Natural Refrigerants in Data Center Cooling with Thermosiphon Application

Ever since the computer was invented, there has been a need of data storage and the demand has strictly grown since. This has resulted in a huge amount of data centers and the trend has shown no signs of changing. The data centers are powered by electricity and in 2010 the electricity consumption for data centers stood for 1.3% of the world’s electricity usage. The most energy consuming part of a data center is the servers themselves, but the second largest energy consuming part is the cooling system which, in a normal data center, stands for two fifths of the energy usage. Besides the energy consumption, the cooling systems are in most cases a cooling machine using HCFC and HFC refrigerants. These refrigerants are all bad for the environment since HCFCs have high ODP and GWP values and HFCs have high GWP values. The purposes of this work is: A) Find a way to make the cooling systems more efficient. Previous work has shown that using free cooling from the ambient air is an effective method of reducing the yearly electricity demand. Further the systems use a two-phase thermosiphon to move heat from the servers to the ambient, which means that there is no need of pumping power. B) Find solutions using natural refrigerants that have no ODP and very low or zero GWP. C) Evaluated if there is a possibility to recover the waste heat from the data center to e.g. an office building. This work contains two systems being mathematically modeled with the software Engineering Equation Solver: a direct R744 system and an indirect system running with R290 and R744. Both systems are using a thermosiphon application, connected to a condenser, to use free cooling up to a certain set point temperature and the rest is covered with a vapor compression cycle. These systems are then matched to temperature profiles for five cities, Stockholm, Paris, Phoenix, Tokyo and Madrid, to see how many hours of the year are covered by free cooling. The systems are then evaluated considering both energy consumption and cost. To be able to compare these systems to a present cooling system, a reference system is modeled which uses R22 as refrigerant, that is the most commonly used refrigerant in the world today for the data center cooling application. The results show that a direct R744 system or an indirect system with R290/R744 with a thermosiphon application have both energy and economical savings compared to the reference system. The energy savings are up to 88% and the total annual cost savings are up to 69%. The Power Usage Effectiveness is reduced with up to 6% and up to 8% if only cooling is considered. These savings are for an optimized condenser with a 2000 m2 fin area and 6 fans with a set point temperature of 22°C. The indirect R290/R744 system is the best in all cities considering energy efficiency. Both systems are also well suited for use with heat recovery. The Seasonal Performance Factor for the heat recovery is between 8.3 and 15.2, which is a consequence of the high evaporation temperature and low supply temperature to the heating system.Ända sedan datorn uppfanns har det funnits ett behov av datalagring, ett behov som ökat stadigt. Detta har resulterat i en stor mängd datacenter och det finns inget som tyder på att trenden kommer ändras. Datacenter drivs av el och under 2010 var elförbrukningen för datacenter 1.3% av världens totala elanvändning. Den mest energikrävande delen av ett datacenter är de faktiska servrarna och den näst största energikrävande delen är kylsystemet, vilket i ett normalt datacenter står för två femtedelar av energianvändningen. Förutom energiförbrukningen, är kylsystemen i de flesta fall, en kylmaskin med HCFC- och HFC-köldmedier. Dessa köldmedier är dåliga för miljön eftersom HCFC har högt ODP- och GWP-värden och HFC har höga GWP-värden. Syftet med detta arbete är: A) Hitta ett sätt att göra kylsystem effektivare. Tidigare arbeten har visat att användning av frikyla från den omgivande luften är en effektiv metod för att minska det årliga elbehovet. Det finns även system som använder en två-fas termosifon för att flytta värme från servrar till den omgivande luften, vilket innebär att det inte behövs några pumpar. B) Hitta systemlösningar med naturliga köldmedier som har noll ODP och mycket låg eller noll GWP. C) Utvärdera om det finns möjlighet att återvinna spillvärme från ett datacenter till exempelvis en kontorsbyggnad. Detta arbete innehåller två system vilka modelleras matematiskt med hjälp av programvaran Engineering Equation Solver: ett direkt R744-system och ett indirekt system som använder R290 och R744. Båda systemen använder en termosifonslinga som är ansluten till en kondensor för att kunna använda frikyla upp till en viss brytpunktstemperatur och det resterande behovet täcks av en kylmaskin. Dessa system matchas sedan mot temperaturprofiler för fem städer, Stockholm, Paris, Phoenix, Tokyo och Madrid, för att se hur många timmar av året som frikylakan användas. Systemen utvärderas sedan utifrån både energiförbrukning och kostnad. För att kunna jämföra dessa system mot ett befintligt kylsystem modelleras ett referenssystem med R22 som kylmedel, vilket är det vanligaste köldmediet i världen idag för kylning av datacenter. Resultaten visar att ett direkt R744-system eller ett indirekt system med R290/R744, båda med en termosifonslinga, är både energieffektivare och ekonomiskt fördelaktigare jämfört med referenssystemet. Energibesparingen uppgår till 88% och de totala årliga kostnadsbesparingarna uppgår till 69%. Power Usage Effectiveness värdet reduceras med upp till 6% och om enbart hänsyn tas till nedkylning, upp till 8%. Dessa besparingar är för en optimerad kondensor med en flänsyta på 2000 m2 samt 6 stycken fläktar då kondensatorn har en brytpunktstemperatur på 22° C. Det indirekta R290/R744-systemet är det bästa i alla städer vad gäller energieffektivitet. Båda systemen är också väl lämpade för användning med värmeåtervinning. Årsvärmefaktorn för värmeåtervinningen är mellan 8.3 och 15.2, vilket är en följd av den höga förångningstemperaturen och den låga framledningstemperaturen till värmesystemet