Energiesparen im RZ durch adiabates Kühlsystem
Kühlmixkonzept für das Rechenzentrum
Bei der Suche nach einer effizienten Server-Kühlung in Rechenzentren sind neue Kühlkonzepte und verbesserte Techniken auf dem Vormarsch. Beim Energiesparen haben heute Gerätekonzepte mit so genannter Adiabatik und intelligenter Regelungstechnik die Nase vorn.Der Stromverbrauch von Deutschlands Rechenzentren ist seit der Jahrtausendwende von fast 4 TWh/Jahr kontinuierlich angestiegen. Im Jahr 2008 überschritt der Wert schließlich die 10 TWh/Jahr-Marke. Laut eine aktuellen Borderstep-Studie ist der jährliche Stromverbrauch von Servern und Rechenzentren in Deutschland im Jahre 2011 auf 9,7 TWh gesunken. Dennoch haben sich die Stromkosten bei uns seit 2008 um zwölf Prozent erhöht. Rund 25 Prozent des Energiebedarfs in einem Rechenzentrum gehen auf das Konto der Kühlung. Die Zahl der Ansätze zum Energiesparen ist hoch: Die aktuelle Umweltempfehlung für Zulufttemperaturmaxima in Rechenzentren (seit ASHRAE 2008) liegt derzeit bei 27°C. Auch das so genannte Erneuerbare-Energienwärme-Gesetz (EEWärmeG, siehe Kasten auf Seite 42) definiert Anforderungen an Rechenzentren für die Nutzung von erneuerbaren Energien zur Kühlung. Mit dem Ziel, den Energiebedarf für die Kühlung zu reduzieren, hat die freie Kühlung in Rechenzentren einen Siegeszug angetreten. Sie gehört heute beinahe zur Standardausstattung. Kühlung - am liebsten stromlos Bei der konventionellen Kühlung entzieht ein Kälteverdichter dem Kühlmedium die enthaltene Wärme und gibt sie an die Umgebung ab. Arbeitet anstelle des Verdichters ein Wärmeüberträger, sprechen Experten von einer freien Kühlung. Dabei dient zur Kühlung kalte Luft oder kaltes Wasser aus der Umgebung. Dies funktioniert immer dann, wenn die Außenlufttemperatur unter die Rücklauftemperatur des Kühlmediums fällt. Fachleute unterscheiden drei Arten der freien Kühlung: direkt, Mischbetrieb und indirekt. Als direkte freie Kühlung bezeichnen sie Systeme mit einem unmittelbaren Kontakt des Kühlmittels Luft mit den Server-Racks. Beim Mischbetrieb ist die Umgebungsluft zusätzlich herabgekühlt, um die benötigte Temperatur zu erreichen. Wird die Wärme der Server-Racks über einen Wärmeüberträger (im Beispielfall ein Rekuperator im Gerät) an die Umgebungsluft abgegeben, nennt man dies indirekte freie Kühlung, da die Umgebungsluft nicht direkt mit den Racks in Verbindung kommt. Ohne Bedeutung für die Nomenklatur ist dabei, ob zur Kühlung der Geräte im Inneren des Rechenzentrums Wasser oder Luft dient. Abhängig von der Wetterlage lässt sich die indirekte freie Kühlung durch eine indirekte adiabate Kühlung (verdunstendes Wasser entzieht der Umgebung Wasser, siehe Kasten) unterstützen. Erst bei Temperaturen ab etwa 30°C muss bei Spitzenlasten zusätzlich ein Kompressor mitarbeiten. Eine solche Kühlkombination findet sich auch in neuen Produkten wieder. Im Jahr 2012 auf der Chillventa-Messe in Nürnberg vorgestellt, ist die Neuentwicklung speziell auf die Klimatisierung von Rechenzentren und die Einhaltung einer konstanten Temperatur und relativen Luftfeuchte zugeschnitten. Jahreszeitenbedingte Betriebsart Bei Außentemperaturen im einstelligen Celsiusbereich ist allein die indirekte freie Kühlung des Klimageräts ausreichend, um die Wärme abzuführen, dies sogar bei niedriger Ventilatordrehzahl des Außenluftventilators. Jede zusätzliche Kühlquelle (Adiabatik sowie auch Kompressionskälteerzeugung) ist in diesem Betriebsmodus abgeschaltet. Effiziente EC-Ventilatoren im Außenluftstrom arbeiten bei diesen Temperaturen im minimalen Drehzahlbereich und stellen sicher, dass die Zulufttemperatur für das Rechenzentrum unterhalb der aktuellen Umweltempfehlung von 27°C bleibt. Bis etwa 22°C reicht es bereits aus, die EC-Ventilatoren stufenlos bis zur maximalen Drehzahl zu regeln, erst bei Temperaturen über 22°C kommt die adiabate Kühlung zum Einsatz. Die integrierte Steuerung und Regelung findet dabei das energetische Minimum zwischen Venti-latorleistung und benötigter Kühlungs-leistung. Steigen die Außentemperaturen über 30°C, unterstützt das System die adiabate Kühlung abhängig von der Leistungsanforderung aus dem Rechenzentrum durch einen zusätzlichen 30-Prozent-Spitzenlastkühler, der sich optional auf 100 Prozent Kälteleistung als Redundanzkühler auslegen lässt. Dabei sind Luftströme stoffdicht voneinander getrennt: Die Kühlung der Rechenzentrumslufterfolgt ganzjährig im Umluftbetrieb. Da die indirekte adiabate Kühlung in der über 30°C warmen Außenluftstrecke stattfindet und die Wärme der Zuluft durch den Plattenwärmeüberträger entzogen wird, sind die Luftströme auch hygienisch voneinander getrennt. Wasser, das zum Besprühen dient, transportiert das System mit der Fortluft nach außen - hygienische Beeinträchtigungen sind somit ausgeschlossen. Um im Störungsfall den kontinuierlichen Kühlbetrieb zu sichern, gibt es zwei Möglichkeiten: Zum einen kann eine Redundanzpumpe die Wasserversorgung für die Adiabatik gewährleisten. Zum anderen (oder zusätzlich) kann ein Kälteverdichter zum Einsatz kommen, der im Bedarfsfall eine gestörte Freikühlung oder Adiabatik komplett ersetzen kann. Intelligente Regelungstechnik Der Einschaltzeitpunkt der Adiabatik ist prozessorgesteuert und berücksichtigt sowohl die Enthalpie der Außenluft wie auch aktuellen Leistungsanforderungen. Dies optimiert die Energieaufnahme der Außenluft durch die EC-Ventilatoren. Abhängig von den Kühlanforderungen im Rechenzentrum ist auch der Außenluftstrom im energetisch optimalen Betriebsmodus elektronisch geregelt. Die in der Software integrierte Pumpenfunktion regelt die Pumpe und senkt den Wasserbedarf der Adiabatik auf ein Minimum. Abhängig von der Leitfähigkeit des zu verwendenden Wassers ist eine Wasseraufbereitung notwendig, um Verkalkungen und Ablagerungen auszuschließen. Damit die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit aufrechterhalten sind, empfehlen die Hersteller den Einsatz von Osmose-Wasser. Sämtliche Messdaten und Betriebsmeldungen erfasst das System, eine Speicherung und Diagnose per Touch-Screen sind ebenfalls möglich. Durch eine Web-Server-Applikation ist die Software auch Tablet- und Smartphone-kompatibel, mobil stehen die gleichen Funktionen zur Verfügung wie am Bediengerät vor Ort. Die Befugnisse sind über eine Verwaltung der Zugriffsrechte auf den jeweiligen Nutzer angepasst. Über diverse gängige Schnittstellen ist das Klimagerät auch in die Gebäudeleittechnik integrierbar. Kosten im direkten Vergleich Durch das Zusammenwirken von drei Kühlsystemen plus gegebenenfalls einer Wasseraufbereitungsanlage sind die Investitionskosten des Kombigeräts zunächst höher als bei einer konventionellen Kaltwasserlösung. Diesen Nachteil gleichen jedoch die niedrigen Betriebskosten über die Nutzungsdauer mehr als aus: Mit den Klimadaten nach DIN 4710 für die Stadt Frankfurt hat eine Wirtschaftlichkeitsberechnung untersucht, welche Betriebskosten sich durch das Zusammenspiel der verschiedenen Kühlsysteme bei dem neu entwickelten Klimagerät ergeben, und diese mit denen konventioneller Luftkühlungslösungen verglichen. Die adiabate Kühlung des Kombigeräts, das auf der Bauform einer bewährten Zentralluftgeräteserie basiert, bietet einen Nennluftvolumenstrom von 25.000 m³/h bei einer Kühlleistung von 100 kW. Das Gerät unterstützt die freie Kühlung in Frankfurt vom späten Frühjahr bis in den frühen Herbst hinein. Das Vergleichsgerät mit Kaltwassererzeuger läuft dagegen praktisch das ganze Jahr im Volllastbetrieb und benötigt dafür 174.319 kWh. Eine Lösung die den konventionellen Kältekompressor durch eine Freikühlung unterstützt, würde im gleichen Zeitraum immer noch 116.128 kWh verbrauchen. Der Stromverbrauch des neuen Adia-Denco-Geräts beträgt durch die adiabate Kühlung dagegen nur 71.068 kWh. Da bei dieser Kühlart jedoch zu den Energiekosten auch Wasserkosten anfallen, ermittelte die Modellrechnung bei einem Strompreis von 0,15 Euro/kWh und einem Wasserpreis von 3,00 Euro/m³ Betriebskosten in Höhe von 12.493,16 Euro. Beim gleichen Strompreis ergeben sich auf Grundlage des Energieverbrauchs für den konventionellen Kaltwassererzeuger 26.147,88 Euro und für die Kombination aus konventionellem Kaltwassererzeuger plus Freikühlung Energiekosten von 17.419,18 Euro pro Jahr. Anders ausgedrückt beträgt das Sparpotenzial des neuen Kombigeräts in puncto Betriebskosten gegenüber der konventionellen Kaltwasser-Alternative rund 52,3 Prozent, gegenüber einem Mix aus konventioneller Kaltwassererzeugung plus Freikühlung noch immer 28,3 Prozent. Dabei gilt: Je niedriger die Kühlgrenztemperatur, desto höher sind die Einsparungen. Da in mittleren Breitengraden die Temperaturen 29 C relativ selten übersteigen (in Frankfurt ist dieser Wert nur an 50 Stunden pro Jahr überschritten), reduziert sich der Jahresenergiebedarf für Kompressionskälte auf ein Minimum. Fazit Rechenzentrumsbetreiber können bei der Kühlenergie mit dem Kombikühlgerät ihre Betriebskosten tatsächlich senken. Dies gilt in allen gemäßigten bis kalten Klimaregionen der Erde.
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