengsels of diëlektrische vloeistoffen gedragen zich allemaal anders.
- N+1-redundantie en regeling via een frequentieregelaar (VFD) zijn standaard bij AI-regelkringen; bij de dimensionering moet ervoor worden gezorgd dat elke pomp over het gehele belastingsbereik dicht bij zijn optimale rendementspunt (BEP) blijft.
- De NPSHa moet ruimschoots hoger zijn dan de NPSHr, en het werkingsbereik moet in overeenstemming zijn met het minimale continue debiet van de pomp.
Breng het koelcircuit in kaart voordat u een pomp kiest
AI-vloeistofkoeling werkt zelden met slechts één hydraulische kringloop. Een typische opzet bestaat uit drie kringlopen:
- Watervoorzieningssysteem voor gebouwen (FWS): een open of gesloten condenswatercircuit dat koelmachines, koeltorens of droge koelers met platenwarmtewisselaars verbindt. Bij open koeltorencircuits doen zich problemen voor met opgeloste zuurstof, biologische aangroei en kalkaanslag, die uitvoerig worden behandeld in de Hoofdstuk over condensatiewatersystemen van ASHRAE.
- Technologisch koelsysteem (TCS): een gesloten secundaire kringloop waarin behandeld water of een water-glycolmengsel tussen de warmtewisselaar en de primaire zijde van de CDU circuleert. Gesloten kringlopen hebben een voorspelbare chemische samenstelling en vertonen minder vervuiling.
- CDU-secundaire / rack-lus: De koelverdeeleenheid scheidt dit circuit hydraulisch van het TCS en levert nauwkeurig geregelde koelvloeistof via rackverdeelstukken aan coldplates die rechtstreeks op de chip zijn aangesloten. Leveranciers van CDU’s zoals CoolIT publiceert de bereiken voor doorstroming, druk en temperatuur aan de secundaire zijde die bepalend zijn voor de keuze van de pomp binnen de unit en, indirect, aan de TCS-zijde.
Elke kringloop heeft zijn eigen koelvloeistof, drukklasse, materialen en toegestaan temperatuurbereik. Hetzelfde pompmodel is zelden geschikt voor alle drie. Voor open condensor-watertoepassingen hebben pompen met bronzen afdichtingen of volledig ijzeren pompen met mechanische afdichtingen die geschikt zijn voor belucht water de voorkeur; gesloten secundaire circuits met glycol met remmers maken doorgaans gebruik van roestvrijstalen inline- of split-case-pompen.
Door "de koelpomp" als een op zichzelf staand keuzevraagstuk te beschouwen, ontstaat er apparatuur die te groot of te klein is.
De Hoofdstuk uit het ASHRAE-handboek over HVAC in datacenters is de referentie voor de randvoorwaarden, redundantieklassen en temperatuurinstelwaarden die in deze regelkringen worden gebruikt.
Stap 1: Bereken de warmtebelasting en het benodigde debiet
Ga uit van de thermische belasting van de IT-apparatuur die de koelkring moet afvoeren, niet van het nominale vermogen op het typeplaatje van het rack. Bij direct-to-chip-koeling gaat een deel van het totale vermogen van het rack naar de vloeistofkringloop en de rest nog steeds naar de lucht. De leverancier van de CDU of cold-plate publiceert de vloeistofzijde-opvangratio voor elk platform; gebruik hun cijfer in plaats van uit te gaan van 100%.
De vereiste volumestroom wordt afgeleid uit de standaardverhouding voor voelbare warmte:
Q (warmte) = m × cp × ΔT
waarbij ΔT het temperatuurverschil tussen aanvoer en retour in het circuit is waarop de CDU de regeling afstemt. Reken dit om naar volumestroom met behulp van de dichtheid van de koelvloeistof bij bedrijfstemperatuur. Twee opmerkingen:
- ΔT is een ontwerpkeuze, geen constante. Een grotere ΔT zorgt voor een lagere doorstroming en een lager pompvermogen, maar verhoogt de temperatuur van het retourwater en de chip. Stem dit af op de limiet voor de inlaattemperatuur van de GPU-leverancier en het opbrengstvermogen van de koelinstallatie.
- Bij glycolmengsels neemt de cp af naarmate het glycolgehalte toeneemt, waardoor voor dezelfde warmtebelasting een hogere massastroom nodig is dan bij zuiver water.
Zodra de doorstroming per CDU en per circuit is ingesteld, moet u rekening houden met variatie. Niet elk rack draait tegelijkertijd op maximaal vermogen, maar AI-trainingsworkloads zijn veel minder divers dan traditionele bedrijfs-IT. Veel beheerders ontwerpen met een gelijktijdige piek van 100% op het vloeistofcircuit.
Stap 2: Bepaal de totale dynamische opvoerhoogte
De totale dynamische opvoerhoogte (TDH) is de som van alle drukverliezen die de pomp bij het ontwerpdebiet moet overwinnen:
Drukvalelement | Typische medewerker |
|---|---|
Wrijving in rechte buizen | Lengte, diameter, viscositeit van de vloeistof, ruwheid |
Fittingen en afsluiters | Bochtstukken, T-stukken, regelkleppen, afsluitkleppen, zeefkorf |
Warmtewisselaar | Plaat-en-frame-systeem op FWS/TCS-interface |
De primaire kant van de CDU | Interne leidingen, regelkleppen, filtratie |
Verdeelstukken en slangen | Rij- en rekverdeelstukken, snelkoppelingen, druppelvrije koppelingen |
Koelplaten | Drukval per server bij nominaal debiet |
Filtratie | Zak-, patroon- of zijstroomfilters |
Statische lift | Alleen in open circuits met hoogteverschillen |
Gesloten circuits vervoeren geen netto statische opvoerhoogte — wat omhoog gaat, komt weer naar beneden — maar elk onderdeel zorgt nog steeds voor wrijving. Voer de berekening element voor element uit met behulp van drukvalcurves van leveranciers; pas geen algemene "20%-veiligheidsfactor" toe op een willekeurig gekozen getal. Het overdimensioneren van de TDH verschuift het werkpunt naar links van het BEP en verspilt continu energie gedurende de levensduur van de installatie.
Het werkpunt is het punt waar de systeemcurve (een parabool die deze verliezen weergeeft) de pompcurve snijdt. Kies een pomp waarvan het BEP op of iets rechts van het ontwerpwerkpunt ligt, zodat de deellastwerking onder VFD-regeling nog steeds binnen het voorkeurswerkingsgebied valt (meestal 70%–120% van het BEP voor de meeste centrifugaalpompen).
Stap 3: Controleer de eigenschappen en materialen van de koelvloeistof
De keuze van het koelmiddel is bepalend voor zowel de hydraulica als de metallurgie:
- Behandeld water met corrosieremmer: laagste viscositeit, hoogste soortelijke warmte, bij voorkeur te gebruiken wanneer vorstbescherming niet nodig is.
- Mengsels van propyleenglycol en water (20%–40%): Dit komt vaak voor wanneer droge koelers of economizers in de buitenlucht het risico lopen te bevriezen. Bij lage temperaturen neemt de viscositeit sterk toe, waardoor de opvoerhoogte van de pomp stijgt en de systeemkarakteristiek verschuift. Controleer de TDH opnieuw bij de laagst verwachte bedrijfstemperatuur, en niet alleen bij de ontwerpcondities.
- Diëlektrische vloeistoffen (in onderdompelings- of achterdeurvarianten): een geheel andere dichtheid en viscositeit; bij het bepalen van de pompgrootte en de keuze van de afdichting moeten de richtlijnen van de vloeistoffabrikant worden gevolgd.
De materiaalcompatibiliteit heeft betrekking op de onderdelen die in contact komen met het medium (waaier, behuizing, as, slijtringen) en de afdichting. Mechanische afdichtingen moeten geschikt zijn voor de chemische samenstelling van het koelmiddel, het additievenpakket en de temperatuur; sommige remmers tasten EPDM-elastomeren aan, andere tasten koolstofoppervlakken aan. Voor gesloten circuits met een laag zuurstofgehalte worden vaak roestvrijstalen binnenonderdelen en standaard mechanische afdichtingen gebruikt.
Voor systemen met open condensatorwater wordt in het hierboven gelinkte ASHRAE-hoofdstuk over condensatorwater beschreven welke chemische maatregelen nodig zijn om pompen van brons en gietijzer in goede staat te houden.
Filtratie vóór de pomp is van belang: koelplaten met microkanalen van minder dan een millimeter vereisen fijne filtratie op de secundaire CDU, en de drukval van de zeef moet in de TDH-berekening worden meegenomen in de vervuilde toestand, niet in de schone toestand.
Stap 4: Redundantie en regeling met variabele snelheid toevoegen
AI-trainingsclusters kunnen geen onderbrekingen in de koeling verdragen. Twee werkwijzen zijn vrijwel algemeen gangbaar:
- N+1 (of 2N) redundantie: Dimensioner de pompen zodanig dat bij uitval van één pomp nog steeds aan de ontwerpcapaciteit wordt voldaan. Bij twee pompen in parallel, elk met een vermogen van 100%, kan elke pomp de belasting dragen. Bij drie pompen van 50% moeten er twee draaien; bij uitval van één pomp daalt de capaciteit naar 100% zonder reserve. De configuratie beïnvloedt hoe elke pomp zich op de curve bevindt bij normale en failover-omstandigheden — controleer het BEP in beide gevallen.
- Regeling via een frequentieregelaar: Pompen met variabel toerental zijn tegenwoordig de norm voor gesloten secundaire circuits. De CDU regelt het debiet om de aanvoertemperatuur op peil te houden, en de pomp volgt zijn curve bij lagere snelheden. Affiniteitswetten zorgen voor grote energiebesparingen bij deellast, mits de pomp niet onder zijn minimale continue debiet daalt of in een gebied terechtkomt waar de motor zichzelf niet kan koelen. Grundfos en anderen publiceren richtlijnen over intelligente pompsystemen voor datacenters waaronder snelheidsregeling, parallelle sequentiëring en lead-lag-rotatie.
Parallelle pompen verdelen de opvoerhoogte evenredig, maar niet het debiet; hun gecombineerde curve wordt vlakker. Bij het dimensioneren voor een N+1-opstelling moet u de gecombineerde curve naast de systeemcurve uitzetten voor zowel de n- als de n+1-bedrijfsmodus, om te controleren of het debiet en de opvoerhoogte binnen de beoogde waarden vallen.
Stap 5: Controleer de NPSH, het minimale debiet en het werkingsbereik
Drie controles maken het verschil tussen een goed werkende selectie en een selectie die cavitatie vertoont of vastloopt:
- NPSHa versus NPSHr: De netto beschikbare zuighoogte — bepaald door de atmosferische druk (druk in de expansietank van het gesloten circuit), de dampdruk van de vloeistof bij bedrijfstemperatuur, de verliezen aan de zuigzijde en het hoogteverschil — moet bij het nominale debiet groter zijn dan de vereiste NPSH van de pomp, met een marge (vaak 3–5 ft of volgens de fabrikant). Zowel het verpompen van heet retourwater als locaties op grote hoogte hebben een negatieve invloed op de NPSHa.
- Minimale continue doorstroming: Elke centrifugaalpomp heeft een minimumdebiet waaronder recirculatie, opwarming en trillingen schadelijk worden. Bij een sterke vermogensregeling via de frequentieregelaar kan de pomp bij lichte belasting onder dit minimumdebiet komen. Stel daarom een minimumtoerental in of zorg voor een recirculatiepad.
- Werkbereik op de curve: controleer of alle verwachte bedrijfsomstandigheden — ontwerp, minimale belasting, failover, koude start met glycol met hoge viscositeit — binnen het door de fabrikant aanbevolen werkingsbereik vallen.
De inbedrijfstelling maakt het plaatje compleet: meet de werkelijke doorstroming, opvoerhoogte en motorvermogen bij verschillende frequentieomvormersnelheden, vergelijk deze met de voorspelde systeemcurve en stel de balancerkleppen af. Permanente instrumentatie (debiet, drukverschil over CDU's, zuig- en persdruk van de pomp, motorvermogen in kW) levert gegevens aan het BMS, zodat verslechteringen — vervuilde filters, defecte waaiers, afwijkende kleppen — zichtbaar worden voordat ze tot een thermisch incident leiden.
Een praktische checklist voor het kiezen van een pomp
Stap | Te beantwoorden vraag | Uitvoer |
|---|---|---|
1 | Welke lus moet ik op maat maken: FWS, TCS of CDU secundair? | Lusgrens, koelvloeistof, drukklasse |
2 | Welke warmtebelasting en ΔT verwerkt de kringloop tijdens piekbelasting? | Ontwerpstroom per pomp |
3 | Wat is de berekende TDH per element? | Systeemcurve |
4 | Welk koelmiddel, welk temperatuurbereik en welke chemische samenstelling zijn van toepassing? | Materiaal, afdichting, specificaties elastomeer |
5 | Welke redundantieklasse en welk besturingsschema zijn vereist? | Aantal pompen, specificaties frequentieregelaar |
6 | Waar ligt het belastingpunt ten opzichte van het BEP? | Pompmodel en waaierafstelling |
7 | Is de NPSHa in het slechtst denkbare geval voldoende? | Aanzuigconfiguratie, druk in het expansievat |
8 | Wat zijn het minimale debiet en het regelbereik? | VFD-ondergrens voor lage snelheid, vereisten voor recirculatie |
9 | Hoe worden de prestaties gecontroleerd en gemonitord? | Inbedrijfstellingsplan, BMS-punten |
FAQs
Kan ik hetzelfde pompmodel gebruiken voor zowel de FWS als de secundaire kringloop van de CDU?
Meestal niet. Het FWS werkt vaak met een open condensatiewatersysteem met beluchting, chemische behandeling en hogere doorstromingen bij een bescheiden drukverschil, terwijl het secundaire circuit van de CDU een gesloten, met remmers behandeld circuit is met een nauwkeurigere temperatuurregeling en fijnere filtratie. De gebruikte materialen, afdichtingen en de vorm van de krommingen komen zelden volledig overeen.
Hoeveel marge moet ik bij de TDH optellen?
Bereken de TDH op basis van de werkelijke drukvalgegevens van de componenten bij het ontwerpdebiet en bij een vervuild filter. Het toevoegen van een blinde 15%–25%-factor daarbovenop is een veelvoorkomende oorzaak van te grote pompen die links van het BEP draaien. De marge hoort thuis in specifieke elementen (bijv. dP van de zeef bij verstopping), niet als vermenigvuldigingsfactor.
Heb ik ergens nog een pomp met constant toerental nodig?
Pompen met een constant toerental blijven een redelijke keuze voor eenvoudige condensor-watercircuits met koelmachines met een vast toerental en een constante belasting. Voor AI-koelcircuits met een variabele IT-belasting is regeling via een frequentieregelaar de standaardoplossing.
Hoe ga ik in de selectiesoftware om met de viscositeit van glycol?
Voer de werkelijke vloeistofeigenschappen in bij de laagst verwachte bedrijfstemperatuur, niet bij 20 °C. Veel selectietools accepteren het glycolpercentage direct; is dat niet het geval, pas dan de viscositeitscorrectiefactoren toe die de pompfabrikant publiceert.
Welke rol speelt de CDU bij de keuze van een pomp?
De CDU scheidt het circuit aan de rackzijde van het TCS, stelt de toevoertemperatuur naar het rack in en bevat zijn eigen interne pompen. De TCS-pomp houdt alleen rekening met de drukval aan de primaire zijde van de CDU, niet met het circuit van de koelplaat. Het door elkaar halen van deze twee aspecten bij de berekening is een veelgemaakte fout.
Conclusie
Een onderbouwde pompkeuze voor AI-vloeistofkoeling berust op drie uitgangspunten: definieer elke kringloop afzonderlijk, stel de systeemcurve op basis van actuele componentgegevens op en toets het werkpunt aan de pompcurves in elke relevante bedrijfsmodus — ontwerp, deellast, failover en koude start. Stem materialen en afdichtingen af op de koelvloeistof, controleer de NPSH en minimale doorstroming, en rust de lus uit met meetapparatuur zodat de uiteindelijke afstemming wordt bepaald door inbedrijfstellingsgegevens, niet door aannames.
Als dit in die volgorde gebeurt, komt de pomp dicht bij het BEP terecht, heeft de frequentieregelaar ruimte om te regelen en kan de koelinstallatie het bijhouden wanneer de volgende reeks GPU’s in gebruik wordt genomen.