11-06-2010 11:14:30

Vorige week werd m’n aandacht getrokken door een uitspraak in Datacenterworks over luchtbevochtiging. In het kader van ‘alles moet groen’ had iemand geroepen dat alle datacenters maar ‘s moesten beginnen met het uitschakelen van hun luchtbevochtigers, want die zouden nergens voor nodig zijn. Nu heb ik altijd gehoord dat er twee redenen zijn om te zorgen dat de luchtvochtigheid niet te laag wordt: Statische elektriciteit en koeling. Geprikkeld door de uitspraken in het artikel ben ik uit gaan zoeken hoe het nu echt zit met de zin en de onzin van het bevochtigen van lucht in serverruimtes.

Voor het eerste argument, de opbouw van statische lading en het daarmee gepaard gaande gevaar van ontlading (ESD) kostte het me niet veel moeite onderbouwing te vinden. Met 30 seconden Googlen had ik verschillende pagina’s gevonden van organisaties die dit argument bevestigen, waaronder de NASA. Het interessantste vond ik nog een pagina die er concrete cijfers aan hangt: Het lopen over een vinyl vloer levert bij 20% relatieve luchtvochtigheid een lading op van 12000 volt, bij 80% luchtvochtigheid is dat nog maar 250 volt. Op zich dus al reden genoeg om nog even te wachten met het uitschakelen van de luchtbevochtigers.

Om te achterhalen hoe het nu zit met de invloed van luchtvochtigheid op de koelcapaciteit bleek een stuk lastiger. De theorie is dat er meer energie nodig is om een bepaalde hoeveelheid water een graad te verwarmen dan diezelfde hoeveelheid lucht, en dat vochtige lucht daardoor beter in staat is om de warmte uit computerapparatuur af te voeren dan droge. Klinkt op zich logisch, maar ik kon nergens vinden hoe groot dat verschil precies is. Er zat dus niks anders op dan zelf te gaan rekenen met gegevens die wel te vinden waren.

Eerst wat theorie. Iedere stof heeft een bepaalde soortelijke warmte. Dat is de hoeveelheid warmte (energie) die nodig is om de temperatuur van een een bepaalde hoeveelheid van die stof een bepaald temperatuurtraject te verhogen. Dit wordt uitgedrukt in J/(kg*K). Dat klinkt ingewikkelder dan het is. Het levert een getal op wat aangeeft hoeveel Joule energie er nodig is om een kilogram van de betreffende stof 1 graad kelvin te verwarmen. Dus: Hoe hoger dat getal, hoe meer energie er nodig is om dezelfde hoeveelheid 1 graad op te warmen. Elke stof heeft zijn eigen soortelijke warmte. Zo is die van (droge) lucht 710J/(kg*K), die van water 4182J/(kg*K) en die van waterdamp 1410J/(kg*K).

Op het eerste gezicht lijken deze getallen de stelling te bevestigen. Waterdamp heeft weliswaar een lagere soortelijke warmte dan water in vloeibare vorm, maar altijd nog bijna twee keer zo hoog als droge lucht. Let wel: Deze getallen zijn in kilogrammen, niet in liters. Dan zou ‘t een heel ander verhaal worden. Even rekenen.

Lucht weegt 1,293 kg per m3 (1000L) De warmte die nodig is om 1m3 droge lucht een graad te verwarmen is daarom:

1,293kg * 710J/(kg*K) = 918J/K. Er is dus 918J energie nodig om 1m3 lucht 1 graad op te warmen.

Lucht met een relatieve luchtvochtigheid van 50% bij 21 graden (oftewel een dauwpunt van ongeveer 10 graden) bevat per m3 9 gram waterdamp.  De soortelijke warmte van het geheel (lucht + waterdamp) is gelijk aan de som van de soortelijke warmte van de afzonderlijke stoffen.

De soortelijke warmte van de waterdamp in een m3 lucht is dus:

0,009kg * 1410J/(kg*K) = 12.69J/K

De totale hoeveelheid energie die nodig is om 1m3 vochtige lucht op te warmen is dus 918+12,69 = 930.69 J/K.

In verhouding tot de energie die nodig is om 1m3 droge lucht te verwarmen (918J/K) is dat dus een verschil van maar 1,38%.

Conclusie:  Als het je puur te doen is om de koeling kun je je lucht inderdaad net zo goed niet bevochtigen, maar het argument dat droge lucht een groter gevaar voor ESD oplevert blijft natuurlijk overeind.

Het argument dat conventionele luchtbevochtigers (vooral in de winter, als de buitenlucht relatief droog is) energievreters zijn blijft helaas ook overeind. De meeste luchtbevochtigers zijn gewoon enorme waterkokers, die met elektrische verwarmingselementen water aan de kook brengen zodat het verdampt. Voor een beetje serverruimte praat je al gauw over een kilowatt of 7. Aangezien het water wordt verwarmd, zal die warmte ook weer afgevoerd moeten worden. En dat is goed voor nog eens een kilowatt of 3. Bij elkaar dus zo’n 10kW, een serieuze hoeveelheid stroom.

Bij BIT hebben we daarom gekozen voor bevochtiging door middel van ultrasoontechniek. Door onder in een bak water een metalen plaatje (een piëzo element) op een frequentie van ongeveer 1,5MHz te laten trillen, wordt het water als het ware uit elkaar geslagen en ontstaat een nevel van minescule waterdruppeltjes. Die waterdruppeltjes worden vervolgens door een ventilator afgevoerd en de ruimte in geblazen. Op die manier wordt dezelfde bevochtigingscapaciteit behaald met een stroomverbruik van ongeveer 350W. Dat is een besparing van 95% ten opzichte van stoombevochtiging. Zo hebben we het energieverbruik van de bevochtigers enorm teruggedrongen, zonder dat we de apparatuur van onze klanten blootstellen aan een verhoogd ESD risico.