Dalam kajian data center, perhatian sering tertuju pada kapasitas komputasi dan konsumsi listrik. Padahal, dari sudut pandang teknik lingkungan, air untuk sistem pendingin merupakan bagian yang sama pentingnya.
Server menghasilkan panas selama beroperasi. Pada fasilitas yang menggunakan pendinginan evaporatif, sebagian panas tersebut dibuang melalui cooling tower. Konsekuensinya, konsumsi air dapat mencapai jutaan liter per tahun.Gambar 1. Skema konseptual pengolahan air masuk, sirkuit pendingin, pengelolaan blowdown, dan guna ulang pada data center.
1. Mengapa data center membutuhkan air untuk pendinginan?
Peralatan teknologi informasi menghasilkan panas. Jika panas tidak dibuang, suhu server akan meningkat dan kinerjanya dapat terganggu. Karena itu, data center memerlukan sistem pendingin yang bekerja terus-menerus.
Pada sistem evaporatif, panas dari server dipindahkan melalui rangkaian pendingin menuju cooling tower. Di unit ini, sebagian air diuapkan ke udara sehingga panas ikut terlepas.
Air yang menguap harus diganti dengan air baru yang disebut make-up water. Selain akibat penguapan, air juga berkurang melalui beberapa jalur berikut:
- Evaporasi, yaitu air yang berubah menjadi uap untuk membuang panas.
- Blowdown, yaitu air yang sengaja dibuang agar mineral tidak terus terkumpul dalam sistem.
- Drift, yaitu butiran air yang terbawa aliran udara keluar dari cooling tower.
- Kehilangan lain, misalnya kebocoran atau luapan.
Neraca air sederhananya dapat ditulis sebagai:
Q make-up = Q evaporasi + Q blowdown + Q drift + Q kehilangan lain
Persamaan tersebut memperlihatkan kelemahan pendekatan yang hanya menggunakan luas bangunan atau jumlah rak server. Dalam penelitian maupun perencanaan, pendekatan semacam itu terlalu menyederhanakan persoalan. Perhitungan yang dapat dipertanggungjawabkan harus mempertimbangkan beban panas, kondisi iklim, jam operasi, jenis sistem pendingin, kualitas air sumber, dan target cycles of concentration.
Apa itu cycles of concentration pada cooling tower?
Ketika air menguap, mineral di dalamnya tertinggal. Akibatnya, konsentrasi mineral dalam air sirkulasi menjadi lebih tinggi daripada dalam air make-up. Perbandingan tingkat pemekatan ini disebut cycles of concentration (CoC).
Secara sederhana, CoC dapat diperkirakan melalui perbandingan konduktivitas:
CoC ≈ Konduktivitas blowdown / Konduktivitas make-up
CoC yang lebih tinggi dapat mengurangi kebutuhan blowdown, tetapi juga meningkatkan risiko kerak, korosi, dan gangguan operasi. Karena itu, CoC tidak seharusnya dipilih hanya untuk mengejar efisiensi air. Nilainya perlu ditetapkan melalui evaluasi kualitas air, batas material, dan kemampuan sistem pengolahan.
2. WUE sebagai ukuran penggunaan air data center
Industri data center menggunakan Water Usage Effectiveness (WUE) untuk membandingkan penggunaan air dengan energi yang dipakai peralatan teknologi informasi. Metrik ini berguna untuk evaluasi awal, tetapi penggunaannya harus disertai definisi batas sistem yang konsisten.
WUE = Penggunaan air tahunan di lokasi (L) / Energi tahunan peralatan IT (kWh)
Satuan WUE adalah L/kWh.
Sebagai contoh, sebuah data center memiliki beban IT rata-rata 1 MW dan beroperasi sepanjang tahun. Jika WUE diasumsikan 0,7 L/kWh, maka:
- Energi tahunan peralatan IT:
1.000 kW x 8.760 jam = 8.760.000 kWh - Penggunaan air tahunan:
0,7 L/kWh x 8.760.000 kWh = 6.132.000 L
Jadi, penggunaan airnya sekitar 6,13 juta liter per tahun.
Perhatikan batas contoh. Nilai 0,7 L/kWh di atas hanya digunakan untuk menunjukkan cara menghitung. Nilai WUE aktual harus diukur pada fasilitas yang bersangkutan. Saat membandingkan beberapa data center, pastikan batas perhitungannya sama, misalnya seluruh lokasi atau hanya sistem pendingin.
Dalam telaah desain, tidak disarankan penggunaan nilai WUE sebagai satu-satunya dasar untuk menentukan kapasitas instalasi pengolahan air. Perencana setidaknya memerlukan diagram sistem pendingin, debit air baku, target CoC, jam operasi, daftar bahan kimia beserta lembar keselamatannya, dan rute akhir pembuangan atau penggunaan kembali air.
3. Kualitas air data center: bedakan FWS, TCS, dan make-up cooling tower
Salah satu kekeliruan mendasar dalam membaca spesifikasi adalah menganggap seluruh air di data center memiliki persyaratan yang sama. Setiap angka kualitas air selalu terkait dengan titik sampling, jenis sirkuit, material, dan kondisi operasi tertentu.
Tiga jenis air yang perlu dibedakan adalah:
- Air make-up cooling tower, yaitu air baru untuk mengganti kehilangan air pada sistem terbuka.
- Facility Water System (FWS), yaitu sirkuit air di sisi fasilitas yang umumnya memasok Coolant Distribution Unit (CDU).
- Technology Cooling System (TCS), yaitu sirkuit di sisi perangkat IT atau server setelah dipisahkan dari FWS menggunakan penukar panas.
FWS dan TCS biasanya merupakan sistem tertutup. Sebaliknya, cooling tower adalah sistem terbuka yang mengalami penguapan dan pemekatan mineral. Perbedaan fisik ini menjadi alasan ilmiah mengapa standar kualitas airnya tidak dapat dipertukarkan.
Panduan kualitas air FWS dan TCS dari ASHRAE TC 9.9
Tabel berikut merangkum panduan ASHRAE TC 9.9 untuk sistem pendingin berbasis air. Angka ini bukan spesifikasi air baku atau air minum.
| Parameter | FWS | TCS |
|---|---|---|
| pH | 7-9 | 8,0-9,5 |
| Sulfida | <10 mg/L | <1 mg/L |
| Sulfat | <100 mg/L | <10 mg/L |
| Klorida | <50 mg/L | <5 mg/L |
| Bakteri | <1.000 CFU/mL | <100 CFU/mL |
| Kesadahan total sebagai CaCO3 | <200 mg/L | <20 mg/L |
| Residu setelah penguapan | <500 mg/L | <50 mg/L |
| Kekeruhan | <20 NTU | <20 NTU |
| Konduktivitas | Tidak ditetapkan dalam tabel | 0,2-20 µS/cm |
| Padatan tersuspensi total | Tidak ditetapkan dalam tabel | <3 mg/L |
ASHRAE juga mencantumkan kebutuhan inhibitor korosi pada kedua sirkuit dan biosida pada TCS. Namun, angka dalam tabel tetap harus diperiksa bersama persyaratan material, jenis cairan, dan ketentuan dari produsen peralatan.
Mengapa panduan OCP untuk TCS bisa berbeda?
Open Compute Project (OCP) memberikan contoh spesifikasi operasi untuk TCS tertutup berbasis air yang memakai inhibitor. Contohnya mencakup:
- pH 8,0-10,5;
- kesadahan <30 mg/L sebagai CaCO3;
- TSS <5 mg/L;
- kekeruhan <5 NTU;
- bakteri saat operasi <100 CFU/mL; dan
- konduktivitas <1.500 µS/cm pada 25 C setelah pengolahan.
Nilai konduktivitas tersebut jauh lebih tinggi daripada angka dalam panduan ASHRAE. Perbedaan ini dapat terjadi karena penambahan inhibitor menaikkan konduktivitas cairan. Kasus ini memberi pelajaran metodologis yang penting: angka yang lebih rendah tidak otomatis lebih benar. Spesifikasi harus ditafsirkan dalam konteks cairan, material, metode pengukuran, dan komponen yang benar-benar digunakan.
OCP juga memberikan batas klorida berdasarkan jenis material. Sebagai contoh, batasnya <50 mg/L untuk stainless steel 304 dan <500 mg/L untuk stainless steel 316.
Jangan tertukar. Batas kualitas air TCS tidak boleh langsung diterapkan pada air make-up cooling tower. Air pada cooling tower mengalami penguapan dan pemekatan mineral sehingga memerlukan pendekatan desain yang berbeda.
Untuk penilaian awal air sumber, parameter yang perlu diuji meliputi pH, konduktivitas atau TDS, kesadahan, alkalinitas, klorida, sulfat, silika, TSS atau kekeruhan, dan mikrobiologi.
4. Unit pengolahan air masuk data center: mulai dari uji air
Pemilihan unit pengolahan harus dimulai dari hasil uji air sumber dan spesifikasi peralatan. Dalam berbagai diskusi desain, RO kerap ditempatkan sebagai solusi utama sebelum persoalannya dirumuskan. Urutan berpikir tersebut perlu dibalik: tentukan lebih dahulu kualitas air yang harus dicapai, kemudian pilih unit yang mampu mencapainya.
EPA menyebut softener, RO, dan demineralisasi sebagai beberapa pilihan prapengolahan. Unit yang digunakan bergantung pada kandungan mineral air masuk dan batas operasi sistem.
A. Air make-up cooling tower
Rangkaian awal yang dapat dipertimbangkan adalah:
Tangki air baku → saringan atau filtrasi → softener bila diperlukan → tangki air olahan → cooling tower
Pada sirkuit cooling tower, biasanya ditambahkan antikerak, inhibitor korosi, dan biosida. Sistem juga perlu dilengkapi dengan meter air make-up, meter blowdown, dan pengendali blowdown berbasis konduktivitas.
RO atau demineralisasi baru dipertimbangkan jika kualitas air baku dan target CoC menunjukkan bahwa unit tersebut memberi manfaat operasional.
B. Air sirkulasi cooling tower
Air sirkulasi dapat diolah menggunakan side-stream sand filter atau cartridge filter untuk mengurangi sedimen. Pengolahan ini tetap perlu disertai pemberian bahan kimia dan pemantauan untuk mengendalikan kerak, korosi, dan pertumbuhan mikroba.
C. FWS atau chilled-water loop tertutup
Pada sistem tertutup, pengolahan umumnya meliputi:
- filtrasi ketika pengisian;
- pengendalian kesadahan atau mineral sesuai spesifikasi peralatan;
- penambahan inhibitor yang kompatibel; serta
- pemantauan kualitas air selama operasi.
Kebutuhan air baru biasanya berasal dari pengisian awal dan penggantian air yang hilang saat perawatan atau kebocoran. Program kimia untuk cooling tower terbuka tidak boleh langsung diterapkan pada sirkuit tertutup.
D. TCS atau direct-to-chip liquid cooling
TCS memerlukan air atau cairan yang memenuhi spesifikasi pemasok. Tahap pengolahannya dapat mencakup filtrasi halus, penyiapan inhibitor, pengisian, flushing, dan pemantauan sirkuit.
Karena TCS berada di sisi perangkat IT, kompatibilitas cairan dengan cold plate, pipa, sambungan, dan penukar panas menjadi sangat penting. Panduan OCP meminta tahap final flushing menggunakan cairan yang sama dengan cairan operasi.
Selama operasi, parameter yang sebaiknya dicatat meliputi pH, konduktivitas, kesadahan, jumlah bakteri, konsentrasi inhibitor, tampilan cairan, dan beban filter.
5. Dari mana limbah cair data center berasal?
Pada data center dengan pendinginan evaporatif, limbah yang paling khas adalah blowdown cooling tower. Air ini mengandung mineral terlarut dengan konsentrasi lebih tinggi daripada air make-up. Air tersebut juga mungkin mengandung biosida dan inhibitor korosi.
Jika data center tidak menggunakan cooling tower evaporatif, aliran blowdown dapat tidak ada. Limbah cair kemudian lebih banyak berasal dari kegiatan domestik, perawatan, pencucian, atau unit pengolahan air.
| Sumber limbah | Karakter utama | Penanganan awal |
|---|---|---|
| Blowdown cooling tower | TDS, kesadahan, klorida, atau silika lebih pekat; mungkin mengandung biosida dan inhibitor | Pisahkan, uji, lalu nilai kesesuaiannya untuk dibuang atau digunakan kembali |
| Konsentrat RO | Garam dan mineral terlarut terkonsentrasi | Pisahkan dan siapkan rute pembuangan yang sesuai |
| Air cuci balik filter, regenerasi softener, dan flushing | Dapat mengandung padatan, garam regenerasi, atau bahan kimia pembersih | Tampung dan karakterisasi setiap aliran sebelum dicampur |
| Limbah sanitasi | Mengandung bahan organik dan mikroorganisme dari aktivitas domestik | Alirkan ke sistem sanitasi atau IPAL domestik |
Proses biologis sesuai untuk mengolah bahan organik dalam limbah domestik. Namun, proses tersebut tidak dirancang untuk menghilangkan TDS dari blowdown atau konsentrat RO. Karena itu, kedua jenis limbah ini tidak boleh langsung dianggap dapat diolah dengan rangkaian biologis yang sama.
6. Skema awal pengolahan blowdown cooling tower
Skema sederhana yang dapat digunakan sebagai titik awal adalah:
Blowdown → tangki penampung atau ekualisasi → penyesuaian pH → pengolahan sisa biosida atau oksidator → filtrasi atau pengendapan bila TSS tinggi → titik pengambilan sampel → pembuangan atau pengolahan lanjut
Rangkaian tersebut harus dipahami sebagai kerangka analisis, bukan desain universal. Unit akhirnya hanya dapat ditetapkan setelah hasil uji limbah, bahan kimia yang digunakan, tujuan pembuangan, dan peraturan di lokasi proyek tersedia.
Jika ingin menghemat air, blowdown yang telah dipraolah dapat diproses lebih lanjut menggunakan nanofiltrasi atau RO. Permeatnya berpotensi digunakan kembali sebagai air make-up. Meskipun demikian, RO tidak memusnahkan garam. Unit ini memindahkan sebagian besar garam ke aliran konsentrat sehingga perencana tetap harus menentukan cara pengelolaan konsentrat akhirnya.
Air blowdown yang belum memenuhi persyaratan guna ulang juga tidak boleh langsung digunakan untuk penyiraman atau kegiatan yang memungkinkan kontak manusia. Air tersebut dapat mengandung mikroorganisme dan bahan kimia pengolahan.
7. Langkah berpikir untuk kajian teknis
Dalam penyusunan kajian teknis, urutan berikut dapat digunakan agar pemilihan teknologi tidak dilakukan sebelum persoalan dasarnya dipahami:
- Kenali sistem pendingin. Tentukan apakah fasilitas menggunakan cooling tower, FWS, TCS, atau gabungan beberapa sistem.
- Tentukan titik air. Bedakan air baku, air make-up, air sirkulasi cooling tower, FWS masuk CDU, dan TCS keluar CDU menuju rak.
- Uji kualitas air sumber. Jangan memilih unit pengolahan sebelum data kualitas air tersedia.
- Periksa material dan ketentuan pemasok. Cocokkan kualitas air dengan batas untuk pipa, penukar panas, cold plate, dan bahan kimia yang digunakan.
- Susun neraca air. Hitung evaporasi, blowdown, drift, dan kehilangan lainnya.
- Pisahkan setiap aliran limbah. Karakterisasi blowdown, konsentrat RO, air regenerasi, air flushing, dan limbah domestik sebelum menentukan pengolahannya.
- Tentukan tujuan akhir air. Pilih apakah air akan dibuang, digunakan kembali, atau diolah lebih lanjut sesuai persyaratan setempat.
Gagasan utama. Kebutuhan dan pengolahan air pada data center tidak dapat ditentukan dengan satu angka atau satu rangkaian unit. Kesimpulan teknis yang kuat harus dibangun dari jenis sistem pendingin, neraca air, kualitas air sumber, material peralatan, dan tujuan akhir limbah. Prinsip yang perlu dipegang adalah sederhana: setiap angka harus memiliki titik sampling, setiap unit harus memiliki alasan pemilihan, dan setiap aliran limbah harus memiliki tujuan akhir yang jelas.
Referensi utama
- ASHRAE TC 9.9, Water-Cooled Servers. whitepaper_tc099-watercooledservers.pdf
- Open Compute Project, Cold Plate Liquid Cooling Requirements.
- Open Compute Project, Guidelines for Using Water-Based Transfer Fluids in Single-Phase Cold-Plate Based Liquid-Cooled Racks.
- Open Compute Project, CDU Test Methodology.
- U.S. EPA WaterSense at Work, Section 6.3 Cooling Towers dan Section 8 Alternative Water. EPA WaterSense BMP
- U.S. Department of Energy FEMP, Best Management Practice 10: Cooling Tower Management. FEMP BMP 10
- U.S. Department of Energy FEMP, Cooling Water Efficiency Opportunities for Federal Data Centers.
Leave a Reply