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Hardware in gesunder Atmosphäre

Energieeffiziente Kühlung von Rechenzentren im Neubau und der energetischen Sanierung

Bild 1: Aufbau Kalt-/Warmgang und Einbindung des Kühlungsgerätes.

Bild 2: Aufbau eines Gerätes zur indirekten Kühlung.

 

Bild 3: Funktion bei adiabatischer Kühlung.

Bild 4: Anzahl der Betriebsstunden bezogen auf den Standort Frankfurt am Main.

Bild 5: Schematischer Aufbau eines wassergekühlten Systems mit Freikühler.

Bild 6: Einbindung des „Hybritemp“ in eine bestehende Installation.

Bild 7: Betriebsmodi in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur.

 

Das digitale Zeitalter bringt eine Menge an Daten mit sich. Einher steigt dadurch die Anzahl an Rechenzentren, um diese Datenflut zu sichern und zu verwalten. Allerdings ist die Kühlung der Serverräume energieaufwendig und kostenintensiv. Sie bilden damit eine große Herausforderung für den TGA-Fachplaner. Umso wichtiger ist es, sich mit dem Thema auseinanderzusetzen. Denn, gut geplante, hocheffiziente Kühlsysteme leisten sowohl einen großen Beitrag in der Reduktion der Kosten für die Kühlung, als auch für die Reduktion der Investitionskosten im Neubau und der energetischen Sanierung.

Der Neubau und die Sanierung von Rechenzentren stellen die Planungsteams vor immer neue Herausforderungen. Im Rahmen dieser Arbeiten müssen die Anforderungen an die Verfügbarkeit kostengünstig eingehalten werden. Dazu kommen die Anforderungen, die durch den Betrieb der IT-Technik gestellt werden. Die hohe Integration und Packungsdichte der Prozessoren führt dazu, dass Kühlleistungen von mehr als 1 kW je m² erforderlich werden. Diese Leistungsdichte stellt hohe Anforderungen an den Wärmetransport und damit an die Luftführung. So werden heute immer mehr Kalt- und Warmgang-Systeme mit Luftführungen ausgerüstet, um die Effizienz der Wärmeabfuhr zu verbessern. Diese Anstrengungen werden durch die Anforderungen der Verfügbarkeit und der Skalierbarkeit eines Rechenzentrums überlagert. Neu gebaute Rechenzentren werden häufig nicht sofort mit der vollen Leistung betrieben, diese wird oft erst nach einiger Zeit abgerufen. Dieser Ablauf stellt Anforderungen an die Energieversorgung und Kühltechnik. Die bestehende Leistung muss effizient abgefahren werden können. Das Konzept der Kühlung muss intelligent so erweitert werden, dass die Wärmeleistung in der letzten Ausbaustufe effizient abgeführt werden kann. Für die Kühltechnik bedeutet das, dass der Wirkungsgrad sowohl im Teillastbetrieb als auch im Vollastbetrieb optimal sein muss. Dabei darf nicht vergessen werden, dass praktisch jedes kW elektrischer Leistung in Wärme umgesetzt wird. Die innerhalb des Rechenzentrums anfallende Wärme kann über wasser- oder luftgeführte Systeme abgeleitet werden.

Luft als flexibles Kältemittel
Die schematische Darstellung (Bild 1) zeigt eine luftgeführte Kühlung der Serverracks. Das Einbringen der Zuluft über einen Doppelboden, vorzugsweise in Verbindung mit einer konstanten Druckregelung, ist hoch flexibel bei der Planung des Serverraumes und bei späteren Änderungen. Die Ausfallsicherheit ist sehr hoch, da in der Regel die Luft durch mehrere Kühlgeräte in den Doppelboden eingespeist wird. Dazu gesellt sich der Vorteil der Skalierbarkeit, denn die Anzahl der Geräte zur Kühlung kann mit den Servern wachsen. Der konstante Druck im Doppelboden sorgt für eine stabile Luftführung und gleichmäßige Zuluftmengen zu den einzelnen Servern. Sollte eines der Kühlgeräte ausfallen, können die anderen dieses Defizit ausgleichen, ohne dass die Verteilung der Luftversorgung zur Kühlung zusammenbricht. Bei diesem System sorgen intelligente Temperaturregelungen dafür, dass es nicht zur Kondensation von Wasser an Bauteilen kommen kann. Außerdem gibt es im Bereich der Server keine wasserführenden oder wartungsintensiven Bauteile, an denen es zur Kondensation kommen kann. Dadurch wird das mögliche Risiko von Schäden durch Leckagen oder Kondensation an Bauteilen deutlich verringert.
Die Wärmeübertragung findet ausschließlich über die Fläche eines Rekuperators statt (Bild 2). Dieses Prinzip der indirekten Kühlung hat den großen Vorteil, dass der Serverraum nicht mit der Außenluft in Kontakt kommt, so können Partikel oder Schwebstoffe von außen über die Anlage nicht in den Serverraum gelangen. Des Weiteren verbleibt die Luft im Serverraum und dem Kanalsystem. Über diesen Weg wird die Sicherheit durch Sauerstoffverdrängungsanlagen nicht beinträchtig, da keine Verdünnung durch die Außenluft erfolgt. Filter in der Abluft reduzieren dabei kontinuierlich die Anzahl der Schwebstoffe aus der Abluft.

Adiabate Unterstützung
Das Prinzip der indirekten Kühlung in Verbindung mit einem Hochleistungsrekuperator sorgt hingegen für eine effiziente Kühlung durch den Einsatz des adiabaten Prinzips (Bild 3). Hierbei wird Wasser direkt von oben entgegen der Luftrichtung in den Außenluftweg des Rekuperators gesprüht. Dabei verdampft das Wasser gegen die Außenluft, welche sich gemeinsam mit dem Wasser auf die Feuchtkugeltemperatur abkühlt. Die dazu erforderliche Wärme wird der Abluft über die Platten des Rekuperators sensibel entzogen. Hierbei wird immer die größtmögliche Temperaturdifferenz genutzt. Die Regelung der Kühlleistung erfolgt energieeffizient über die Drehzahlregelung der Ventilatoren. Die integrierte Kühlung des Gerätes kann mehrere Funktionen übernehmen, so wird sie hauptsächlich zur Sicherstellung der Kühlleistung, auch bei extremen Wettersituationen, genutzt. Sie kann aber auch zur Redundanz eingesetzt werden, wenn mehrere Geräte in einem Verbund betrieben werden. Im Falle eines Geräteausfalls kann die fehlende Kühlleis­tung durch die Kältetechnik abgedeckt werden.
Diese Anordnung stellt nahezu ganzjährig ein energieeffizient geregeltes Klima zur Verfügung. Am Beispiel eines Rechenzentrums an einem Standort im Raum Frankfurt, mit einer Ablufttemperatur von 35 °C und einer gewünschten Zulufttemperatur von 22 °C, kann die Wärme des Rechenzentrums mehr als 75 % der jährlichen Betriebszeit mit der indirekten freien Kühlung abgefahren werden (Bild 4).

Umluft-Kühlgeräte für gleichbleibende Temperaturen
Die Leistungsfähigkeit des Rekuperators und der adiabatischen Kühlung sorgen dafür, dass die Konditionen im Rechenzentrum nahezu ganzjährig gehalten werden können. Vonseiten des Betreibers ist es prüfenswert, ob an manchen Stunden im Jahr – in der Beispielauswertung in Bild 4 sind es 23 Std. – die Zulufttemperatur etwas höher als 22 °C sein darf, oder ob die 22 °C gehalten werden müssen. In diesem Fall ist der Einsatz einer integrierten Kältetechnik ratsam. Mithilfe des Verdampfers in der Zuluft, kann die Temperatur der Zuluft auch unter extremen Außenluftbedingungen konstant auf 22 °C gehalten werden. Die leistungsgeregelte Kältetechnik wird so klein wie möglich dimensioniert, um eine geringe Anschlussleistung des Gerätes sicherzustellen. Eine möglichst niedrige Anschlussleistung sowie eine geringe Leistungsaufnahme für die Kühlung, entlasten die Notstromversorgung bei Ausfällen. Der Durchschnitt der ausgeführten Installationen dieser Geräte weist einen Partial power usage effectiveness (pPUE) Wert von 1,08 aus, was einem sehr guten Wert entspricht. Die Verfügbarkeit über alle Installationen liegt bei 99,97 %.
Diese Lösung ist für den Neubau oder die Sanierung eines mit Luft gekühlten Rechenzentrums einfach zu realisieren. In der Vergangenheit sind viele Rechenzentren mit Umluft-Kühlgeräten gebaut worden. Im Falle einer energetischen Sanierung ist der Umbau auf eine Kühlung mit Luft praktisch nicht möglich, denn die baulichen Verhältnisse lassen die Integration des Kanalsystems nicht zu.

Ein weit verbreitetes System
Das klassische Rechenzentrum wird mit Wasser gekühlt, dazu stehen im Serverraum Umluft-Kühlgeräte. Die warme Luft wird mit einem Ventilator aus dem Raum gesaugt und über ein Kühlregister geführt. Kaltes Wasser nimmt die Wärme aus dem Raum auf und kühlt die Luft, die zurück in den Doppelboden geführt wird. Das Kühlwasser für das Kühlregister wird außerhalb des Gebäudes in einem Kaltwassersatz heruntergekühlt, welcher praktisch immer in Betrieb ist.
Einige Installationen haben einen zusätzlichen Freikühler (Bild 5), welcher in den Wasserkreis integriert ist. Der Freikühler ermöglicht die Abgabe der Wärme aus dem Rechenzentrum direkt an die Außenluft. Diese Anordnung bringt hohe Anforderungen an den Frostschutz der Installation mit sich. In der Regel sind zwei Gewerke eines Herstellers oder gar von zwei unterschiedlichen Herstellern miteinander zu verbinden. Im Falle einer Nachrüstung müssen die Regelungen miteinander verbunden und beide Installationen in ein übergeordnetes Regelprinzip überführt werden. Diese Abstimmungen erfordern üblicherweise viel Zeit vor Ort für das Feintuning.

All-in-One dank hybrider Technik
Ein hybrider Kaltwassersatz vereint diese Funktionen in einer Einheit (Bild 6). Ein großzügig dimensionierter Rekuperator ist in der Lage, die Wärme des Rechenzentrums über einen großen Wasser-Wasser Rekuperator gegen die Außenluft abzufahren. Über den Wasser-Wasser Rekuperator wird das Gerät hydraulisch vom Gebäude getrennt. Die Leistung wird energieeffizient durch die Drehzahl des Ventilators geregelt. Bei steigenden Außentemperaturen wird die Funktion der freien Kühlung durch den Einsatz von adiabatischer Kühlung im Rekuperator vergrößert. Die Außenluft wird durch die Befeuchtung nahezu bis auf die Feuchtkugeltemperatur abgekühlt. Die Wärme des Rechenzentrums verdampft das Wasser und der Wasser­überschuss sorgt dafür, dass die Feuchtkugeltemperatur der Außenluft gehalten wird. Mit diesen Komponenten lässt sich die Wärmeabfuhr des Rechenzentrums über einen langen Zeitraum im Jahr realisieren.
Bild 7 verdeutlicht diesen Effekt. Die rote Linie zeigt die Häufigkeit der Außentemperaturen in einem Jahr, bezogen auf den Standort Berlin. Das grüne Feld zeigt den Einsatzbereich der freien und adiabatischen Kühlung bei einer Vorlauftemperatur von 16 °C für das kalte Wasser. Bei steigenden Außentemperaturen wird das Wasser innerhalb der Freikühlfunktion und mithilfe der integrierten dx-Kältemaschine gekühlt. Mit der integrierten Hydraulik wird die Wärme in der Übergangszeit mit der Freikühlfunktion und dem Verdampfer abgefahren. Ein Kondensator gibt die Wärme des Kältekreises in die Fortluft ab.
Eine Installation mit einer Kälteleistung von 100 kW nimmt, bei einer Außentemperatur von 8 °C, eine elektrische Leistung von ca. 6 kW auf.

Kältemaschine nur bei Lastspitzen
Bei Außentemperaturen, die größer als 16 °C sind, wird die gesamte Wärme über die integrierte Kältemaschine gedeckt. Der Rekuperator wird zur Abfuhr der Kondensationswärme genutzt. Diese Kombination führt dazu, dass die Kondensationswärme gegen die Feuchtkugeltemperatur der Außenluft abgeführt werden kann. Die Kondensationstemperatur ist dadurch deutlich kleiner als bei konventionellen Systemen. Bezogen auf das Beispiel mit einer Kälteleistung von 100 kW und einer Außenlufttemperatur von 32 °C mit einer relativen Feuchte von 40 %, liegt die elektrische Aufnahmeleis-tung der Verdichter bei 16,9 kW. Insgesamt entspricht das einem EER von 6,3 für ein Wirkungsgradoptimiertes Gerät. Das „Hybritemp“ von Menerga beinhaltet beispielsweise alle Komponenten für die Kühlung und die Abfuhr der Wärme in die Außenluft. Dazu wird es mit einer Steuerung und Regelung geliefert, dessen Software, in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur und der Leistungsanforderung, automatisch den Betriebspunkt mit der geringstmöglichen Leistungsaufnahme findet.
Diese Technik ermöglicht die energetische Sanierung eines bestehenden Rechenzentrums mit Umluftkühlgeräten. Der größtmögliche Erfolg kann erzielt werden, wenn die Ventilatoren dieser Umluftkühlgeräte innerhalb der Sanierungsmaßnahme gegen EC-Motoren getauscht werden. Die Gesamteffizienz des Gebäudes kann dabei deutlich gesteigert werden. 

Autor: Dipl. Ing. (FH) Christian Zywicki,
technischer Referent bei Menerga GmbH,
Mülheim an der Ruhr


Bilder: Menerga GmbH

 


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