Mehrfach modulares Inroom Cooling mit IT-Case

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Mehrfach modulares Inroom Cooling mit IT-Case

Autor / Redakteur: Jürgen Loose / Jürgen Sprenzinger

Bei „IT-Case 3“ handelt es sich um ein energiesparendes, modulares, redundantes und komplettes „Inroom Cooling-System“. Es wurde von der Firma Huber & Ranner aus Pocking sowie von Erfinder Jürgen Loose gemeinsam entwickelt und für den Deutschen Rechenzentrumspreis 2014 vorgeschlagen. Loose stellt es hier vor.

Bei „IT Case 3“ handelt es sich um eine Weiterentwicklung des Vorgängermodells „IT Case 2“. Schon dieses brachte nachweislich Einsparungen bis zu 90 Prozent an Strom. Die Grundidee dabei ist, dieses System mehrfach modular zu nutzen, wobei kein Doppelboden mehr erforderlich ist.

Ein großes Modul stellt dabei einen Brandabschnitt dar. Es enthält mehrere kleine Module. Ein kleines Modul besteht aus zwei Klimakompaktgeräten und zwei IT-Reihen, welche die stark Verlustwärme produzierenden Server enthalten.

Zwischen den IT-Reihen befindet sich ein oben geschlossener Kaltgang. In den Kaltgang wird die Kühlluftmenge bedarfsgerecht, stirnseitig, waagerecht auf der gesamten Höhe des Kaltganges eingeblasen. Die Server-Lüfter saugen Kühlluft an und bringen die erwärmte Luft, die sich hinter der IT-Reihe bildet, in den jeweiligen Warmgang. Dort befindet am Ende das Klimakompaktgerät.
Kleiner Ausflug in die Vergangenheit

Das „Klimagebirge“ beweist, dass eine direkte freie Kühlung wesentlich wirtschaftlicher ist als die weltweit übliche, reine Umluftkühlung.

In den 80ziger Jahren war ich als Mitglied einer Arbeitsgruppe der damaligen Deutschen Bundespost Telekom wesentlich an der Entwicklung der modular gestalteten direkten freien Kühlung beteiligt. Für die Umrüstung der früheren Drehwählertechnik (für die Telekommunikation) auf eine stark Wärme erzeugende digitale Vermittlungstechnik (DIV-Technik) wurden für die dabei erforderliche Dauerkühlung spezielle Energiespargeräte entwickelt.

Dafür bekam die Arbeitsgruppe 1991 einen Umweltpreis . (Ich verweise dazu auf mein Fachbuch „Innovationen für Raumkühlung„ aus dem Jahr 1993.)

Im Jahre 1986 konnte ich den damaligen Postminister mit der Vorstellung meines Modells „Klimagebirge“ überzeugen, dass eine direkte freie Kühlung wesentlich wirtschaftlicher ist als die damals von einem großen Ingenieurbüro angedachte, weltweit übliche, reine Umluftkühlung, die so genannte DX-Kühlung. Schließlich waren etwa 10.000 Gebäude auf die DIV-Technik umzurüsten.

Das Modell „Klimagebirge“ und ein überzeugter Postminister

Seit meiner Pensionierung im Jahre 1995 habe ich lange an der Weiterentwicklung des damaligen Kühlsystems getüftelt und Zug um Zug dazu einige Erfindungen angemeldet. Dabei benutzte ich wiederum die Erkenntnisse, die sich aus dem Modell des „Klimagebirge“ ziehen lassen.

Bei den damaligen Klima-Anforderungen für die Räume der DIV-Technik spielte die Raumfeuchte keine Rolle. Viele Kollegen haben in den letzten Jahren versucht, das Telekom-Kühlsystem auf Rechenzentrumsräume umzusetzen.

Es wurde jedoch übersehen, dass es dort Feuchteanforderungen gibt und der Aufwand für ein ausreichendes Be- und Entfeuchten der Luft sehr hoch ist. Deshalb kam es dazu, dass von mehreren Firmen die indirekte freie Kühlung, eine besondere Art der Umluftkühlung, zuletzt in Kombination mit der adiabaten Kühlung (Verdunstungskühlung) entwickelt und energiesparend eingesetzt wurde.

Die Ersparnis

Mit diesem Kühlsystem sind bereits, je nach Anbieter, Einsparungen von 40 bis 70 Prozent gegenüber der üblichen Umluftkühlung möglich, allerdings nur dann, wenn die von „ASHRAE“ empfohlenen hohen Werte für die Zuluft bis zu 27 Grad Celsius und für die Abluft bis 37 Grad Celsius oder gar noch höher genutzt werden. Schließlich muss bei der indirekten freien Kühlung mit kalter Luft erst einmal kaltes Wasser und damit letztendlich kalte Zuluft zur Kühlung des Raumes erzeugt werden. Das bedeutet: Es gibt zwei nacheinander folgende Wärmeübergänge!

Bei einer üblichen indirekten freien Kühlung wird die aus dem Rechenzentrum abgesaugte warme Abluft (hier = Umluft) ständig um beispielsweise zehn Grad auf Zulufttemperatur abgekühlt und über einen Doppelboden als Zuluft in den Raum eingebracht. Die an der wärmsten Stelle des Raumes entstehende Temperatur bestimmt den gesamten Kühlluftvolumenstrom, der den IT-Gestellen über den Doppelboden und die darüber befindlichen diversen Kaltgänge zugeführt wird.

Wenn die „Wasserkühlung“ nicht reicht, wird eine Kältemaschine dazu geschaltet. Das für den Deutschen Rechenzentrumspres 2014 vorgestellte Kühlsystem IT-Case.3 kann bei zumeist genutzter niedriger Zulufttemparatur von etwa 18 Grad Celsius (und entsprechend niedrigerer Raumtemperatur) bis zu 90 Prozent Strom einsparen. Hauptgründe dafür sind die Nutzung der direkten freien Kühlung, kombiniert mit meiner für alle Klimageräte gültigen Erfindung, der Teilstrombildung.

Direkte freie Kühlung schlägt indirekte freie Kühlung

Durch diverse Beispiele kann ich beweisen, dass die direkte freie Kühlung viel länger benutzt werden kann, sprich: bis zu wesentlich höheren Außentemperaturen als die indirekte freie Kühlung. Sie ist, insbesondere bei der von mir erfundenen und hier angewendeten Teilstrombildung, besonders wirtschaftlich.

Für den Fall, dass die direkte freie Kühlung nicht genutzt werden kann, gibt es im gleichen Klimakompaktgerät zwei weitere freie Kühlarten, deren Nachteile hier eliminiert sind. Im Notfall sind mit dem Energiesparkompaktgerät eine übliche Umluftkühlung ohne oder mit etwas Freikühlung kombiniert möglich.

Derzeit gibt es nur einen einzigen Hersteller für diese Art von Klimakompaktgeräten und das auch nur für größere Kühllasten von von 20 Kilowatt oder mehr: die Firma Huber & Ranner GmbH aus Pocking .

Doppelte Filter

Solange die Außenluft weder zu feucht noch zu trocken ist und die erlaubte Zulufttemperatur einen Mischluftbetrieb oder einen reinen Außenluftkühlbetrieb erlaubt – die direkte Nutzung von kalter Außenluft plus warme Umluft – , erfolgt eine direkte freie Kühlung mit ausreichender (doppelter) Filterung.

Bei der vorgestellten Gerätekonstruktion des IT-Case.3 kann bei Bedarf sogar etwas warme Abluft vor dem ersten Filter aus dem Warmgang beigemischt werden. Deshalb kann sich am Filter kein Reif ansetzen und er keinen nachteiligen hohen Luftwiderstand erzeugen.

Bei der direkten freien Kühlung kann die Zulufttemperatur eine sehr lange Zeit im Jahr auf konstant auf kleiner oder gleich 18 Grad Celsius gehalten werden. Die Ablufttemperatur wird durch die automatische Kühlluftstromveränderung – je nach aktueller Kühllast – auf beispielsweise konstant 34 Grad Celsuis – oder noch höher ausgeregelt. Somit kann so lange wie möglich ein besonders hohes delta t, (die Temperaturdifferenz zwischen Abluft und Zuluft), genutzt werden.

Ein großes delta t

Ein großes delta t führt aufgrund der Physik zu einem niedrigen Kühlluftvolumenstrom und damit zu ganz geringen Widerständen in diesem für den größeren (Nenn-) Volumenstrom ausgelegten Klimakompaktgerät. Infolgedessen kommt es an den meisten Stunden des Jahres zu ganz kleinen Antriebsleistungen bei den Ventilatoren für die Luftförderung in und aus dem IT-Raum. Bekanntlich geht die Antriebsleistung eines Ventilators in dritter Potenz zur Volumenstromreduktion zurück.

Der Kühlprozess für das zu versorgende Rechenzentrum findet somit die meiste Zeit des Jahres ohne Kältemaschine und ohne Wasserverbrauch mit einem ganz kleinen Energie-Aufwand statt. Es muss nicht be- und entfeuchtet werden. PUE-Werte unter 1,1 sind dabei leicht erreichbar.

Sobald die weiterhin direkt verwendbare Außenluft um bis zu etwa drei Grad wärmer ist als die im Sommer erlaubte, gegenüber dem Winter individuell erhöhte Zulufttemperatur, wird sie vor Eintritt in den IT-Raum über die im IT-Case integrierte Kältemaschine, wiederum mit Nutzung der Teilstrombildung, geringfügig abgekühlt.

Bedarfsgerechte Kühlung

Bei maximaler Kühllast im Raum steigt der Kühlluftvolumenstrom bedarfsgerecht bis zum Nennvolumenstrom an. Der im Klimakompaktgerät integrierte luftgekühlte Kondensator der Kältemaschine wird dabei von der Abluft des Raumes als Fortluft durchströmt. Anders als bei vielen anderen Kühlsystemen werden beim IT-Case keine von Saboteuren beschädigbaren Teile der Kältetechnik außerhalb des Gebäudes benötigt. Übrigens könnte die warme Fortluft bei Bedarf auch anderweitig verwendet werden.

Falls die Außenluft für eine direkte Nutzung zu trocken, das heißt, nicht feucht genug ist, wird im Umluftkühlbetrieb die indirekte freie Kühlung genutzt. Diese wird beispielsweise bei einer Außenlufttemperatur unter zwölf Grad Celsius und nur bei einer absoluten Außenluftfeuchte unter 4 Gramm Wasser pro Kilogramm Luft verwendet .

Personen im Raum ändern die Regeln

Auch hier sind alle dafür notwendigen Teile im Gebäude, hier sogar im Klimakompaktgerät untergebracht. Damit entfällt grundsätzlich die Energie-aufwändige Befeuchtung. Sollten sich im IT-Raum ständig Personen aufhalten oder wird ein leichter Überdruck im Raum benötigt, wird etwas Außenluftanteil (2 bis 5 Prozent) in der Zuluft benutzt, der dann etwas befeuchtet werden muss.

Falls die Außenluft für eine direkte Verwendung im Raum zu feucht oder viel zu warm ist, wird ebenfalls eine indirekte freie Kühlung genutzt, jetzt aber mit Unterstützung durch eine indirekte adiabate Kühlung der zur Kühlung des Raumes verwendeten Umluft. Wenn auch das nicht reicht, wird Energie optimiert, die Kältemaschine zugeschaltet.

Unterschiedliche Außentemperaturen – kein Problem

Bei Bedarf könnte mithilfe der Teilstrombildung sogar ein besonders wirtschaftlicher Entfeuchtungsbetrieb genutzt werden. So lassen sich bei individuell einstellbaren Zulufttemperaturen von 18 bis 27 Grad Celsius sehr unterschiedliche Außentemperaturen von mindestens Minus 30 Grad Celsius bis mindestens Plus 42 Grad Celsius beherrschen.

Die von ASHRAE empfohlene maximale Zulufttemperatur muss dabei nur in seltensten Fällen ausgenutzt werden. Zumindest in Mitteleuropa liegt die mittlere Außentemperatur weit unter der Zulufttemperatur von 18 Grad Celsius, so dass häufig mit sehr geringem Energie-Aufwand ein kühles Raumklima erzeugt werden kann.

Je höher die Zulufttemperatur im Sommer sein darf, umso häufiger lässt sich die besonders wirtschaftliche direkte freie Kühlung mit Teilstrombildung anwenden. Sollte die Außenluft ausnahmsweise mal nicht brauchbar sein oder eine Brandfrühwarnung kommen, wird automatisch auf eines der drei im Klimakompaktgerät integrierten Umluftkühlsysteme umgeschaltet. Nach einer evtl. Verqualmung mit „kaltem Rauch“ kann die Raumluft mit dem IT-Case (.2 oder .3) erneuert werden.

Das modulare Inroom-Cooling mit Verwendung des weiter entwickelten IT-Case.3 bietet mindestens noch diese zusätzlichen Vorteile:

  • Es wird kein Doppelboden benötigt. Das spart hier Raumhöhe und Investitionskosten, denn ein Doppelboden kann bei großer Gesamtkühllast in einem Großraum bis 1,5 Meter hoch sein.
  • Die Zuluft wird von zwei gleichzeitig mit halbem Bedarfsvolumenstrom laufenden Energiesparkompaktgeräten (IT-Case.3) waagerecht in den jeweiligen oben geschlossenen Kaltgang pro IT-Modul eingeblasen. So kann im Sommer eine höhere Zulufttemperatur genutzt werden als üblicherweise bei einem Doppelboden, denn bei einer Luftführung von unten über den Doppelboden erhalten die in den IT-Gestellten oben angebrachten Server eine höhere Zulufttemperatur. Hier entsteht in allen Höhen des oben geschlossenen Kaltganges fast die gleiche Ansaugtemperatur für die Server-Lüfter.
  • Durch die direkte Zuordnung von zwei redundanten Klimakompaktgeräten zu einem IT-Modul können eventuelle Hotspots (warme Zonen durch gelegentlich stark Wärme abgebende Server) besser beherrscht und die gesamte Kühllast eines aus mehreren Modulen bestehenden Großraumes sehr wirtschaftlich abgefahren werden. Bei nur einer aktuell warm werdenden IT-Zone muss nicht der gesamte Raum stark gekühlt werden.
  • Die Außenluft wird am Gebäude zentral ganz oben (Vandalen-sicher) angesaugt. Die Abluft wird dabei an einer anderen Fassadenseite des Gebäudes modular oder zentral ausgeblasen.
Quelle:http://www.datacenter-insider.de/specials/energie-effizienz-rz/server-komponenten/articles/438914/

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