Koeling van IT-apparatuur in kasten en kleine ruimtes vaak vergeten

Bij het ontwerpen van datacenters en grote computerruimtes wordt altijd rekening gehouden met de koeling. Toch bevinden veel IT-apparaten zich buiten de computerruimte, in kasten, kleine kamers, bijkantoren en andere plaatsen waar met eventuele koeling nooit rekening is gehouden. Nieuwe, krachtige IT-apparatuur levert steeds meer vermogen, met als gevolg dat in kasten geplaatste routers, switches en servers regelmatig oververhit of vroegtijdig defect raken bij gebrek aan adequate koeling. Meestal wordt de facilitair manager of gebouwbeheerder pas met dit probleem geconfronteerd als het mis is gegaan.

De koeling van zogenaamde IT-patchkasten, schakelkasten met bekabeling en meestal meerdere IT-apparaten, wordt zelden meegenomen in de planning. Meestal gaat men zich er pas druk om maken als er problemen door oververhitting zijn ontstaan. Er bestaat helaas geen standaardmethode voor adequate koeling van patchkasten. Zo’n methode zou heldere instructies kunnen geven over het ontwerp en de installatie van koelinstallaties, niet te groot, energie-efficiënt, en flexibel genoeg om in verschillende vormen en types patchkasten en andere kleine ruimtes te worden toegepast.

Ik wil in deze column samen met onze business partners de facilitair manager of gebouwbeheerder helpen problemen met de koeling van IT-patchkasten en andere kleine ruimtes op te lossen en vooral: te voorkomen.

Welke temperatuur?

Laten we eens beginnen met te kijken naar de temperatuur. De meeste leveranciers van IT-apparatuur die vaak in patchkasten wordt gebruikt, garanderen de werking van de apparaten in een omgeving van maximaal 40 graden Celsius. Het verdient geen aanbeveling apparaten voortdurend bloot te stellen aan dit maximum; bij lagere temperaturen is de bedrijfszekerheid groter en de levensduur van het apparaat langer.

De leveranciers adviseren voor optimale prestaties een temperatuur tussen 20 en 25 graden Celsius. De Amerikaanse vereniging van verwarmings-, koelings- en airconditioning-ingenieurs ASHRAE adviseert voor IT-apparatuur in het algemeen een bandbreedte tussen 15 en 32 graden Celsius. Kortom, het doel van de koeling moet zijn om de temperatuur in de patchkast op 25 graden Celsius te houden; is dat niet mogelijk, dan is 32 graden een acceptabele temperatuur.

De basisprincipes van warmteafvoer

Om goed inzicht in de materie te krijgen, kan het best worden gekeken vanuit de problemen rond warmteafvoer, in plaats vanuit koeling. Immers, als de warmte niet wordt afgevoerd loopt de temperatuur steeds verder op.

Warmte kan gezien worden als iets dat zich altijd ‘heuvelafwaarts’ beweegt, het vloeit van een gebied met hogere temperatuur naar een omgeving met lagere temperatuur. Om warmte af te voeren moet er dus een opening naar een ruimte met lagere temperatuur aanwezig zijn. In heel veel omgevingen is dat niet het geval.

 Er zijn vijf verschillende manieren om warmte uit een kast of kleine kamer af te voeren:

1. Geleiding. Warmte vloeit weg door de wanden van de ruimte;
2. Passieve ventilatie. Warmte vloeit weg naar een ruimte met koelere lucht via een opening of rooster, zonder ventilator;
3. Ventilatie met fan. Warmte vloeit weg naar een ruimte met koelere lucht via een opening of rooster, met behulp van een ventilator;
4. Comfortkoeling. De warmte wordt afgevoerd door het koelsysteem van het gebouw;
5. Precisiekoeling. De warmte wordt afgevoerd door een speciale airconditioner.

De vijf methoden verschillen in prestaties, beperkingen en kosten. Afbeelding 1 toont een algemene richtlijn voor koelingsmethoden gebaseerd op standaardomstandigheden en laat de acceptabele bandbreedte zien van elke methode. ‘Comfortkoeling’ komt niet voor in de afbeelding omdat deze methode te variabel en onvoorspelbaar is. Dit wordt later nog toegelicht.

Geleiding

Als een kast goed is afgesloten, kan de warmte alleen worden afgevoerd  via de wanden. Daarvoor moet de temperatuur van de lucht buiten de kast dus lager zijn dan de lucht erbinnen. Kasten variëren in grootte, constructie en materiaal, en staan onder invloed van andere, externe factoren. Dat beperkt de toepassingsmogelijkheden van deze methode.

De meest voor de hand liggende factor zijn de afmetingen van de kast of kamer: hoe groter de ruimte, hoe groter het vermogen om warmte door de wanden af te voeren. Er is immers meer muur-, plafond- en vloeroppervlak beschikbaar. Ook het materiaal waarvan wanden, muren, plafonds en vloeren zijn gemaakt, hebben hun invloed. Het maakt heel wat uit of er sprake is van gipsplaat, hout of beton – en of de kast zich ergens binnenin of juist tegen een buitenmuur van het gebouw bevindt.

Een belangrijke beperkende factor vormen de schommelingen in de temperatuur van de lucht in het gebouw. ‘s Avonds zal de koeling in het gebouw zachter worden gezet, net als in het weekend – in perioden van koude zal de verwarming overdag hoger staan dan ‘s avonds of in het weekend. 

In het algemeen kan gesteld worden dat de geleidingmethode van warmteafvoer kan worden toegepast als het vermogen van de activiteiten in de kast minder dan 400 Watt bedraagt – of als de kast minder belangrijke bedrading of apparaten bevat, maximaal 1000 Watt. Dat beperkt deze methode tot kleine IT-apparaten die weinig stroom gebruiken, zoals kleinere netwerkswitches. De temperatuur stijgt snel naarmate de activiteit op de bedrading en het vermogen van de apparatuur toeneemt.

Ventilatie.

Met deze methode wordt warmte afgevoerd naar de (koelere) omgevingslucht via een speciaal aangebrachte opening of rooster. Dat kan met of zonder gebruik te maken van een mechanische ventilator. Het is een erg praktische methode.

Voor een kast met kritische apparatuur is deze methode goed tot een activiteit/vermogen van 700 Watt; mèt ventilator is dat tot ongeveer 2.000 Watt. Voor ruimtes met niet-kritische apparatuur is de methode goed tot 1.750 Watt, met ventilator zelfs 4.500 Watt. De inzet van meer ventilators vergroot de capaciteit enorm. Voor deze methode gelden dezelfde beperkende omgevingsomstandigheden als voor geleiding.

Comfortkoeling.

Veel gebouwen beschikken over een airconditioning. Dergelijke systemen werken via een eigen stelsel van luchtkanalen. Het lijkt aantrekkelijk om gebruik te maken van zo’n systeem door de patchkasten er met een eigen kanaal op aan te sluiten. De praktijk wijst echter uit dat dat de koelproblemen van de kast helemaal niet oplost en in sommige gevallen zelfs verergert.

Comfortkoelsystemen circuleren lucht. Een ergens aan de wand aangebrachte thermostaat bedient het systeem. Dat heeft als gevolg, dat de temperatuur in kleine ruimtes daalt als het koelsysteem aanstaat, en stijgt als het uit is. Dat veroorzaakt  temperatuurschommelingen die een negatieve invloed op de apparatuur hebben; een constante wat hogere temperatuur is dan een veel betere optie. Verder worden comfortkoelingsystemen ‘s avonds en in de weekends op een laag pitje – of zelfs helemaal uit - gezet om stroom te besparen. Begrijpelijk, maar met een negatief effect op de koeling van de patchkasten.

Om een comfortkoelingsysteem te gebruiken voor de koeling van een patchkast, moet van die kast een afzonderlijke zone worden gemaakt met eigen luchtkanalen, een eigen eindunit (fan coil unit, VAV box) en een eigen thermostaat. Dat is vanzelfsprekend onpraktisch en kostbaar.

Kortom, het gebruiken van de bestaande airco in een gebouw voor de koeling van een patchkast is in het algemeen niet aan te raden.

Precisiekoeling.

De meest effectieve manier om controle te krijgen over de temperatuur in een patchkast is om een speciaal, eigen koelsysteem te installeren. Dat is natuurlijk een veel duurdere en ingewikkeldere oplossing dan bijvoorbeeld Ventilatie.

Als het vermogen in een kritische patchkast de 2.000 Watt overstijgt – of 4.500 Watt voor niet-kritische kasten – komt speciale koeling pas aan de orde. Om het wattage vast te stellen zijn nauwkeurige specificaties van de IT-leverancier nodig en van de configuratie van de IT-omgeving. Het kan veel tijd en geld besparen zelf het vermogen te achterhalen. Immers, meestal hebben IT-apparaten een plaatje op de achterzijde waarop het vermogen is vermeld. Maar pas op: een gemiddelde configureerbare router zal een vermogen tussen 5 en 6 Watt aangeven – terwijl in werkelijkheid het verbruik tussen 1-2 Watt zal liggen. Het is dus bepaald niet zo eenvoudig om zelf het verbruikte vermogen vast te stellen (vuistregel 60-65 procent).

 Er zijn cases voorhanden waarin precisiekoeling meer geschikt werd bevonden, terwijl ventilatie technisch het meest voor de hand lag:

-        de lucht buiten de kast bevatte te veel stof en andere deeltjes

-        de lucht buiten de kast was onderhevig aan hevige temperatuurschommelingen

-        vanwege een huurcontract of om cosmetische redenen was het niet mogelijk aanvullende ventilatiekanalen aan te leggen.

In deze gevallen is ventilatie die de lucht binnen een gebouw gebruikt geen goed alternatief; precisiekoeling is dan de enig juiste praktische oplossing.

Effect van UPS.

Het is in de praktijk gebruikelijk om in kasten een gedistribueerd UPS-systeem (unteruptable power system) te installeren, om de bedrijfszekerheid veilig te stellen. Het stroomverbruik daarvan is vele malen lager dan van menig IT-apparaat en kan dus rustig verwaarloosd worden.

Als een UPS is geïnstalleerd, geldt dat de IT-apparatuur ook warmte afgeeft als de stroom is uitgevallen. Als de autonomietijd van een UPS  minder dan 10 minuten bedraagt, houden de thermale massa van de lucht en de wandoppervlakken de temperatuur in de kast binnen redelijke grenzen. Bedraagt de autonomietijd echter meer dan 10 minuten, dan moet het koelsysteem blijven werken. Dat houdt in dat als mechanische ventilatie of een airco wordt gebruikt deze hun stroom moeten krijgen van de UPS. Voor mechanische ventilatie hoeft dat niet direct een probleem te zijn, maar bij het gebruik van precisiekoeling wel: deze gebruikt behoorlijk wat stroom. Bij de keuze van de sterkte van de UPS en de accu moet daar dus rekening mee worden gehouden (vaak 4 tot 6 maal de nominale stroom door de inschakelstromen van de compressor).

Conclusie

Het is evident dat het ontstaan van grote hitte in een kast of kleine ruimte met IT-apparatuur en –bedrading een reden voor zorg is voor de facilitair manager of gebouwbeheerder.

In de meeste gevallen is eenvoudige ventilatie de meest effectieve en praktische manier van koelen; zijn in de ruimte meerdere IT-apparaten met hogere vermogens ondergebracht, dan wordt het gebruik van een mechanische ventilator aanbevolen. 

Het is dus meestal niet nodig een speciaal koelsysteem (precisiekoeling) aan te leggen, tenzij het vermogen van de apparatuur de 2.000 Watt overstijgt, of als de omgevingslucht erg warm of vervuild is,  of grote temperatuurschommelingen vertoont.

Het gebruik van  de in een gebouw aanwezige koeling kan niet worden gebruikt voor koeling van patchkasten.