Sebastian Maron, senior productmanager bij STULZ, licht de voordelen toe van het gebruik van het koudemiddel R454C in recirculerende airconditioningsystemen en beschrijft de technische aandachtspunten, operationele voordelen en langetermijnperspectieven voor duurzame koeling in datacenteromgevingen.
Nu wereldwijd de inspanningen om de aanhoudende klimaatcrisis te beperken worden opgevoerd, heeft het gebruik van het koudemiddel R454C in recirculerende airconditioningsystemen zich ontwikkeld tot een effectieve manier om datacenteroperators te helpen hun milieubelasting te verlagen. Dankzij een lagere Global Warming Potential (GWP), een verbeterde energie-efficiëntie en naleving van de F-gassenverordening 2024/573, ondersteunt de toepassing van R454C bovendien een betrouwbare bedrijfsvoering en langetermijnstrategieën voor duurzame koeling.
De nieuwste stand van zaken
De F-gassenverordening 2024/573, oorspronkelijk ingevoerd in 2006, is de meest recente versie van de Europese wetgeving die het gebruik van gefluoreerde broeikasgassen (F-gassen) reguleert. Hieronder vallen onder meer hydrofluorkoolwaterstoffen (HFK’s), die worden toegepast in koelinstallaties, datacenter koeling, warmtepompen en aerosolen. HFK’s hebben een hoge GWP en de F-gassenverordening 2024/573 is gericht op het verminderen van de totale emissies door het verbieden van bepaalde producten, het verbeteren van lekpreventie en het verplicht stellen van correcte terugwinning en recycling.
De F-gassenverordening (EU) 2024/573 verplicht om bij nieuwe koelinstallaties gebruik te maken van koudemiddelen met een lager GWP. Deze verplichting is niet voor elk systeem gelijk. De exacte eisen zijn afhankelijk van het type koelsysteem (bijvoorbeeld Split airco, koelkast of chiller), het vermogen, de toepassing en het jaar van installatie.
Voor een aantal direct-expansie (DX) systemen in datacenters geldt dat vanaf 2027 een GWP-grens van 150 van kracht wordt. Voor andere toepassingen, zoals grotere chillers of specifieke koelapparatuur, zijn er uitzonderingen en overgangstermijnen die doorlopen tot 2030 of 2032. Dit betekent dat een systeem dat vandaag nog is toegestaan, over enkele jaren niet meer geplaatst of bijgevuld mag worden.
Een onjuiste interpretatie van de regelgeving kan leiden tot extra kosten, herontwerp van installaties of beperkingen in de bedrijfsvoering. Door al in de ontwerpfase te kiezen voor toekomstbestendige koudemiddelen, voorkomen datacenteroperators niet alleen compliance-risico’s, maar versterken zij ook hun duurzaamheidspositie richting klanten en stakeholders..
Inspelen op de uitdaging
Vrijwel alle beschikbare koudemiddelen met een GWP lager dan 150 zijn volgens ISO 817 geclassificeerd in veiligheidsklasse A2L (licht ontvlambaar) of A3 (sterk ontvlambaar). In omgevingen zoals datacenters en serverruimten, waar hoge eisen gelden aan beschikbaarheid en veiligheid, moet elk potentieel brandbaar risico, hoe klein ook, worden voorkomen.
De oplossing voor dit dilemma ligt in het A2L-koudemiddel R454C. Volgens de ASHRAE-veiligheidsclassificatie zijn A2L-koudemiddelen niet-toxisch, vlamvertragend, zeer energie-efficiënt en hebben zij een aanzienlijk lagere GWP. R454C is een zeotroop mengsel van R1234yf en R32 en heeft een GWP van slechts 148. Daarmee voldoet het aan de eisen van de F-gassenverordening 2024/573, terwijl het tegelijkertijd een goede balans biedt tussen thermodynamische efficiëntie en beheersbare veiligheid.
In vergelijking met A3-koudemiddelen vereist R454C aanzienlijk minder bouwkundige en technische beschermingsmaatregelen, wat de integratie in bestaande systemen vereenvoudigt. Bovendien kan een ontvlambaar gas-luchtmengsel bij A2L-koudemiddelen pas ontstaan bij een vier keer hogere concentratie van het koudemiddel. Met een maximale condensatietemperatuur van 65 °C is R454C uitermate geschikt voor nauwkeurige datacenter koeling van IT-infrastructuren en kan het worden toegepast in recirculerende koelsystemen met een gesloten koelcircuit en een vermogen tot 50 kW, ten minste tot 2040.
Veiligheid voorop
Een veilige werking van recirculerende koelsystemen met R454C vereist een integrale veiligheidsbenadering, conform de normatieve eisen van DIN EN 378. Gasdetectoren met een vooraf ingestelde activeringswaarde van 25 procent van de onderste explosiegrens (LEL) voor R454C, overeenkomstig EN 378-3, zijn noodzakelijk voor de vroegtijdige detectie van koudemiddellekkages. Sensoren moeten worden geplaatst op locaties waar koudemiddel zich kan ophopen en het toepassen van redundantie wordt aanbevolen als extra veiligheidsmaatregel.
Monitoring is essentieel en integratie in een gebouwbeheersysteem (GBS) maakt gecentraliseerd toezicht en snelle interventie bij storingen mogelijk. Bij detectie van een lekkage schakelt een automatische veiligheidsstop het systeem direct uit. Deze moet zijn voorzien van noodlogica die blijft functioneren bij stroomuitval of uitval van het regelsysteem. Daarnaast is een robuuste ventilatiestrategie vereist om ervoor te zorgen dat de koudemiddelconcentratie in de binnenlucht onder de onderste brandbaarheidsgrens (LFL) blijft. Dit omvat geforceerde ventilatie met vastgelegde luchtverversingspercentages, geoptimaliseerd kanaalontwerp en automatisch geactiveerde noodventilatie in risicogebieden.
Hoewel R454C aanzienlijke voordelen biedt ten opzichte van andere gangbare koudemiddelen, kent het ook enkele technische beperkingen. Door de lagere volumetrische koelcapaciteit in vergelijking met bijvoorbeeld R410A zijn iets grotere compressoren nodig. Daarnaast zijn zowel het koudemiddel zelf als de vereiste componenten en veiligheidssystemen momenteel duurder dan conventionele oplossingen. Daar staat tegenover dat het productieproces sterk overeenkomt met dat van systemen met traditionele koudemiddelen, wat de productie vereenvoudigt en de kosten beheersbaar houdt ondanks de iets hogere materiaalkosten.
Betrouwbaar afdichten
Koelsystemen voor datacenter koeling die gebruikmaken van een A2L-koudemiddel moeten permanent afgedicht zijn. Dit vereist het gebruik van hoogwaardige, niet-demontabele leidingverbindingen, een grondige druktest en regelmatige lekcontroles. Daarnaast moeten alle toegepaste materialen geschikt en goedgekeurd zijn voor gebruik met R454C, om corrosie en materiaaldegradatie te voorkomen.
Om het risico op brand te minimaliseren, dienen waar mogelijk explosieveilige elektronische componenten te worden toegepast en potentiële ontstekingsbronnen bouwkundig te worden afgeschermd. Dit kan bijvoorbeeld door de afdichting van de elektrische schakelkast te verlengen of door de maximale oppervlaktetemperatuur van het elektrische verwarmingselement te beperken. De oppervlaktetemperatuur van het verwarmingselement moet altijd 100 K lager liggen dan de ontstekingstemperatuur van het koudemiddel. Daarnaast is een volledige equipotentiaalvereffening vereist om elektrostatische ontlading te voorkomen.
Ongeacht het ruimtevolume en de getroffen veiligheidsmaatregelen gelden er grenswaarden voor de maximale vulling van R454C per koelcircuit. Deze limieten zijn afhankelijk van de categorie van de installatieplaats en het type toegangsgebied.
Categorie van de installatieplaats
I – Mechanische apparatuur in ruimten waar mensen aanwezig zijn
II – Compressor in de machinekamer of buiten opgesteld
III – Volledige koelmachine in de machinekamer of buiten opgesteld
IV – Geventileerde omkasting
Type toegangsgebied
a – Algemeen toegankelijke ruimte
b – Ruimte met gecontroleerde toegang
c – Ruimte uitsluitend toegankelijk voor bevoegd personeel
Voorop lopen in innovatie
Conform DIN EN 378 en als onderdeel van haar inzet voor voortdurende innovatie in duurzame koeloplossingen, heeft STULZ reeds geavanceerde gesloten koelcircuits ontwikkeld voor toepassing in de CyberAir Mini DX en CyberAir 3PRO GE4/GE4S series, die beide gebruikmaken van het koudemiddel R454C. Deze innovatieve systemen voor datacenter koeling zijn voorzien van geïntegreerde gasdetectie, automatische veiligheidsuitschakeling, geoptimaliseerde luchtstromen en een compact ontwerp met aangepast compressorenvolume.
Het toegepaste koelcircuit is gecertificeerd en getest om permanente lekdichtheid te waarborgen, terwijl het geoptimaliseerde ontwerp de ophoping van koudemiddel voorkomt. Daarnaast bewaken twee explosieveilige gassensoren, geïnstalleerd in de behuizing en de schakelkast, continu de koudemiddelconcentratie. Deze gegevens kunnen worden geïntegreerd in een GBS.
Zodra een van de sensoren een gasconcentratie van 10 procent van de LFL detecteert, wordt de ventilatorsnelheid verhoogd tot het maximum om het koudemiddel te verdelen, terwijl tegelijkertijd alle andere componenten worden uitgeschakeld. Tevens wordt een akoestisch en visueel alarm geactiveerd en doorgestuurd naar het GBS. Stijgt de gasconcentratie tot 20 procent van de LFL, dan wordt de volledige unit automatisch uitgeschakeld.
Om de ontwerpfase te vereenvoudigen, vermeldt STULZ conform DIN EN 378 in de datasheets van alle CyberAir Mini DX en CyberAir 3PRO GE4/GE4S units het minimale ruimtevolume dat vereist is voor gebruik zonder aanvullende persoonlijke beschermingsmaatregelen ter plaatse. Het benodigde ruimtevolume is afhankelijk van de koudemiddelvulling. Zo vereist de kleinste CyberAir Mini DX GE unit met een vermogen van 8 kW een minimaal ruimtevolume van 15 m³, terwijl de grootste CyberAir 3PRO GE4 unit met 71 kW een volume van 109 m³ vereist.
Een stap in de juiste richting
Het doel van de F-gassenverordening 2024/573 is het aanscherpen van het afbouwschema voor HFK’s en het stimuleren van het gebruik van klimaatvriendelijke en toekomstbestendige A2L-alternatieven zoals R454C. Hoewel sommige datacenteroperators terughoudend kunnen zijn om over te stappen op een brandbaar koudemiddel, zijn R454C-gebaseerde systemen voor datacenter koeling, zoals de CyberAir Mini DX en CyberAir 3PRO GE4/GE4S series, ontworpen om net zo veilig te zijn als conventionele systemen met niet-brandbare koudemiddelen.
Door het gebruik van R454C actief te ondersteunen, zet STULZ haar missie voort om datacenteroperators te helpen hun milieuprestaties te versterken. De experts van STULZ op het gebied van datacenter koeling staan daarbij altijd klaar om te ondersteunen bij het ontwikkelen van een maatwerk migratiestrategie.