Die doppelt freie Kühlung im Rechenzentrum

Keine Tags | RZ News

Die doppelt freie Kühlung im Rechenzentrum ermöglicht Einsparungen von über 90 %!

Die doppelt freie Kühlung im Rechenzentrum. Energie zu senken und Energie rückzugewinnen haben bei der Kühlung von Rechenzentren oberste Priorität. Und schon bei der Planung. Ein Rechenzentrum hat die Besonderheit, dass der Serverraum durch den Wärmeanfall der Server ganzjährig gekühlt werden muss. Die freie Kühlung, ob direkt oder indirekt, spielt dabei eine große Rolle. Allerdings verändern sich die Randbedingungen für den Betrieb im Laufe eines Jahrs, was eine Optimierung der Anlagentechnik erschwert. Im folgenden Beitrag werden die Betriebsfälle aufgezeigt, die für ein mit Personen besetztes Rechenzentrum im Laufe eines Jahrs bei doppelter freier Kühlung vorkommen.
Wie für all diese Randbedingungen ein Gerät optimiert werden kann, zeigt der folgende Beitrag.

Um die Zusammenhänge für die Klimatisierung eines Rechenzentrums bzw. Datacenters zu optimieren, ist es sinnvoll, die gesamte Anlagentechnik und deren Parameter, einschließlich IT-Geräte, ganzheitlich zu betrachten, wie Prozessoren mit geringerer Wärmelast, Prozessoren, die auch bei höheren Temperaturen sicher funktionieren, die Luftströmung im Rechnerschrank und im Rechnerraum, die Raumdichtheit, die Kälteerzeugung und die Klimageräte. Eine ganzheitliche Betrachtung ist erfolgreich, wenn jeder einzelne Teilbereich auch für sich selbst optimiert wird. Dazu gehört unter anderem das Klimagerät als Herzstück der Klimatisierung von Rechenzentren.
Für ein Bauvorhaben des Staatlichen Bauamts 1 in München wurde mit diesem Ansatz ein neuartiges Klimagerät entwickelt, das für ein kleines Rechenzentrum mit einer maximalen Kühllast von 32 kW konzipiert wurde. Gesucht wurde die optimale Klimatechnik.

 

Umsetzung des Konzepts

Personen, die sich in einem Serverraum aufhalten, erschweren die Optimierung der Anlagentechnik, die darauf ausgerichtet ist, den Energiebedarf zur Klimatisierung durch Nutzung der freien Kühlung deutlich zu senken. Für die Personen muss genügend Außenluft in den Raum eingebracht und auf zulässige Raumtemperaturen und Raumluftfeuchten geachtet werden. Zusätzlich werden noch unterschiedliche Feuchteober- und -untergrenzen von der IT gefordert. Für diesen Fall wurde die doppelte freie Kühlung entwickelt.
Die Herausforderung bei der Konstruktion des Klimageräts für die doppelte freie Kühlung bestand darin, verschiedene Kühlarten (Betriebsfälle), wie direkte und indirekte freie Kühlung und maschinelle Kühlung, zu kombinieren und einzeln zu optimieren (siehe cci Wissensportal: cci9155). Es sollte ein steckerfertiges Klimakompaktgerät entstehen, das alle Komponenten für die unterschiedlichen Kühlarten, für die Be- und Entfeuchtung, für die Kälteerzeugung und für die MSR-Technik beinhaltet. Je nach Außenluftzustand, Raumluftzustand und aktueller Kühllast sollte das Klimakompaktgerät lastabhängig betrieben werden können.

Die Geräteauslegung
Das Klimakompaktgerät wurde für den Betriebsfall der maschinellen Kühlung mit einem Δt (TABL – TZUL) von 12 K ausgelegt. Bei freier Kühlung (direkt und indirekt) wird es mit einem höheren Δ t und damit wesentlich kleinerem Luftvolumenstrom betrieben, was den Energiebedarf der Antriebe verringert. Wenn IT-Räume selten mit Personen besetzt sind und Kalt- und Warmgänge genutzt werden, kann eine höhere Ablufttemperatur und damit ein größeres Δt gewählt werden, um den Energiebedarf der Anlage weiter zu senken.
Das Gerät wurde so konzipiert, dass durch verschieden nutzbare Luftströmungswege bei jeder Betriebsart nur die aktuell benötigten Einbauteile durchströmt werden, um die internen Widerstände so gering wie möglich zu halten. Durch die zumeist parallelen Strömungswege entstehen unterschiedliche Luftdurchmischungen. Bei dem häufigsten Betriebsfall der direkten freien Kühlung entstehen die geringsten Innenwiderstände im Gerät.

Die Projektumsetzung
Für das Bauvorhaben des Staatlichen Bauamts 1 in München wurden zwei Klimageräte mit je 8.000 m³/h für eine maximale Kühllast von 32 kW konstruiert. Die Geräte befinden sich wie vor dem Umbau in einem zum Rechenzentrum benachbarten Maschinenraum. Die Luft wird mit großflächigen Filtern der Klasse F7 gereinigt. Im Betrieb wird dafür gesorgt, dass beide Klimageräte mit reduziertem Volumenstrom laufen. Beim Ausfall eines Geräts läuft das noch betriebsfähige mit dem Nennvolumenstrom. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Betriebssicherheit befinden sich keinerlei Komponenten der Kältetechnik, die mit dem Klimagerät verbunden sind, im Freien. Die Außenluftansaugung befindet sich in einem für Fremde nicht zugänglichen Innenhof.

Der Energiebedarf
Vor der Auslieferung des Klimageräts wurde eine Werksprüfung bei der Huber & Ranner GmbH, Pocking, durchgeführt. Unter Laborbedingungen wurden die einzelnen Außenluftzustände soweit wie möglich simuliert. Das Ergebnis belegte die prognostizierte Energieeinsparung von 70 % gegenüber gut ausgelegten Umluftkühlgeräten mit Freiläuferventilatoren und EC-Motorentechnik. Gegenüber Freikühlern mit indirekter freier Kühlung und Kompaktkühlgeräten mit direkter freier Kühlung sowie Be- und Entfeuchtung ergab sich eine Energieeinsparung von 50 %.
Der Energiebedarf wird auf der Luftseite durch kleine innere Widerstände im Klimagerät durch die Teilstrombildung erreicht und auf der Kälteseite durch die Nutzung der direkten und indirekten freien Kühlung. Geregelt wird die Freikühlkombination mit einer speziell entwickelten Regeltechnik der pala GmbH, Grafing, mit Komponenten der Saia Burgess Control AG, Murten/Schweiz.
Die direkte freie Kühlung kann bei vergleichbarer Zulufttemperatur wesentlich höhere Außentemperaturen nutzen als eine indirekte freie Kühlung. Zudem können mit einer direkten freien Kühlung niedrige Temperaturen im Kaltgang und im Raum ohne maschinelle Kühlung erreicht werden.

Messungen vor Ort
Die Anlagen im Rechenzentrum in München wurden im Dezember 2010 installiert und erreichen bisher weitgehend die gewünschten Betriebspunkte und den aus Einzelmessungen bei der Werksprüfung hochgerechneten Energieverbrauch. Der Umbau im Rechenzentrum senkt nach ersten Hochrechnungen den Primärenergiebedarf um 85 %, da zuvor ein veraltetes System mit direkter freier Kühlung und nicht optimierter Luftführung eingesetzt wurde. Neben dem erhöhten Strombedarf benötigte das vorhandene Anlagensystem sogar Heizenergie und verbrauchte im Jahr mehr Energie für die Befeuchtung als für die maschinelle Kühlung.
Das Verhältnis des Energiebedarfs der Klimatechnik zur IT-Einrichtung reduziert sich bei dem betrachteten Bauvorhaben von 0,9 auf 0,12. Die prognostizierten Werte des optimierten Rechenzentrums ergeben einen PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) von 1,5 und einen EER von etwa 14. Der PUE-Wert ist allerdings mit Vorsicht zu genießen (siehe Lexikon: PUE). Man sollte beachten, dass ein reduzierter Energiebedarf der IT die Voraussetzung für eine größtmögliche Gesamtenergieeinsparung ist. Jedes nicht installierte kW bei der IT muss nicht als Wärme über die Klimaanlage abgeführt werden und erzeugt auch bei der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) weniger Verluste.
Früher eher vernachlässigte Energieverbraucher, wie die Pumpe für das Kreislaufverbundsystem, werden im Verhältnis zum Gesamtenergiebedarf zu wichtigen Bauteilen, die beachtet werden müssen. Nach Abschluss der Optimierung werden die Betriebszustände, der Energiebedarf und die sonstigen Betriebskosten über einen längeren Zeitraum, mindestens über ein Jahr, erfasst, um die prognostizierten Einsparungen zu belegen.

Anwendungsmöglichkeiten
Für andere Bauvorhaben können die Klimageräte je nach Platzbedarf mit höheren oder niedrigeren Volumenströmen und Kühllasten individuell konstruiert und in der Anzahl beliebig kombiniert werden. Das Klimagerät kann auch in IT-Räumen ohne Personenbelegung mit Kalt- und Warmgängen und in anderen Bereichen und Klimazonen eingesetzt werden, vor allem wenn ein ganzjähriger Kühlbetrieb erforderlich ist und relativ niedrige Raumtemperaturen gewünscht sind. Das Klimagerät muss dabei konstruktiv an den jeweiligen Betriebsfall angepasst werden, der in der Summenhäufigkeit der Außenluftzustände am Einsatzort am häufigsten auftritt.

Die Randbedingungen

Als erste Maßnahme wurde darauf geachtet, dass im Serverraum Warm- und Kaltzonen entstehen. Reine Warm- und Kaltgänge waren bei der Sanierung aufgrund der Gegebenheiten vor Ort nicht möglich. Für die Zuluft-Zuführung wurden im Doppelboden auf einer Seite der IT-Geräte Schlitzplatten mit sehr geringem Widerstand verlegt. Die ausströmende Luft wird von den IT-Geräten angesaugt, durchströmt diese und wird dabei erwärmt. Die erwärmte Luft wird direkt über den IT-Geräten über Luftgitter an der Decke abgesaugt und über ein Luftkanalnetz zonenweise zum jeweiligen Klimagerät geführt. Der Luftvolumenstrom des Klimageräts wird anhand einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen der Zuluft und der Abluft stufenlos entsprechend der aktuellen Kühllast geregelt. Bei Bedarf wird der Volumenstrom punktuell oder insgesamt erhöht, wenn es an den kritischen Stellen der IT-Einrichtungen zu warm werden sollte. Die Zulufttemperatur liegt zwischen 16 und 20 °C, bei einer konstanten Ablufttemperatur von 32 °C. So wird in der Kaltzone eine Raumtemperatur von zumeist 21 °C erreicht (max. 25 °C) bei einer Raumfeuchte von 25 bis 60 % r. F. (relative Feuchte) und einer maximalen Zuluftfeuchte von 80 % r. F.

Kein Standard beim Klimagerät

Bei der Betrachtung der Randbedingungen wurde schnell klar, dass für die verschiedenen Betriebsfälle während eines Jahrs nur jeweils unterschiedliche Anlagenausführungen zur optimalen Anlage führen würden. Eine Standardlösung wäre daher immer nur für einen Betriebsfall das Optimum und für alle anderen Fälle ein Kompromiss gewesen, bei dem noch annehmbare Ergebnisse erzielt werden. Um alle Energieeinsparpotenziale nutzen zu können, ist eine flexible Systemlösung gefragt.
Für den Betrieb der Anlage während eines Jahrs wurden acht verschiedene Betriebsfälle definiert und in einem h,x- Diagramm markiert (Abb. 2). Für jeden dieser Betriebsfälle wurde die optimale Anlagenlösung konzipiert und im Klimagerät umgesetzt. Für jeden Betriebsfall werden die Ventilatoren, die Wärmeübertrager und die Klappen einzeln geregelt, sodass auf jeden Außenluftzustand reagiert werden kann und stets der geringste Stromverbrauch entsteht. Für die Berechnung der Stromverbräuche wurde für jeden Außenluftzustand die bekannte Summenhäufigkeit herangezogen.

Zur Senkung des Antriebsenergiebedarfs der Ventilatoren wurden für jeden Betriebsfall parallele Teil- und Mischluftströme durch die einzelnen Komponenten des Klimageräts geregelt geführt. Folgende acht Betriebsfälle wurden dabei unterschieden (Abb. 2):

  • Indirekte Freie Kühlung (Nr. 1)
    Bei niedrigen Außentemperaturen mit niedriger absoluter Feuchte wird die indirekte freie Kühlung eingesetzt. Nahezu die komplette Außenluft wird bei diesem Betriebsfall über die Wärmerückgewinnung (Kreislaufverbundsystem – KVS) geleitet und nimmt die Abluftwärme aus dem Serverraum indirekt auf und führt sie in die Umgebung ab. Ein sehr kleiner Außenluftanteil wird der Zuluft direkt zugeführt. Mit dieser Schaltung kann der Befeuchtungsaufwand sehr klein gehalten werden.
  • Direkte Freie Kühlung (Nr. 2 + 3)
    Die direkte freie Kühlung wird als Mischluftsystem bei mittleren Außentemperaturen und einer absoluten Feuchte bis 10 g/kg eingesetzt. Diese Kühlart kann während der Hälfte der Jahresbetriebsstunden genutzt werden. Das Klimagerät wurde deshalb so konstruiert, dass bei diesen beiden Betriebsfällen der geringste interne Druckverlust aller Betriebsfälle entsteht. Die Außenluft durchströmt hier nicht mehr das KVS, sondern wird auf parallelen Wegen vollständig der Zuluft zugeführt. Direkt vor dem Ventilator wird Umluft zugemischt. Der Betriebsfall 2 und 3 unterscheidet sich nur durch die Befeuchtung der Außenluft. Fällt die absolute Feuchte der Außenluft unter 4 g/kg, wird sie befeuchtet (Nr. 2).
  • Maschinelle Kühlung (Nr. 4 + 5)
    Bei Außenlufttemperaturen unterhalb der Ablufttemperatur von 32 °C wird eine maschinelle Kühlung eingesetzt. Bei diesen Fällen wird die warme Außenluft (in München durchschnittlich 22,5 °C) durch den Direktverdampfer auf die jetzt zulässige höhere Zulufttemperartur, beispielsweise 20 °C, abgekühlt und dem Raum zugeführt. Der im Klimagerät integrierte Kondensator der Kältemaschine wird durch die Fortluft gekühlt. Wie bei Nr. 2 und 3 unterscheidet sich 4 und 5 nur durch die Befeuchtung der Außenluft. Fällt die absolute Feuchte der Außenluft unter 4 g/kg, wird sie befeuchtet (Nr. 5).
  • Maschinelle Kühlung (Nr. 6)
    Bei Außenluft-Temperaturen oberhalb der Ablufttemperatur von 32 °C wird eine maschinelle Kühlung eingesetzt. Es wird nur mehr sehr wenig bis keine Außenluft mehr beigemischt, sondern hauptsächlich gekühlte Abluft als Zuluft dem Raum zugeführt. Die Kondensatorkühlung erfolgt jetzt durch die Außenluft.
  • Entfeuchtung
    Ab einem Wasserdampfgehalt von 12 g/kg wird die Außenluft geregelt entfeuchtet. Ein geringer Umluftanteil wird zur Nacherwärmung beigemischt.
  • Umluftkühlung
    Die Umluftkühlung ist als Notfallschaltung vorgesehen. Sollte die Außenluft kurzzeitig nicht verwendet werden können oder wenn aufgrund des Brandschutzfrühwarnsystems eine Sauerstoffreduzierung erforderlich ist, kann auf Umluftkühlbetrieb umgeschaltet werden.

Gerne können Sie sich den Artikel hier downloaden: Huber & Ranner CCI Artikel


Keine Kommentare

Hinterlasse einen Kommentar

Sie müssen eingeloggt sein um einen Kommentar hinterlassen zu können