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1 [ High Performance Computing LowEx Cooling ] Thermodynamische Grundsätze konsequent umsetzen Standards anwenden Data Center Dynamics Zurich A. Altenburger, Amstein+Walthert AG

2 2 LowEx RZ die Geschichte vom "Fünfer und Weggli"

3 Agenda Facts & Figures Themodynamik und Exergie Relevante Systemparameter Konzeptionelle Relevanz für die Energieeffizienz Syteme und Konsequenzen Beispiele für LowEx Rechenzentren (RZ) - Lösungen Fazit 3 RMI DataCenter Charrette 2003, San Jose, CA

4 Facts & Figures Der weltweite Energiebedarf in Rechenzentren (RZ) hat sich in den letzten zehn Jahren ca. vervierfacht Der RZ-Energiebedarf verursacht 2% des globalen CO 2 -Ausstoss, gleichviel wie der gesamte Flugverkehr Die Energiestromdichte in Rechenzentren ist vergleichsweise extrem hoch (CPU > Herdplatte) Der Gesamtenergiebedarf ist doppelt so gross wie derjenige für IT (PUE = 2) Von der IT-Industrie getragene Standards sind weitgehend unbekannt Es gibt (noch) keine Vorschriften bezüglich Energieeffizienz ("Wilder Westen") Das thermodynamische und energetische Potential wird nicht ausgeschöpft (40% oder PUE < 1.2) 4

5 Facts & Figures der grosse IT-Hunger 5 Quelle: IDC 2006, Koomey 2007, Boderstep 2008

6 Facts & Figures "low hanging fruits"? 6 Quelle: BFE, Studie 2004

7 Facts & Figures grosse Performanceunterschiede! 7 Quelle: EPA (US Environmental Protection Agency), 2009 (PUE in 102 RZ, Mittelwert = 1.91)

8 8 Facts & Figures - ASHRAE Zulufttemperatur Rackeintritt

9 Thermodynamik und Exergie Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt aus, dass aus einem System gleich viel Wärme abgeführt werden muss, wie es von Aussen erhält, wenn die Raumtemperatur i konstant bleiben soll. Ein Wärmefluss findet nur vom Reservoir mit der höheren Temperatur e in Richtung Reservoir mit der niederen Temperatur i statt. Julius Robert von Mayer ( ), 9

10 Thermodynamik und Exergie Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik lässt sich ableiten, dass der Wärmestrom, der zwischen den Reservoiren mit den Temperaturen i und e fliesst, theoretisch eine Wärmekraftmaschine antreiben könnte, die den Anteil E an mechanischer Nutzarbeit und die Abwärme B abgibt. E wird als Exergie, B als Anergie bezeichnet. Nicolas Léonard Sadi Carnot ( ), 10

11 Relevante Systemparameter - Grundsätze Um den exergetischen Bedarf zur Wärmeabfuhr möglichst gering zu halten sind die Temperaturen der Reservoire möglichst so zu gestalten, dass der erste Hauptsatz der Thermodynamik zum tragen kommt. Das heisst, es ist idealerweise eine Wärmesenke zu finden, welche immer eine tiefere Temperatur als die Wärmequelle aufweist. Konsequenterweise ist die Wärmequelle auf einem möglichst hohen Temperaturniveau zu betreiben. 11

12 Relevante Systemparameter Aussenklima, Rackzuluft Rackzuluft 27 C (ASHRAE 2008) Adiabat gekühlte Aussenluft 22 C dt > 5K 12

13 Konventionelle KM-Systeme FC-Potential (10/16 C) 100% / 0% 56% / 44% 40% / 60% 13

14 KM/FC-Mischbetrieb Potentiale KW-Temperaturen 6/12 C 10/16 C 57% / 43% 40% / 60% 14/20 C 18/24 C 14 24% / 76% 12% / 88%

15 LowEx RZ Systeme (Wärmesenke) mit KW > 22 C 0% / 100% (zb Schwimmbad) Mischsystem mit Abwärmenutzung & Freecooling (zb TABS) 15

16 Bauliche Konsequenz LowEx RZ Kaltgangeinhausung 30 C 26 C 13 C Ziel: Vermeiden von "hot spots" durch Rezirkulation der Rackabluft in den Rackzuluftstrom 16

17 Bauliche Konsequenz LowEx RZ Kaltgangeinhausung Beispiel einer kostengünstigen Kaltgangeinhausung (links) und einer aufwändigeren Ausführung (rechts) 17

18 18 Technische Konsequenz LowEx RZ keine Kältemaschine

19 LowEx-Beispiel ÖKK Rechenzentrum Landquart 21 C C C C Kälteerzeugung mit 100% Freecooling: Sommer = Hybridkühler (adiabate Aussenluftkühlung) Winter (Heizperiode) = Kühlung mit der TABS-Heizung (direkte WRG) 19

20 LowEx RZ ÖKK Rechenzentrum Landquart (88 kwe) Kosteneinsparung RZ: Energie = ca. 15'000 CHF/a* 20 PUE < 1.2 Anteil Eek = 4% PUE < 1.3 Anteil Eek = 14% Investition = ca. 250'000 CHF * mit 15 Rp./kWhe

21 LowEx RZ ETH Supercomputing Aquasar (Grundidee) CPU als Kochplatte (ATHLON XP ) Low-Power Data-Center Charrette, San Jose, California, 2 5 February 2003 Amory B. Lovins, CEO, Rocky Mountain Institute, CPU Oberflächentemperaturen > 90 C CPU Wärmeabgabe > 200 W 21

22 LowEx RZ ETH Supercomputing Aquasar (Konzept) 65 C 55 C 60 C 60 C 22

23 23 LowEx RZ ETH Supercomputing Aquasar (Planung)

24 LowEx RZ ETH Supercomputing Aquasar (Pilot IBM) 24 Forschungsprojekt (Beteiligte): ETH Prof. D. Poulikakos, D. Nötzli IBM B. Michel, Th. Brunschwiler, I. Meijer A+W A. Altenburger, P. Stierli

25 25 LowEx RZ - Systemkonfiguration mit max. Anergienutzung

26 Fazit Der Energiebedarf in Rechenzentren kann mit lediglich zwei einfachen Massnahmen (Kaltgangeinhausung, ASHRAE-Standard für Zuluft) markant gesenkt werden Von der IT-Industrie getragene Standards (zb ASHRAE) sind besser zu kommunizieren Potentiale nutzen statt Dogmen pflegen Ingenieure müssen mit IT-Verantwortlichen sprechen LowEx Rechenzentren brauchen bei Aussenklimabedingen mit Taupunkttemperaturen < 22 C keine Kältemaschinen mehr und können als Direktheizung genutzt werden Die CPU-Hochtemperaturkühlung ist in der Pilotphase es ist nun an der IT-Industrie diesen Ball aufzunehmen und entsprechend Standardkonfigurationen zu entwickeln Es gibt den "Fünfer und das Weggli" weniger Investition und gleichzeitig geringere Betriebskosten 26

27 [ AUF WIEDERSEHEN ] Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Adrian Altenburger c/o Amstein+Walthert AG Andreasstrasse 11 CH-8050 Zürich Mail: Web: Data Center Dynamics Zurich A. Altenburger, Amstein+Walthert AG

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