Data center cooling solutions : A techno-economical case study of a data center in Sweden

Given the coinciding growth-trend in the production of consumer electronics and generation of data, the increase in server halls and data centers, as a means for hosting storage capacity for the generated data, has been prominent over the last decades. The establishment of data centers in already existing infrastructure can entail major changes in terms of energy system design. The activity of data processing and storage is power intensive and as the centers demonstrate substantial heat generation, one of the most important fractions of the energy use comes from the need to provide cooling. The study is a techno-economic analysis purposed for determining the feasibility of different cooling systems for a data center in Sweden. The investigated building currently hosts an industrial printing press hall in which paper printing has been conducted for the several decades. This press hall is subject to a refurbishment process to eventually be converted into a data center. In order to achieve the objectives, a data center building model is developed, designated for the estimation of the internal heat generation and demand for cooling. The design and energy requirements of a number of cooling solutions are then investigated and evaluated using a number of performance metrics: Power Usage Effectiveness (PUE), Capital Expenditure (CapEx), Operational Expenditure (OpEx) and Life Cycle Cost (LCC). More specifically the systems incorporate technologies for utilizing air-based free cooling, ground-source free cooling through borehole ground source heat exchangers (GHEs), mechanical cooling through compressor-driven machines as well as District Cooling (DC). The results of the study show that free cooling is a viable solution for covering the vast majority of the yearly cooling requirements, during sufficiently low outdoor temperatures. Free cooling, provided through borehole GHE’s, is feasible as a partial solution from a technical point of view, to provide cooling capacity during warmer periods. However, it can not alone act to provide a major part of the relatively high and constant cooling capacity requirements throughout the year. All of the investigated scenarios display a similar energy performance in terms of total PUE, at values well below the national average of 1.37. It is also seen, that the scenario that displays the lowest LCC includes a combination of free cooling and compressor-driven cooling. This holds for the studied sensitivity cases. It is found that a combined system incorporating borehole GHE’s and compressor cooling machines perform the best in terms of a low PUE. However, the relative difference in energy performance turns out to be lesser than the relative difference in LCC, when substituting the borehole GHE’s for additional cooling machine capacity.I takt med digitaliseringen och en ökad global användningen- och produktionen av hemelektronik, vilket föranlett en ökad generering av data, har antalet datahallar blivit allt fler de senaste decennierna. Datahallens syfte är att hantera och bereda lagringskapacitet för den data som genereras vilket involverar en rad energikrävande processer. Upprättandet av datahallar i redan befintlig infrastruktur kan medföra förändringar när det kommer till utformningen av byggnadens energisystem. Att bedriva datalagring och informationsbehandling kräver påtagliga mängder elektricitet vilket medför stor intern värmealstring och därtill behov av aktiv kylning. Denna studie, som valt att benämnas som en tekno-ekonomisk fallstudie, undersöker lämpligheten i implementeringen av olika kylsystem för ett byggnadskomplex i Stockholm. I byggnadens lokaler återfinns idag en industrihall där det sedan flera decennier bedrivits tryckeriverksamhet. Industrihallen är föremål för en konverteringsprocess för att på sikt bli en datahall. Studien är centrerad kring denna konverteringsprocess. För att utvärdera kylbehoven för den framtida datahallen har en modell utvecklats som uppskattar interna värmelaster samt reglerar inomhusklimatet efter rådande krav på inomhuskomfort. Därefter studeras utformning och energibehov för flera olika typer av kylsystemlösningar där en utvärdering av dessa system görs utifrån indikatorerna Power Usage Effectiveness (PUE), Capital Expenditure (CapEx),Operational Expenditure (OpEx) and Life Cycle Cost (LCC). Mer konkret undersöks kombinerade kylsystem som utnyttjar luftburen frikyla, geotermisk frikyla via bergvärmeväxlare (GHEs), mekanisk kyla via kompressordriven kylmaskin samt regional fjärrkyla. Resultaten från studien visar att frikyla från kylmedelskylare är en lämplig lösning för att täcka majoriteten av datahallens kylbehov över ett år, med undantag för årets varmare perioder. Geotermisk frikyla via borrhål är möjlig som partiell lösning ur ett tekniskt perspektiv, men kan inte enskild leverera en majoritet av effekt- eller energibehovet av kyla. Resultatet visar också att alla undersökta scenarier uppvisar en liknande energiprestanda i termer av total PUE, med värden som underskrider det nationella genomsnittet 1,37. Lägst LCC påvisades för ett system som kombinerar luftburen frikyla via kylmedleskylare och mekanisk kyla via kompressordrivna kylmaskiner. Denna låga LCC är signifikant vilket påvisas i utförd känslighetsanalys. Slutligen konstateras att ett system innefattande luftburen och geotermisk frikyla i kombination med kompressordrivna kylmaskiner resulterar i lägst PUE bland de undersökta scenarierna. Den relativa skillnaden i energiprestanda visar sig vara mindre än den relativa skillnaden i LCC, när geotermisk frikyla ersätts med ytterligare kapacitet från kylmaskiner