Staatliches Bauamt

Rechenzentren / Serverraum

DIE AUFGABE

Worauf es ankommt

Um die Zusammenhänge für die Klimatisierung eines Rechenzentrums 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.

Um die Zusammenhänge für die Klimatisierung eines Rechenzentrums 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.

DIE LÖSUNG

Das Konzept

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 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.

DAS ERGEBNIS

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.

(Quelle: Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Loose, Inhaber des Ingenieurbüros Energie.Controlling.Loose, Weilheim)