Wat zijn koelpompen voor datacenters?

Koelpompen voor datacenters die gekoeld water en vloeistofkoelcircuits van water voorzien

Een datacenter wordt niet door één enkele pomp gekoeld. Het wordt gekoeld door meerdere pompgroepen die in serie werken, waarbij elke groep warmte over een andere grens in de thermische keten afvoert: van de server naar de ruimte, naar de koelmachine en uiteindelijk naar buiten. Om inzicht te krijgen in de koelpompen van een datacenter, moet je eerst die grenzen begrijpen en vervolgens de pompfunctie afstemmen op de kringloop die deze bedient.

Niet elke faciliteit maakt gebruik van alle groepen. Een kleine edge-locatie met kant-en-klare DX-units heeft mogelijk bijna geen procespompen, terwijl een hyperscale-campus met vloeistofgekoelde GPU-hallen wel vier of vijf verschillende pompsystemen parallel kan laten draaien. In de onderstaande paragrafen wordt uitgelegd waar pompen worden ingezet, hoe hun functies verschillen en wat er verandert wanneer racks overschakelen van luchtkoeling naar vloeistofkoeling.

Belangrijkste opmerkingen

• Een koelsysteem voor een datacenter bestaat uit een reeks kringlopen, en elke kringloop heeft doorgaans een eigen pompgroep nodig die is afgestemd op het debiet, de opvoerhoogte en de temperatuur van die kringloop.
• De meest voorkomende groepen zijn koelwaterpompen, condensatorwaterpompen, pompen voor de koelvloeistofverdeelunit (CDU) en de secundaire kringloop, en warmteafvoer- of economizerpompen.
• Vloeistofkoeling op rackniveau (direct-to-chip of onderdompeling) vervangt de pompen van de faciliteit niet; er wordt een secundaire kringloop met een lage temperatuurstijging aan toegevoegd, die de warmte nog steeds afvoert naar het watersysteem van de faciliteit (FWS).
• Bij de keuze van een pomp spelen het debiet, de totale dynamische opvoerhoogte, de beschikbare NPSH, de waterkwaliteit en de wijze waarop het circuit wordt geregeld een rol, en niet alleen het nominale vermogen.
• Betrouwbaarheid wordt gewaarborgd door redundantie (N+1 of 2N), regeling via een frequentieregelaar (VFD), een uitgebalanceerde chemische samenstelling van het schone water en pompen die kunnen worden onderhouden zonder de belasting te onderbreken.

De rol van pompen in de koelketen van datacenters

Warmte in een datacenter wordt via een reeks kringlopen naar buiten afgevoerd. Servers geven warmte af aan de omgevingslucht of aan een koelplaat. Die warmte wordt vervolgens opgenomen door een CRAH-spiraal of een CDU-warmtewisselaar en doorgegeven aan een koelwaterkringloop.

De koelwaterkringloop voert het water naar de verdamper van de koelmachine. De koelmachine voert de warmte af naar een condensorwaterkringloop, die deze afvoert naar een koeltoren, droge koeler of adiabatische eenheid, waar de warmte aan de omgevingslucht wordt afgegeven. In de economizermodus kunnen delen van deze keten worden omzeild wanneer de buitenomstandigheden dit toelaten.

Elke overgang tussen lussen vormt een gesloten of open hydronisch circuit, en elk circuit heeft een pompset nodig die is afgestemd op de specifieke toepassing. Die van Grundfos’ inleiding tot de koeling van datacenters loopt door dit gelaagde overzicht, en dat van ASHRAE’s hoofdstuk uit het handboek over HVAC in datacenters beschouwt elke lus als een afzonderlijk ontwerpprobleem. In de onderstaande tabel, ingedeeld op basis van functies, worden de gebruikelijke groeperingen samengevat.

Pompgroep	Loop geserveerd	Open of gesloten	Typische taak	De warmtebron die het waarneemt
Primair gekoeld water	Koelmachine-verdampersysteem	Gesloten	Constante of vrijwel constante doorstroming bij een lage opvoerhoogte	Terugkeer uit CRAH’s / CDU’s
Secundair gekoeld water	Verdeling over CRAH’s en CDU’s	Gesloten	Variabel debiet, matige tot hoge opvoerhoogte	Koelunits voor ruimtes en rekken
Condenswater	Condensor van de koelmachine naar de koeltoren	Open (torens)	Hoog debiet, matige opvoerhoogte met statische opvoerhoogte	Condensor van de koelmachine
CDU / TCS middelbaar onderwijs	Koelsysteem op rackniveau	Gesloten	Lage opvoerhoogte, kleine ΔT, gezuiverd water	Koelplaten of dompeltanks
Warmteafvoer / economizer	Droge koelers, adiabatische units, vrijkoelingsspiraal	Gesloten of open	Variabel, afhankelijk van het weer	Warmtewisselaar voor buitengebruik

Belangrijkste soorten koelpompen voor datacenters

Koudwaterpompen

Koudwaterpompen vervoeren koud toevoerwater van de koelinstallatie naar de koelunits in de serverruimte en voeren het warmere water weer terug. De meeste grote faciliteiten splitsen dit proces op in twee fasen.

De primaire koelwaterpompen voorzien de verdampers van de koelmachines van water. Ze draaien doorgaans op een constant toerental of hebben een beperkt regelbereik, omdat koelmachines een voorspelbare doorstroming door de verdamper nodig hebben om efficiënt te blijven werken en bevriezingsuitschakelingen te voorkomen. De vereiste opvoerhoogte is bescheiden, aangezien de leidingkort is en de koelmachinecilinder het belangrijkste wrijvingselement vormt.

Secundaire koelwaterpompen pompen water via de verdeelbuizen naar de primaire zijden van CRAH’s, CRAC’s en CDU’s. Deze kringloop kent een variabele belasting: een rij die voor de helft bezet is, verbruikt minder debiet dan een rij waarop AI-trainingtaken op vol vermogen worden uitgevoerd. Secundaire pompen zijn vrijwel altijd uitgerust met frequentieregelaars en worden aangestuurd op basis van de drukverschil bij de hydraulisch op afstand gelegen unit, zodat het debiet de werkelijke koelbehoefte volgt.

De totale dynamische opvoerhoogte is hier hoger dan in de primaire kringloop vanwege de lange leidingtrajecten, regelkleppen en drukverliezen in de spiraal.

Bij een (ontkoppelde) primaire-secundaire opstelling worden de twee kringlopen via een gemeenschappelijke leiding van elkaar gescheiden, zodat een variabele secundaire doorstroming de koelmachines niet uit balans brengt. Bij sommige nieuwere ontwerpen wordt gebruikgemaakt van een variabele primaire doorstroming met een bypass voor minimale doorstroming, waardoor één set pompen kan worden weggelaten, maar een nauwkeurigere regeling vereist is.

Condensatiewaterpompen

Condensatorwaterpompen verpompen warm water vanuit de condensatoren van de koelmachines naar de koeltorens en weer terug. Dit is doorgaans een open systeem: het water staat in het bassin van de koeltoren in contact met de buitenlucht, waardoor de pompen zowel wrijvingsverlies als de statische opvoerhoogte van het waterpeil in het bassin tot aan de sproeikoppen of het verdeelplatform moeten overwinnen.

Omdat het circuit open is, zijn twee ontwerppunten van groter belang dan bij gesloten systemen. Ten eerste moet de beschikbare NPSH ruimschoots hoger zijn dan de vereiste NPSH, vooral wanneer de torens slechts iets boven de pompen staan. Ten tweede is de waterkwaliteit slechter: stof uit de lucht, biologische groei en opgeloste vaste stoffen concentreren zich naarmate het water verdampt, waardoor pompen van corrosiebestendige materialen moeten zijn gemaakt en de kringloop moet worden gefilterd en chemisch behandeld.

ASHRAE’s Hoofdstuk over condenswaterinstallaties gaat uitgebreid in op de dimensionering, de gebruikte materialen en de waterbehandeling voor deze systemen.

Condenswaterpompen zijn doorgaans centrifugaalpompen met zijdelingse aanzuiging of met gesplitste behuizing, die zijn ontworpen voor een hoog debiet bij een matige opvoerhoogte. Ze worden vaak in series ingezet: één pomp per in bedrijf zijnde koelmachine, plus ten minste één reservepomp.

CDU- en secundaire-luspompen

Wanneer racks gebruikmaken van direct-to-chip-vloeistofkoeling of dompelkoeling, verlaat de warmte het rack niet in de vorm van warme lucht, maar als warm water of diëlektrische vloeistof. Tussen het watersysteem van de faciliteit (FWS) en het technologische koelsysteem (TCS) bevindt zich een koelvloeistofverdeelunit. Binnenin de CDU draagt een warmtewisselaar met gesoldeerde platen of een mantel-en-buis-warmtewisselaar de warmte over van het TCS naar het FWS, en zorgt een speciale pompset voor de circulatie aan de TCS-zijde.

Deze pompen zien er anders uit dan pompen in andere installaties. Het debiet per kilowatt is hoog, maar de opvoerhoogte is laag, omdat de TCS-leidingen kort zijn en de koelplaten zijn ontworpen met specifieke drukverliezen. ΔT is klein (vaak 5–10 °C), dus elke afname in het debiet vertaalt zich onmiddellijk in een stijging van de chip-temperatuur. De waterchemie wordt streng gecontroleerd: gedeïoniseerd of behandeld water, soms met propyleenglycol, gefilterd tot een grootte van enkele microns om de microkanaal-koelplaten te beschermen.

Redundante pompen in de CDU behoren tot de standaarduitrusting; deze zijn doorgaans zo geconfigureerd dat één pomp kan uitvallen of worden onderhouden terwijl de andere de volledige belasting opvangt. Dankzij de regeling met variabel toerental wordt het TCS-debiet aangepast aan de IT-belasting, zodat ΔT binnen het ontwerpbereik blijft.

Warmteafvoer- en economizerpompen

Niet alle warmte wordt via een koelmachine afgevoerd. Veel installaties maken gebruik van economizers aan de waterzijde, droge koelers of adiabatische koelers om warmte rechtstreeks aan de omgeving af te voeren wanneer de natte- of droge-boltemperatuur dit toelaat. Deze circuits beschikken over hun eigen pompgroepen.

Een economizer aan de waterzijde maakt doorgaans gebruik van een plaat-en-kader-warmtewisselaar die parallel aan de koelmachine is aangesloten. Wanneer de buitentemperatuur laag genoeg is, koelt het condensatiewater (of een aparte glycolkringloop) de gekoeldwaterkringloop zonder dat de compressoren hoeven te draaien. De condensatiewaterpompen kunnen deze taak blijven vervullen, of er kan een speciale economizerpomp worden geïnstalleerd.

Droogkoeler- en adiabatische-koelerkringen zijn gesloten glycolcircuits met eigen pompen, die zijn gedimensioneerd voor de dag met de meest ongunstige omgevingsomstandigheden. Aangezien deze pompen het hele jaar door bij wisselende belastingen kunnen draaien, zijn regeling via een frequentieregelaar en getrapte werking standaard. Grundfos heeft een reeks pompen voor datacenters zowel voor gekoeld water als voor warmteafvoer.

Hoe de vereisten voor pompen veranderen bij vloeistofkoeling

Luchtgekoelde en vloeistofgekoelde hallen stellen heel verschillende eisen aan pompen. In een luchtgekoelde installatie werken CRAH's op gekoeld water met een aanvoertemperatuur van ongeveer 7–12 °C, en bij de keuze van de pomp speelt de lange distributielengte naar vele kleine spoelen een doorslaggevende rol. De ΔT over de spoel bedraagt doorgaans 5–7 °C, waardoor het debiet per kilowatt hoog is.

Vloeistofkoeling verandert het beeld op verschillende manieren:

• Hogere toevoertemperaturen. Bij ‘direct-to-chip’- en immersiesystemen zijn FWS-toevoertemperaturen van 25–40 °C vaak toegestaan. Dit betekent dat koelmachines gedeeltelijk beladen kunnen draaien of volledig kunnen worden omzeild ten gunste van droge koelers, waardoor verandert welke pompgroepen de taak op zich nemen.
• Twee op elkaar geplaatste lussen in plaats van één. De TCS-kringloop in het rek en de FWS-kringloop tussen de CDU en de warmteafvoerinstallatie hebben elk hun eigen pompen nodig met zeer uiteenlopende specificaties.
• Strakkere stroomregeling. Koelplaten hebben een smal werkingsbereik. Een pomp die op een slecht afgestelde frequentieregelaar slingert of oscilleert, zal zich al lang voordat dit in het gebouwbeheersysteem zichtbaar wordt, uiten in ruis in de chip-temperatuur.
• Schoner water, strengere eisen aan materialen. Pompen aan de TCS-zijde worden gebruikt voor behandeld water met een lage geleidbaarheid. Roestvrij staal, technische kunststoffen en EPDM-afdichtingen komen veel voor; brons of gietijzer zijn mogelijk niet geschikt.

Een faciliteit die een vloeistofgekoelde hal toevoegt aan een bestaande luchtgekoelde installatie, vervangt zelden de koelwaterpompen. Er worden CDU-pompen toegevoegd en eventueel een speciale warmteafvoerlus, terwijl het oorspronkelijke koelwatersysteem het luchtgekoelde gedeelte blijft bedienen.

Belangrijke factoren bij de keuze van een pomp

Het bepalen van de juiste capaciteit van een koelpomp voor een datacenter is meer dan alleen het kiezen van een curve die door het ontwerppunt loopt. Factoren die van invloed zijn op de prestaties op de lange termijn zijn onder meer:

• Debiet bij de ontwerpbelasting, plus het realistische regelbereik aangezien de IT-belasting van dag tot dag varieert.
• Totale dynamische opvoerhoogte, uitgesplitst in statische opvoerhoogte (voor open regelkringen), wrijvingsverlies in leidingen en fittingen, en drukval over spiraalbuizen, warmtewisselaars en regelkleppen.
• Beschikbare NPSH versus vereiste NPSH, met name voor condenswaterpompen die water uit koeltorenbekkens aanzuigen en voor alle pompen die warm water verpompen dat bijna verzadigd is.
• Rendement bij deellast, niet alleen op het nominale punt. De meeste pompen draaien het grootste deel van de tijd op 40–70 % van het ontwerpdebiet.
• Compatibiliteit met frequentieregelaars en regelstrategie, waaronder of de pomp wordt aangestuurd op basis van drukverschil, ΔT of een hybride regeling.
• Materialen en waterchemie afhankelijk van of de leiding open of gesloten is, behandeld of onbehandeld, glycol of zuiver water.
• Ecologische voetafdruk en onderhoudbaarheid, aangezien pompen die niet kunnen worden uitgeschakeld en onderhouden zonder de belasting te onderbreken, uiteindelijk een geplande stillegging noodzakelijk zullen maken.

Open versus gesloten hydronische systemen verdienen een speciale vermelding. Open circuits (condenswater, sommige warmteafvoercircuits) hebben te kampen met zuurstof, biologische groei en statische opvoerhoogte. Gesloten circuits (gekoeld water, TCS) zijn minder belastend voor de materialen, maar reageren bij het binnendringen van lucht met cavitatie en corrosie.

Betrouwbaarheid, bedieningselementen en onderhoud

Pompsystemen in datacenters zijn ontworpen vanuit de veronderstelling dat elk afzonderlijk onderdeel kan uitvallen zonder dat de belasting wordt onderbroken. N+1-redundantie is de minimumnorm voor de meeste bedrijfsfaciliteiten; 2N- of gedistribueerde redundantie is gebruikelijk op hyperscale-niveau. De pompen zijn parallel geschakeld met afsluitkleppen, terugslagkleppen en verdeelstukken, waardoor één eenheid voor onderhoud kan worden uitgeschakeld terwijl de stand-by-eenheid de taak overneemt.

De besturingssystemen koppelen de pompen aan de rest van de installatie. De secundaire koelwaterpompen worden geregeld op basis van de op afstand gemeten drukverschil. De CDU-pompen worden geregeld op basis van de TCS ΔT of de inlaattemperatuur van de koelplaat.

Condensatiewaterpompen werken in combinatie met koelmachines en koeltorencellen. Een goed afgestemde volgorde zorgt ervoor dat de pompen niet tegen hun eindstop aanlopen en uit gebieden met een laag debiet blijven, waar lagers en afdichtingen snel slijten.

Onderhoudsmaatregelen die zich gedurende de levensduur van een installatie terugbetalen, zijn onder meer het handhaven van de waterchemie binnen de specificaties van het zuiveringsprogramma, het volgens schema vervangen van zeefkorven en filters, het monitoren van trillingen en lagertemperatuur om vroegtijdige waarschuwingen te kunnen geven, en het afwisselend inzetten van de hoofd- en hulp pompen in een parallel opstelling, zodat de slijtage gelijkmatig wordt verdeeld.

FAQs

Hebben alle datacenters koelwaterpompen nodig?

Nee. Kleine of perifere installaties die gebruikmaken van kant-en-klare DX- of split-airconditioners beschikken mogelijk niet over andere procespompen dan een kleine condensaatpomp. Koelwaterpompen komen pas in beeld zodra de aanleg van een centrale installatie gerechtvaardigd is.

Waarin verschillen primaire en secundaire koelwaterpompen van elkaar?

De primaire pompen voorzien de verdampers van de koelmachines van een vrijwel constante doorstroming en een bescheiden opvoerhoogte. De secundaire pompen zorgen voor de distributie naar de CRAH’s en CDU’s met een variabele doorstroming en een hogere opvoerhoogte, en werken vrijwel altijd met frequentieregelaars.

Waar bevinden de CDU-pompen zich in de keten?

Binnenin de koelvloeistofverdeeleenheid, aan de kant van het technologische koelsysteem (TCS). Deze pompen behandeld water of koelvloeistof rond tussen de warmtewisselaar van de CDU en de koelplaten of dompeltanks, terwijl het faciliteitswatersysteem (FWS) aan de andere kant van de warmtewisselaar wordt gevoed door de gekoeldwater- of warmteafvoerpompen.

Vervangt vloeistofkoeling de koelwaterpompen?

Nee. Bij vloeistofkoeling wordt een nieuwe secundaire kringloop met eigen pompen toegevoegd; dit neemt niet weg dat de warmte uit het gebouw nog steeds moet worden afgevoerd. Veel vloeistofgekoelde ontwerpen maken nog steeds gebruik van een waterkringloop met conventionele pompen, hoewel hogere aanvoertemperaturen ervoor kunnen zorgen dat de taak van de koelmachines wordt overgenomen door droge koelers.

Wat is de meest voorkomende reden waarom een pomp in een datacenter voortijdig defect raakt?

Problemen aan de waterzijde: onjuiste chemische samenstelling, verstopte filters of luchtinsluiting die cavitatie en schade aan afdichtingen veroorzaakt. Mechanische storingen zijn meestal terug te voeren op bedrijfsomstandigheden die buiten het beoogde werkingsbereik van de pomp vallen.

Conclusie

Koelpompen voor datacenters kunnen het best worden gezien als een reeks machines met specifieke functies, en niet als één enkele productcategorie. Koelwaterpompen voeren warmte af uit de serverruimte naar de koelmachines. Condenswaterpompen verpompen het water van de koelmachines naar de koeltorens.

CDU- en TCS-pompen verzorgen de korte circuits met lage opvoerhoogte en hoge reinheidsgraad binnen de vloeistofgekoelde racks. Warmteafvoer- en economizerpompen verbinden de installatie met de buitenlucht wanneer de omstandigheden dat toelaten. Door voor elke groep afzonderlijk de debiet-, opvoerhoogte-, waterkwaliteits- en regelstrategie van de eigen kringloop te selecteren, en deze keuze te ondersteunen met verstandige redundantie en onderhoudspraktijken, blijft de thermische keten intact, van chip tot buitenlucht.