Effiziente Kühlung im Rechenzentrum am Beispiel Inline Air Cooling (INA)

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1 Effiziente Kühlung im Rechenzentrum am Beispiel Inline Air Cooling (INA) Dipl. Ing. (FH) Versorgungstechnik Wirtschaftsingenieur Michael Aschenbrenner

2 Inhaltsübersicht Evolution Energiebilanz Rahmenbedingungen / Restriktionen Herausforderungen Übersicht RZ Energie Flow Technik INA Projekt Projektübersicht / Zeitachse Design / Lösungsansatz Technische Umsetzung Aktuelle Produktion Auswirkungen Addendum 2

3 Evolution Energiebilanz (Ergebnis Praxisbeispiel) Inhalt der Modernisierung: Von 2008 bis 2014 wurden im Wesentlichen Komponenten, die das EOL erreichten getauscht. 3 Bei dieser Gelegenheit wurde auch überprüft, ob die Anforderungen eines zeitgemäßen RZ Betriebes noch erfüllt werden können oder ob Anpassungen notwendig sind. 2 Class "A" Projekte wurden ebenfalls durchgeführt. Diese waren: Ergebnis: - Canal Cooling - INA > PUE 2,1 (1,1W pro 1 W IT) > PUE 1,4 (0,4W pro 1 W IT) 64% Einsp. ELT / Anlagen IT / EDV / Hardware ELT/KLT Schnittstelle KLT / Leitungen / Aggregate KM / Kältemaschinen WT / Wärmetauscher Umwelt / KLT Schnittstelle

4 Rahmenbedingungen / Restriktionen (allgemeines Umfeld / Stakeholder Analyse) Auflagen extern gesetzliche Regelungen (z.b. BaFin, MaRisk, Brandschutz, ) technische Regelwerke (VDE, DIN, ISO, ) zusätzliche Auflagen (ASR, VdS, TÜV, ) Auflagen intern interne Standards interne Leitlinien Business Geschäftsmodell Wertschöpfungskette 4

5 Herausforderungen Die Rechenzentren der UniCredit in Deutschland stehen vor vielfältigen Herausforderungen. Einerseits steht nicht nur die Verfügbarkeit der IT Services im Vordergrund, andererseits stehen die beiden Standorte in Deutschland im internationalen Wettbewerb hinsichtlich Kosten und Effizienz. So vielfältig die Lösungen für ein Kühlsystem sind, das in der Lage ist, die verschiedensten Komponenten, die die IT zur Erbringung ihres Service benötigt, so vielfältig sind auch die Probleme, die der laufende Betrieb solcher komplexen Anlagen mit sich bringt. Daraus resultieren unsere Anforderungen: es muss leicht in einen Bestand integrierbar sein maximale Flexibilität beim IT Formfaktor hohe Effizienz (geringe Transportverluste) unabhängig von den Raumumschließungsflächen einfache Wartung simpler Betrieb keine Elektronik so wenig Teile wie möglich 5

6 Übersicht RZ Energie Flow Technik (Verfahrens- / Versorgungstechnik ohne Berücksichtigung des IT Produktionsprozesses) Trafo HV / UV USV IT ELT Leistungsverluste 5%.. 25% KM VT ULK Schnittstelle ELT/KLT Wärmeübergang 5%.. 50% KLT Transportverluste 3%.. 10% Kältemaschinen 5%.. 40% WT Wärmetauscher 1%.. 35% Schnittstelle Umwelt Wärmeübergang 1%.. 25% PUE 1,2... 2,9 6 Σ 20% %

7 INA Projekt (Inline Air Cooling) Einbettung Das Inline Air Cooling ist ein Projekt zur Schnittstellenoptimierung. Im Gegensatz zu einem Austausch einer einzelnen Komponente hat es Auswirkungen auf die gesamte nachgelagerte Verfahrenstechnik. Wegen der Einbettung in das Umfeld ist es ein Klasse "A" Projekt (Einsparungspotential im 2-stelligen Prozentbereich, strategische Auswirkung, hat Einfluss auf den Gesamtbetrieb) Betroffene Komponenten IT Aufbau Verkabelung Raumlayout Raumnutzung Flächenplanung Verrohrung Beleuchtung sicherheitstechnische Anlagen (EDV Räume) KM VT US V IT UL K WT 7

8 Projektübersicht / Zeitachse INA Von der Idee zum Projekt ( ) Die Wurzeln hierfür liegen mehr als 5 Jahre zurück. Damals wurden große Teile unseres zweiten Rechenzentrums einer Modernisierung unterzogen. Schon damals kristallisierte sich heraus, dass es auf dem Markt nicht die geeigneten Lösungen gab, die wir für unseren Produktionsbetrieb benötigen. Als einzige Firma bot damals der Schweizer Hersteller Erich Keller seine Hilfe an, ein solches Modul mit zu entwickeln. Von den originalen Entwicklungszeichnungen von Hr. Aschenbrenner konnten fast alle Teile komplett übernommen werden, lediglich die Abmessungen variierten ein wenig. INA 1.0: Transportverluste minimieren (Realisierung BA INA-I 2012) Entweder waren die angebotenen Lösungen zu teuer im Unterhalt oder zu kompliziert im Betrieb, so dass wir mit innovativen Ideen damals das erste Mal Neuland betraten. Um die Transportverluste der Luft zu minimieren, setzten wir die Kühlgeräte direkt neben die Serverschränke. Parallel dazu wurde die Luftführung so geändert, dass sich die warme (verbrauchte) Luft nicht mehr mit der frischen (kalten) Zuluft für die Server mischen kann. Schon mit dem damaligen Design konnte auf 200m² Gangfläche ca. 500kW (2500W/m²) IT Hardware effizient (<4% Transportverluste) mit Kälte versorgt werden, ohne die sonst üblichen Restriktionen (spezielle Racks, Sonderbau, o.ä.). INA 2.0: Mainstream Lösung (Realisierung BA INA-II 2013/14) Für eine Mainstream Lösung wurde aus diesem Szenario der Aufbau / Anordnung der IT-Infrastruktur, Layout und die Elektroversorgung übernommen. Für die Kühlung wurde jedoch ein spezielles Modul für die Montage zwischen dem IT-Rack und der Decke benötigt, das auf dem Markt nicht verfügbar war. Dieses Modul wurde zusammen mit der Firma Erich Keller aus der Schweiz entwickelt und zur Serienreife gebracht. Seit Anfang 2012 werden diese Module im Zuge der Modernisierung verbaut. Es sind bereits 80% der Flächen mit der neuen Lösung ausgestattet (BA 1+2). Übersicht Meilensteine: Bau Mustergang (0-Serie) Planung INA Projekt (incl. Simulation Betriebskosten) Realisierung INA BA I 2013/14 - Realisierung INA BA II VENT REG. konventionelle (alte) Technik IT IT 8

9 Design / Lösungsansatz Lösungsansatz des Inline Air Cooling Im Gegensatz zu technischen Insellösungen werden die verschiedensten Anforderungen bei der technischen Ausführung des INA in einem ganzheitlichen Ansatz berücksichtigt. Aspekte der für den Betrieb notwendigen Vorschriften (z.b. VDE) werden ebenso berücksichtigt wie die für den Betrieb notwendigen Arbeitsstättenrichtlinien. Natürliche Luftströmung nutzen: Herausragendes Merkmal ist, dass das Konzept die physikalischen Rahmenbedingungen, die in den IT-Räumen herrschen, voll ausschöpft, anstatt dagegen zu arbeiten. Kalte Luft sinkt nach unten, warme Luft steigt aufgrund der geringeren Dichte nach oben. Seit Jahrzehnten arbeitet man mit Umluftkühlung und Doppelboden gegen diese Rahmenbedingungen an. Das INA-Konzept nutzt diese physikalischen Gesetz wie eine Schwerkraftheizung (benötigt keine Umwälzpumpe). Der Energieaufwand, der notwendig ist, um die Luft durch den Wärmetauscher zu drücken, wird bei diesem Prinzip um mehr als 90% gesenkt. Diese Energie ist bei der konventionellen Technik normalerweise verloren und kann auch nicht zurückgewonnen werden. Bestechend einfach: Eine weitere Innovation liegt im sehr übersichtlichen Aufbau. Es wurde viel Zeit in die Entwicklung dieses Konzeptes gesteckt, welches den hochspezialisierten Anforderungen moderner IT gerecht wird und gleichzeitig durch eine einfache Bauart leicht betrieben und gewartet werden kann. So liegen die Einsparungen nicht nur bei den Energiekosten, sondern auch bei der Bewirtschaftung der IT-Flächen im zweistelligen Prozentbereich. Das technische Abspecken bietet nicht nur den Vorteil der Vermeidung komplexer Betriebsstörungen, es ermöglicht auch einen hervorragenden Support qualifizierter Fachkräfte (in unserem Falle Handwerker / Meister). 95% der Störungen können innerhalb der ersten 15 Minuten eingegrenzt und aufgrund der Modulbauweise innerhalb einer Stunde beseitigt werden. Hierfür ist nur eingewiesenes Fachpersonal notwendig, kein Spezialist oder Ingenieur. Modular Nachrüsten: Das System ist als Nachrüstlösung für den Bestand konzipiert und nicht für ein sonst typisches Neubauszenario. Es benötigt daher nur minimale Voraussetzungen und eignet sich sowohl für kleine Server- oder Systemräume (2-5kW Kühllast) als auch für Rechenzentren (aktuell 3000 kw Kühllast). Der Kern des INA- Konzeptes, das für die Kühlung zuständige Modul, wird nicht nur unter strengen Umweltauflagen (Hersteller ist Green Guard zertifiziert) gefertigt, es besteht aus nur 11 Einzelteilen. 9

10 Technische Umsetzung: INA Inline Air Cooling Inline Air Cooling ist eine Innovation zur Optimierung des Betriebs und insbesondere der Kühlung/kältetechnischen Versorgung von Serverräumen, welche als energie- und materialeffiziente Lösung die Bereitstellung von IT-Infrastruktur "grüner" macht und somit einen wertvollen Beitrag zum Klimaschutz leistet. Die Innovation von Inline Air Cooling besteht vorrangig darin, dass die natürliche Luftströmung aufsteigender Wärme und absinkender Kälte in idealer Weise für den Betrieb und die Kühlung von Rechenzentren ausgenutzt wird. Diesem Prinzip folgend können enorme energetische Einsparpotentiale realisiert werden. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal ist die einfach zu installierende modulare Bauart, die das Nachrüsten von Bestandslösungen ermöglicht und durch leicht austauschbare Komponenten geringe Wartungs- und Betriebskosten verursacht. Dabei ist die Lösung für kleine Serverräume und große Rechenzentren gleichermaßen geeignet. 10

11 Aktuelle Produktion Die Einführung des INA Kühlkonzeptes hat weitrechende Einsparungen innerhalb der gesamten "Kühlkette" zur Folge, da nicht nur der Energieaufwand zur Kühlung des Raumes minimiert wird. Die wichtigsten Auswirkungen für die Kälteanlage des Rechenzentrums: Die Temperaturen im Kaltwasserkreislauf sind weit über dem marktüblichen Niveau von 10 /15. Mit einer Vorlauftemperatur (bei 20 C Raumtemperatur) von momentan 15 C und einer Rücklauftemperatur von 23 C werden nicht nur die thermischen Verluste minimiert, die Leitungen müssen auch nicht so hochwertig gegen Schwitzwasser isoliert werden. Die ebenfalls übliche Spreizung von 5 K wird nahezu verdoppelt und beträgt zwischen 9 K und 11 K. Mit dieser Umstellung sind die Kälteanlagen nicht nur effizienter, auch der Anteil der freien Kühlung konnte um ca. 25% gesteigert werden. Statt der bisherigen 5 K hat die Anlage nun 10 K zur Leistungsabnahme von 0-100% was zu Einsparungen im 2-stelligen Prozentbereich bei der Kälteerzeugung erzielt. Da der sich der Volumenstrom durch die Verdoppelung der Spreizung halbiert, ist der hydraulische Widerstand (Systemkennlinie) des Rohrnetzes nur noch ein Viertel gegenüber des ursprünglichen Wertes. Die hierfür aufzuwendende elektrische Arbeit ist nur noch ein Sechstel. Damit liegt die Stromaufnahme für den Dauerbetrieb nur noch bei ca. 20% der ursprünglichen Werte (80% Ersparnis bei der Umwälzung im System bei 8760 Betriebsstunden im Jahr). Das System bietet hier noch Potenzial nach oben (18-26 C) sind für die Optimierung nach der kompletten Einführung geplant. Hierdurch soll der Anteil der freien Kühlung (ohne Kältemaschinenbetrieb) auf 80% erweitert werden. Die aktuellen Daten zur Einsparung beruhen auf den realen Produktionsdaten des Münchener Rechenzentrums im Zeitraum

12 Auswirkungen Umwelttechnischer Nutzen: Bei der Umsetzung des innovativen Konzepts können sehr hohe Energieeinsparungen realisiert werden, weil die Verluste für den Transport der Kälte aus den IT-Räumen heraus minimiert werden. Die Konstruktion verzichtet auf Luftfilter, was eine bessere Hygiene und weniger Umweltbelastungen zur Folge hat. Über die Einsparung von Energie und Materialien beim Unterhalt kann damit eine erhebliche CO 2 - Ersparnis realisiert und ein wertvoller Beitrag zum Klimaschutz geleistet werden. Da für die Anlagen nur Handwerker vor Ort und keine Spezialisten (mit sehr langer Anreise) notwendig sind, wird auch im Unterhalt der Anlage die Umwelt weniger belastet. Im aktuellen Fall werden pro Jahr kwh bei der Kühlung des Münchner Rechenzentrums eingespart. Dies entspricht ca t CO 2 (vgl. Strom-Mix Deutschland). Der Branchenindikator PUE konnte von 1,75 auf unter 1,45 im Jahresmittel gesenkt werden. Wirtschaftliche und unternehmensstrategische Vorteile: Über Energie- und Materialeffizienz können im laufenden Betrieb bis zu 50% der Kosten eingespart werden. Durch die Einfachheit des Konzeptes und die leichte Integration in Bestandsanlagen werden die anderen Teile der Anlage wirtschaftlicher genutzt, was weitere Einsparungen im Bereich Wartung und Betrieb erzielt. Die hohe Verfügbarkeit der IT-Infrastruktur (für Unternehmen und eine Bank insbesondere unabdingbar) kann bei gleichzeitigen Kosteneinsparungen weiterhin gewährleistet werden. Diese Einsparungen lagen 2012 bei Euro Energiekosten und werden 2013 noch einmal ca. 15% höher liegen. Der ROI liegt unter 3 Jahren, was bei derartigen Projekten ein sehr guter Wert ist. 12

13 Addendum ( Many pictures and formulars ) 13

14 Photos 1st Stage The first stage, the original prototype from the manufacturer. The first of four machines was mounted for the internal quality insurance. Not original is the red scribble on the side of the chest, that is the first piping concept. 14

15 Photos Preinstall The piping concept in real a few days later. The middle shows the flow metering and control valve. 15

16 Prototyping / Pilot Plot (2010) Mounted under the ceiling, the end of step two. The piping is done, next will be the air flow system to avoid temperature cross contamination. 16

17 Zahlenmaterial / Verbrauchswerte - Bestand / Idealzustand Opt ELT / Anlagen 5% 5% 6% IT / EDV / Hardware 100% 100% 100% ELT/KLT Schnittstelle 5% 8% 30% KLT / Leitungen / Aggregate 3% 5% 14% KM / Kältemaschinen 5% 15% 30% WT / Wärmetauscher 1% 3% 5% Umwelt / KLT Schnittstelle 1% 4% 20% ELT / Anlagen IT / EDV / Hardware ELT/KLT Schnittstelle KLT / Leitungen / Aggregate KM / Kältemaschinen WT / Wärmetauscher Umwelt / KLT Schnittstelle 17

18 Efficiency room layout Heat exchanger view: (flow temperatures) To get a rough estimation about the efficiency, we only have a look at the different temperatur levels. We know it is rough, but better than a shoot in the dark. We define most of other variables as a constant value for our first estimation. In the first gear, we use the same heat exchanger and only have a look on the layout. The tree room layouts we have are: - normal CRAC units layout - Cold isle containment - Warm isle containment Air Flow Heat exchanger Eff.heat exchanger Room Temperature Computer Intake wasted air intake outlet t(room) t(z) t(a) t(v) t[r] dt(m) 1/x Normal CRAC Use 20 C 19 C 22 C 10 C 15 C 7,96 K 100% 1,00 Cold Aisle Containment 20 C 20 C 24 C 10 C 15 C 9,49 K 119% 0,84 Warm Aisle Containment 20 C 20 C 28 C 10 C 15 C 11,43 K 144% 0,70 18

19 19 Expert opinion (official, independent and law court proof)

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