Klimatisierung der Zukunft Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung
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- Melanie Kruse
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1 Klimatisierung der Zukunft Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung Einführung in die Thematik Energieeinsparpotentiale im Luftkreislauf Effizienzsteigerung bei der Kälteerzeugung STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 1
2 Klimatisierung der Zukunft Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung Einführung in die Thematik STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 2
3 Rechenzentrums / ITK Raum Klimatisierung gestern? STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 3
4 Ziel heute: Kaltgang Warmgang Konzept, aber Kalte Luft von der warmen Luft trennen STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 4
5 homogene Rackreihen durchmischen sich mit anderem ITK Equipment STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 5
6 Ziel der Klimatisierung: Kalte Zuluft vor die 19 Ebene Source: INTEL Source: HP horizontale Luftführung durch das Rack STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 6
7 Source: ASHRAE STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 7
8 Definition Präzisionsklima: Umluftklimagerät zur Erreichung definierter, konstanter und somit präziser Lufttemperatur und Luftfeuchtezustände im Raum - dabei werden die Raumtemperatur und Raumfeuchte in engen Grenzen geregelt. Umluftklimageräte erzeugen diesen Luftzustand durch: Kühlen Nachheizen Befeuchten Entfeuchten Zusätzlich wird die Umluft über gefiltert über eine hohe Filterklasse. Die Kälteleistung wird mit einem hohen sensiblen Kälteleistungsanteil erbracht, dieser Kälteleistungsanteil dient zur Absenkung der Raumtemperatur. Dazu ist eine hohe Umluftmenge erforderlich. Der latente Kälteleistungsanteil dient zur geregelten Entfeuchtung. => Die eingesetzte Energie wird gezielt eingesetzt um die Raumtemperatur abzusenken! d.h. Komfortklima Baumarktklima scheidet auch aufgrund der geringeren Energieeffizienz aus! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 8
9 Verteilung des Gesamtenergiebedarfs eines ITK Rechenzentrums 100% 90% Licht; 1% Generator/ Schalteinrichtungen; 1% USV; 18% 80% Versorgungseinrichtungen; 5% 70% 60% IT Equipment; 30% 50% 40% 30% 20% 10% Umluftklimageräte; 9% Befeuchter; 3% Kaltwassererzeuger; 33% 45 % Klimatisierung 0% 1 Abhängig vom Klimatisierungskonzept kann der Anteil des Energiebedarfes für die Klimatisierung zwischen 25% und 55% am Gesamtenergiebedarfes des Rechenzentrums betragen! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 9
10 Eine Auswahl an Stellschrauben, die einen Einfluß auf die Energieeffizienz haben: Luftverteilung Kältemittelfüllmengen Abgleich Sollwerte Freie Kühlung Raumkonditionen Außenbedingungen Doppelbodenhöhe Wassertemperaturen Filterzustand Teillastverhalten Parametrierung Einbauteile Einbindung Stand-by Wärmetauscherfläche Filterfläche Pumpentechnologie Rohrdimensionierung Abmessungen Lüftertechnologie Kältemittel STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 10
11 Klimatisierung der Zukunft Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung Energieeinsparpotentiale im Luftkreislauf STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 11
12 Vom Gesamtsystem zum Luftkreislauf im Rechenzentrum STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 12
13 Vom Luftkreislauf zum Klimagerät STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 13
14 Die Stellschrauben am Klimagerät 3 1 Ventilatortechnologie Wärmetauscherfläche / Anordnung der Komponenten Luftfilter (Luftfiltertyp und -fläche) 1 STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 14
15 1 Die Stellschrauben am Klimagerät Beispiel: Ventilatortechnologie Luftgekühltes Klimagerät (DX) CSD1052A ASD1062A Breite 2.725mm 2.550mm Ventilator Trommelventilator EC Ventilator Luftvolumenstrom m 3 /h m 3 /h Ext. Druck 20Pa 20Pa Ventilatorantriebsleistung 9,2kW 5,9kW Betriebskosten p.a , ,60 Betriebskostenreduzierung abs ,20 Betriebskostenreduzierung % -36% STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 15
16 Die Stellschrauben am Klimagerät 2 Beispiel: Größere Wärmetauscherfläche Kaltwassergekühltes Klimagerät ASD1100CW ASD1200CW ASD1200CW Breite 2.150mm 2.550mm 2.550mm Zusätzliche Breite +400mm +400mm Rückluftbedingung 24 C/50% 24 C/50% 24 C/50% PKW 10 C/15 C 10 C/15 C 10 C/15 C Luftvolumenstrom m 3 /h m 3 /h m 3 /h Kälteleistung (netto, sensibel) 66,8kW 67,1kW 66,9kW Ventilatorantriebsleistung 5,2kW 3,6kW 3,5kW Betriebskosten Lüfter p.a , , ,00 Betriebskostenreduzierung abs , ,80 Betriebskostenreduzierung % -31% -33% STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 16
17 weitere Möglichkeiten die Wärmetauscherflächen zu maximieren! ASD 1100 CW ASD 1500 CW Gerätehöhe 1980 mm Gerätehöhe 1980 mm Gerätebreite 2150 mm Gerätebreite 2550 mm ASD 1600 CWE Gerätehöhe 2496 mm Gerätebreite 2550 mm STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 17
18 und die Auswirkungen auf die Leistungsaufnahme der Ventilatoren. 9,0 9,0 ASD1600CWE ASD1100CW ASD1500CW ASD1600CWE ASD1100CW ASD1500CW 8,0 8,0 Leistungsaufnahme [kw] Leistungsaufnahme [kw] 7,0 7,0 6,0 6,0 5,0 5,0 4,0 4,0 3,0 3,0 2,0 2,0 1,0 1,0 0,0 0, Volumenstrom [m³/h] Volumenstrom [m³/h]» Reduzierung der elektrischen Leistungsaufnahme um 48% (ASD 1500 CW) STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 18
19 Aufbau des Gerätes Ansicht von vorn Ansicht links Kühler Luftfilter E-Kasten Dampfbefeuchter Verrohrung Ventil E-Heizung Ventilator Empfohlener Aufbau des gesamten Klimagerätes: OBERHALB des Doppelbodens! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 19
20 Die Stellschrauben im Luftkreislauf: Reduzierung der luftseitigen Widerstände Luftfilter Externer statischer Druck Einbauten Zuluft Anzahl Auslässe Anzahl Ausschnitte 8 Luftvolumenstrom Einbauten Rückluft 3 9 bis Reduzierung der luftseitigen Widerstände = Reduzierung der Lüfterantriebsleitung STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 20
21 3 Stellschraube Luftfilter Anfangsdruckverlust "sauber" Enddruckverlust "schmutzig" 3.1 Fliltermatte G Pa Pa 3.2 ZickZackFilter G Pa Pa ZickZackFilterHP G Pa Pa vom sauberen Filter zum schmutzigen Filter : von der kleinen Filterfläche zur großen Filterfläche : Reduzierung der Luftmenge bei gleicher Antriebsleistung des Ventilators. Weniger Luftvolumen kann zu Wärmenestern im Raum führen!! Filtermanagement mit nachgeführter Luftmenge kann dies vermeiden. Reduzierung der Ventilatorantriebsleistung bei gleicher Luftmenge! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 21
22 3 bis 9 Die Stellschrauben im Luftkreislauf: Reduzierung des luftseitigen Widerstandes um 10Pa bedeutet: 2-3% Reduzierung der Aufnahmeleistung eines EC Ventilators 1-2% Reduzierung der Aufnahmeleistung eines Trommelventilators ACHTUNG: Reduzierung der luftseitigen Widerstände: Ja, aber der Doppelboden ist ein Druckboden und benötigt für die gleichmäßige Zuluftverteilung einen Überdruck von ca. 20Pa! Daher müssen die Auslässe und Schlitzplatten bilanziert sein und ein ausreichender Druck im Doppelboden muß gewährleistet sein. Leckluftraten durch überflüssige Öffnungen sind zu minimieren! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 22
23 Der Doppelboden aus klimatechnischer Sicht: DER ZULUFTKANAL! Ausreichende lichte Höhe für die zu erwartende Wärmelast und die geplante Raumgröße Abdichtung aller Kabeldurchführungen, damit ein ausreichender Überdruck und somit eine optimale Luftverteilung im Raum erreicht werden kann Vermeidung von Einbauten (Rohrleitungen, Kabeltrassen, etc.) Kabelmanagement ggf. IT Verkabelung von oben insbesondere bei geringen realisierbaren Doppelbodenhöhen Entfernung von nicht mehr benötigter IT Verkabelung Jeder unnötige Druckverlust erhöht die Lüfterantriebsleistung und die Betriebskosten! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 23
24 Der Doppelboden das am meist unterschätzte System im Rechenzentrum Nur ein freier Doppelboden läßt das Rechenzentrum atmen! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 24
25 3 bis 9 Die Stellschrauben im Luftkreislauf: Reduzierung der luftseitigen Widerstände Beispiel: Senkung externer Druckverlust 50Pa Luftgekühltes Klimagerät (DX) CSD521A ASD531A Breite 1.750mm 1.750mm Ventilator Trommelventilator EC Ventilator Luftvolumenstrom m 3 /h m 3 /h Ext. Druck 70Pa 70Pa Ventilatorantriebsleistung 5,2kW 3,2kW Betriebskosten p.a , ,80 Luftvolumenstrom m 3 /h m 3 /h Ext. Druck 20Pa 20Pa Ventilatorantriebsleistung 4,8kW 2,8kW Betriebskosten p.a , ,20 Betriebskostenreduzierung abs. 525,60 525,60 Betriebskostenreduzierung % -8% -13% STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 25
26 Weitere Stellschrauben im Luftkreislauf: Trennung von warmer und kalter Luft 28 C 10 Luftbypass Rackdesign 12 ΔΤ 12 Rackausrüstung 18 C Trennung kalte Luft von warmer Luft = maximales ΔΤ = max. Energieeffizienz! Konzept hierfür auch : KALTGANGEINHAUSUNG oder WARMGANGEINHAUSUNG STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 26
27 Klimatisierung der Zukunft Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung Effizienzsteigerung bei der Kälteerzeugung STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 27
28 Kälteerzeugung ohne Kältemaschine: Die Freie Kühlung Direkte Freie Kühlung Indirekte Freie Kühlung Neue Konzepte? die Freie Kühlung K ist KEINE neue Technologie - jedenfalls nicht in Europa! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 28
29 STULZ Produkte innovativ und effizient! Einführung energieeffizienter EC Ventilatoren als Standard für die CyberAir Umluftklimageräte im Jahr 2004 heute optional bei allen Namenhaften Herstellern STULZ Systemkostenberechnung liefert weltweite TCO Betrachtungen für den Errichter und Betreiber von ITK Rechenzentren seit 2006 STULZ Stand-by Management als integrale C7000 Regelungsfunktion für CW- Klimageräte wurde 2006 in den Markt eingeführt Weiterentwicklung der Indirekten Freien Kühlung durch die Funktionalität Dynamic Free Cooling verfügbar seit Mai 2007 Optimierung/Erweiterung im November 2008 der Kaltwasserklimageräte der Baureihe CyberAir CW und CWE Ziel: Max. Energieeffizienz STULZ rüstete das größte europäische Rechenzentrum mit Klimageräten aus! das derzeit grünste Rechenzentrum wurde ebenfalls mit STULZ Klimageräten ausgerüstet! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 29
30 Freie Kühlung Direkte Freie Kühlung über Außenluft Verwendung für Mobilfunkcontainer/Shelter bei geringer Wärmelast und aufgrund höherer Toleranz gegenüber der Raumluftfeuchte; direkte Freie Kühlung findet im Rechenzentrum/Datacenterbereich i.d.r. KEINE Anwendung! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 30
31 Kälteerzeugung ohne Kältemaschine: Die Freie Kühlung STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 31
32 Funktion der Indirekten Freie Kühlung STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 32
33 Freie Kühlung Indirekte Freie Kühlung Umluftklimageräte mit integrierter Freikühlungsfunktion Raumluft wird von der Außenluft über ein zwischengeschaltetes Wasser/Glykolmedium entkoppelt, findet Verwendung in kleineren/mittleren Rechenzentren/DataZentren. STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 33
34 Freie Kühlung Indirekte Freie Kühlung Kaltwassererzeugung mit integrierter Freikühlungsfunktion Raumluft wird von der Außenluft über ein zwischengeschaltetes Wasser/Glykolmedium entkoppelt, findet Verwendung in mittleren/großen Rechenzentren/DataZentren, z.t. auch mit separatem Rückkühler und wassergekühlter Kälteerzeugung. STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 34
35 Indoor Kaltwassererzeuger mit Indirekter Freier Kühlung bis zu 100kW Kälteleistung auf 1,25m² STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 35
36 Neue Konzepte: Kyoto Cooling, die neue Art der Freien Kühlung????? Technikfläche für KLIMA! Quelle: UpTime Technology RechenzentrumsNUTZfläche STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 36
37 Die Stellschrauben an einem Freikühlungssystem Freie Kühlung Rücklufttemperatur Außentemperatur STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 37
38 Beispiel Systemdesign: System OHNE Freie Kühlung gegen System MIT Freier Kühlung +31% -55% STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 38
39 Beispiel Systemdesign: System OHNE Freie Kühlung gegen System MIT Freier Kühlung STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 39
40 12+14 Beispiel Systemdesign: System OHNE Freie Kühlung gegen System MIT Freier Kühlung 11,0Tage 365,0Tage 100% des Jahres M I T Betrieb der Kältemaschine = 365,0Tage 59% des Jahres OHNE Betrieb der Kältemaschine = 215,4Tage 153,3Tage 62,1Tage 138,7Tage STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 40
41 13+14 Beispiel Rückluftbedingungen: Gleiches Klimasystem unterschiedliche Rückluftbedingungen 22 C/55%r.F. vs. 27 C/40%r.F.! Ursache: z.b. zu niedrige Sollwertvorgabe an Klimageräten - 20% STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 41
42 13+14 Beispiel Rückluftbedingungen: Gleiches Klimasystem unterschiedliche Rückluftbedingungen 22 C/55%r.F. vs. 27 C/40%r.F.! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 42
43 Beispiel Rückluftbedingungen: Gleiches Klimasystem unterschiedliche Rückluftbedingungen 22 C/55%r.F. vs. 27 C/40%r.F.! 22 C / 55%r.F. 47,5Tage 47,5 Tage 100% 27 C / 40%r.F. Betrieb der Kältemaschine 11,0Tage 11 Tage 100% Betrieb der Kältemaschine 46% des Jahres OHNE Betrieb der Kältemaschine = 168Tage 120,5Tage 47,5Tage 149,5Tage 59% des Jahres OHNE Betrieb der Kältemaschine = 215,4Tage 153,3Tage 62,1Tage 138,7Tage STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 43
44 Weitere Energieeinsparungspotentiale bei der indirekten Freien Kühlung Outdoor Dynamic Free Cooling, oder bedarfsabhängige Aussteuerung der Komponenten Daten Regelung Energiebedarf Indoor Variable, bedarfsabhängige Steuer- DX Kompressor Kühlung MIX Kompressor und Freie Kühlung EFC Erweiterte Freie Kühlung FC Freie Kühlung ung der Komponenten Einbindung der Stand-by Geräte Max. Energieeffizienz bis zu 30% Energieeinsparungspotential gegenüber der herkömmlichen indirekten Freien Kühlung STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 44
45 DFC steuert alle Systemkomponenten mit höchster Energieeffizienz Stand-by FC Freie Kühlung Aus Min. CW: Max DX: Off An Max. Variabel EFC Erweiterte Freie Kühlung Aus Variabel CW: Max DX: Off An Max. Max. Außentemperatur MIX Kompressor & Freie Kühlung DX Kompressor Kühlung Step An Max. Max. CW: Var DX: Var CW: Off DX: Max An Aus Max. Min. Max. Variabel Energiebedarf STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 45
46 Ein weiteres Beispiel zum Anlagenbetrieb mit fehlerhaften Sollwertvorgaben: Die Freikühlungsanlage wird mit noch niedrigeren Sollwertvorgaben für die Temperatur betrieben, statt Rückluft 27 C/40%r.F. mit Rückluft 20 C/60%r.F. Welche Betriebskostensteigerung ist zu erwarten? STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 46
47 Beispiel Rückluftbedingungen: Gleiches Klimasystem unterschiedliche Rückluftbedingungen 20 C/60%r.F. vs. 27 C/40%r.F.! also noch falscher betrieben! Ursache: z.b zu niedrige Sollwertvorgabe an Klimageräten -26% STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 47
48 Beispiel Rückluftbedingungen: Gleiches Klimasystem unterschiedliche Rückluftbedingungen 20 C/60%r.F. vs. 27 C/40%r.F.! also noch falscher betrieben! weitere Reduzierung der Freien Kühlung ohne Kompressorbetrieb weitere Erhöhung der Kompressorlaufzeiten im Sommerbetrieb + Zusätzliche Betriebskosten für die BEFEUCHTUNG! STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 48
49 13+14 Beispiel Rückluftbedingungen: Gleiches Klimasystem unterschiedliche Rückluftbedingungen 20 C/60%r.F. vs. 27 C/40%r.F.! Klimasystem mit 40kW Nutzkälteleistung Zusätzliche Betriebskosten Kälteerzeugung Zusätzliche Kosten Befeuchtung ca h/a Summe JÄHRLICH zusätzliche Betriebskosten hervorgerufen durch zu niedrige Sollwertvorgaben am Regelsystem! Mögliche Gründe: => Wärmenester im Raum => Irrglaube, daß kalte Luft Kälte speichert STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 49
50 Weitere Stellschrauben an einem Freikühlungssystem Pumpentechnologie Auslegung Rohrleitungssystem inkl. Armaturen Auslegung der Wärmetauscher Lüftertechnologie STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 50
51 Klimatisierung der Zukunft Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung Vielen Dank für Ihr Interesse Kontakt: Achim Pfleiderer Leiter Service und Marketing Deutschland Green IT STULZ MACHT KLIMA MIT SYSTEM Energieeffiziente Rechenzentrumsklimatisierung 51
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