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1 APPLICATION IT Cooling Solutions Nachhaltige Rückkühlung von Datencentern

2 Alle Technologien der Flüssigkeitskühler für Rechenzentren und Serverräume Die Güntner Gruppe produziert seit über 80 Jahren Wärmeübertrager für die Kälte- und Klimatechnik. Mit unseren zuverlässigen und innovativen Produkten sind wir einer der weltweit führenden Komponentenhersteller in der Branche. Mit den unterschiedlichen Technologien und unserem Beratungs-Know-how sind wir in der Lage, für jeden Anwendungsfall den optimalen Flüssigkeitskühler zur Verfügung zu stellen. Für die IT-Kühlung bedeutet das hohe Betriebssicherheit und schnelle Amortisation durch geringe Betriebskosten. JAEGGI Das Original Technologien trocken besprüht adiabat hybrid Kreislaufunterteilung JAEGGI beschäftigt sich seit 1929 mit der Entwicklung, der Produktion und dem Vertrieb von Wärmeaustauschern. Seit 1995 gehört das Unternehmen zur Güntner Gruppe, einem weltweit etablierten Hersteller von Komponenten für Kälte- und Klimatechnik und industrielle Anwendungen mit insgesamt Mitarbeitern. Unsere Produktionsstätten in Europa, Amerika und Asien sichern weltweit einen direkten Marktzugang und Ersatzteilservice. JAEGGI bringt Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz auf einen Nenner. Wir leisten mit unseren Produkten und Dienstleistungen einen aktiven Beitrag zur Senkung Ihrer Betriebskosten und zum Ressourcenschutz. Güntner Gruppe Unsere Kühler sind hygienezertifiziert und auf Aerosol geprüft. Das Qualitätsmanagementsystem nach ISO 9001 garantiert unseren Kunden weltweit Premiumqualität und höchste Zuverlässigkeit. 2 3

3 Nachhaltige Rückkühlung von Datencentern Mit der wachsenden Anzahl von Computeranwendungen, mobilen Daten, Internetdiensten, Cloud Computing etc. steigen auch die Anforderungen an Datencenter in Quantität (Speicherplatz, Übertragungsgeschwindigkeit, Rechenleistung) und Qualität (Effizienz, Ressourcenverbrauch, Emissionen). Dabei liegt der Energieverbrauch für die Kühlung beim Betrieb der Datencenter zwischen 30 und 50 %. So verursacht der Strombedarf von Rechenzentren ca. 2 % des weltweiten CO 2 -Ausstosses ebenso viele Treibhausgase wie der gesamte Luftverkehr. Gleichzeitig birgt die Branche jedoch ein erhebliches Potential, den Strombedarf mit Investitionen in effizienzsteigernde Massnahmen auf der Infrastrukturseite zu senken. Im Durchschnitt fallen 50 % der Stromverbräuche von Rechenzentren für Raumkonditionierung, Wärmeabführung und unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) an. RESSOURCEN- EFFIZIENZ HÖCHSTE VERFÜGBARKEIT EER (ENERGY EFFIZIENCY RATIO) Erfolgsfaktoren bei der Datencenterplanung REDUNDANZ Anpassungen in diesen Bereichen können wirtschaftlich durchgeführt werden, ohne die Verfügbarkeit der IT-Prozesse zu gefährden. Somit können Kosten gespart und der CO 2 -Ausstoss gesenkt werden. JAEGGI bietet hier mit seinen Hybriden Rückkühlern die zukunftsorientierte Technologie, um zu einem grüneren Datencenter beizutragen. Steigender Bedarf bei gleichzeitig gefordertem Rückgang der CO 2 -Emissionen ENERGIEEINSPARUNG WASSER- UND DCiE (DATA CENTER INFRASTRUCTURE EFFICIENCY) Kühlbedarf, CO 2 -Emissionen Mehr Energieeffizienz Wachstum an Kühlbedarf Einsparung der CO 2 -Emissionen erforderlich GERINGER PUE ERREICHBAR (POWER USAGE EFFECTIVENESS) GERINGER ppue GANZJÄHRIG ERREICHBAR (PARTIAL PUE)

4 Effizientes Systemdesign mit Kältemaschine Ein typisches Einsatzgebiet für die freie Kühlung ist die Bereitstellung von Kaltwasser für die Kühlung von Rechenzentren und Servern. Dadurch werden die Betriebsstunden der Kältemaschine reduziert und ein erheblicher Teil der Energiekosten eingespart. Ganzjährig niedrige Rückkühltemperaturen sichern den effizienten Betrieb der Kältemaschine mit hohem EER (COP). Kältemaschinenbetrieb Im Kältemaschinenbetrieb wird die thermische Last mit Hilfe der Kältemaschine auf ein höheres Temperaturniveau gehoben und anschliessend mit dem Hybriden Trockenkühler im trockenen oder benetzten Betrieb an die Umgebung abgeführt. Potentiale der Effizienzsteigerung liegen dabei vor allem im energieeffizienten Betrieb der Kältemaschine und im wasser- und energieeffizienten Betrieb der Hybriden Trockenkühler. 6 7

5 Effizientes Systemdesign mit Free Cooling Durch die freie Kühlung kann ein grosser Teil der Jahresbetriebsstunden der Kälteanlage abgedeckt werden. Auf diesem Schaubild ist ein konventionelles Anlagenkonzept mit direkter Rückkühlung der Server über die hybriden Rückkühler (Free- Cooling-Betrieb) zu sehen. Free-Cooling-Betrieb Im Free-Cooling-Betrieb wird die energieintensive Kältemaschine abgeschaltet und die gesamte thermische Last ohne Umwege über die Hybriden Trockenkühler im trockenen oder benetzten Betrieb an die Umgebung abgeführt. Potentiale der Effizienzsteigerung liegen dabei vor allem im wasser- und energieeffizienten Betrieb der Hybriden Trockenkühler. 8 9

6 Temperaturbedingungen im Datencenter Cambridge University, UK Eine ausreichende Kühlung im Datencenter ist überlebenswichtig. Ist die Kühlung der IT-Hardware nicht mehr gesichert, ist die Verfügbarkeit nicht mehr sichergestellt, oder es kommt sogar zu physischen Schäden. Um dies zu verhindern, ist die Abfuhr der Energie aus den Serverräumen eine wesentliche Aufgabe, wenn es um eine hohe Verfügbarkeit geht. Zu geringe Temperaturen bringen aber einen enormen Aufwand für Kühlung und Abfuhr der Energie an die Umgebung mit sich, der sowohl ökonomisch als auch ökologisch nicht sinnvoll ist. Das erforderliche Temperaturniveau der Rückkühlung wird in erster Linie durch das eingesetzte IT-Equipment und die Kühltechnologie bestimmt. Die aktuelle Ausgabe des 2011 ASHRAE Handbook HVAC Applications spricht Empfehlungen zu den anzustrebenden Temperaturen in Datencentern in den Klassen A1 A4 (siehe grafische Darstellung unten) aus. Als empfohlener Temperaturbereich für die Klasse A1 wird C, als erlaubter Bereich 32 C angegeben. In den beiden unten stehenden Abbildungen sind die empfohlenen und erlaubten Bereiche grafisch dargestellt A1 A2 A3 A4 Empfohlener Bereich gemäss 2011 ASHRAE Relative Feuchtigkeit 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % Sättigungstemperatur in C 20 Klassen A1 A4 Empfohlener Bereich Klasse A1 Erlaubter Bereich Klasse A2 Erlaubter Bereich Klasse A3 Erlaubter Bereich Klasse A4 Erlaubter Bereich 20 % 10 % Absolute Feuchtigkeit g Wasser pro kg trockener Luft Trockenkugeltemperatur in C Abbildungen: hx-diagramm für feuchte Luft mit gekennzeichneten Bereichen für 2011 ASHRAE Handbook HVAC Application 10 11

7 Auswirkungen des Temperaturniveaus auf Energie- und Wasserverbrauch Bei der vorgestellten Anlage mit Kältemaschine und der Möglichkeit, den Free-Cooling-Betrieb zu nutzen, kann abhängig von der Aussentemperatur die Energie über den direkten Weg des Rückkühlers an die Umgebung abgegeben werden. Free Cooling mit trockener Rückkühlung Free Cooling mit Verdunstungsrückkühlung Energieverbrauch der Kältemaschine - - Kältemaschinenbetrieb mit trockener Rückkühlung Energieverbrauch des Rückkühlers Kältemaschinenbetrieb mit Verdunstungsrückkühlung Wasserverbrauch des Rückkühlers - - Steigender Energieverbrauch Jahrestemperaturgang mit gekennzeichneten Bereichen der Betriebsarten Die dargestellten Jahrestemperaturgänge für die Beispielanlage mit 1 MW Kälteleistung zeigen die Temperaturen, bis zu denen die genannten Betriebsarten eingesetzt werden können. Werden sehr geringe Temperaturen im Datencenter gefordert, ist der Einsatz des Free-Cooling-Betriebs sehr beschränkt. Die Kältemaschine muss schon bei geringen Aussentemperaturen aktiviert werden. Energieeinsparung an der Kältemaschine kann nur durch möglichst geringe Rücklauftemperaturen vom Rückkühler erreicht werden. Bei einer Datencenter-Temperatur von 32 C kann in dieser Anlagenkonfiguration noch bis 25 C Grad Aussentemperatur der Free Cooling-Modus zur Rückkühlung des IT-Equipments eingesetzt werden Jahrestemperatur Frankfurt a. M. Datacenter-Temperatur = 18 C Free-Cooling-Betrieb In den Strukturdarstellungen sind alle möglichen Betriebsarten der gesamten Rückkühlanlage dargestellt. mit trockenem Hybridkühler Kältemaschine 23 C 17 C HTK TROCKEN mit benetztem Hybridkühler Kältemaschine 23 C 17 C HTK NASS Free Cooling HTK trocken Free Cooling HTK benetzt KM-Betrieb (HTK trocken/benetzt) 24 C 18 C 24 C 18 C 450 Wärmequelle Wärmequelle 350 Jahrestemperatur Frankfurt a. M. Datacenter-Temperatur = 32 C 350 Kältemaschinenbetrieb mit trockenem Hybridkühler mit benetztem Hybridkühler Kältemaschine 32 C 27 C HTK TROCKEN Kältemaschine 32 C 27 C HTK NASS C 18 C 24 C 18 C Wärmequelle Wärmequelle -50 Free Cooling HTK trocken Free Cooling HTK benetzt KM-Betrieb (HTK trocken/benetzt) 12 13

8 Ökonomische Auswirkungen der Datencenter-Temperatur Renditestarke Geldanlage Anteil der Betriebsstunden Bei der Berechnung der Betriebsstundenanteile des Jahres wird der Einfluss auf die Betriebsstundenverteilung grafisch sichtbar. Die Anteile des Free-Cooling-Betriebsmodus steigen mit der steigenden Datencenter-Temperatur. Betriebsstundenanteile für Free Cooling trocken/benetzt/kältemaschinenbetrieb abhängig von der Datencenter-Temperatur 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Datacenter Temperatur in C Free Cooling trocken Freecooling trocken [h] Free Cooling benetzt Freecooling benetzt [h] Kältemaschinenbetrieb Kältemaschine [h] Schont den Geldbeutel, schont Ressourcen Im Gegensatz zu herkömmlichen Kühltürmen entscheiden Sie sich mit dem Hybriden Trockenkühler von JAEGGI für ein ressourcenschonendes und schnell amortisierendes Gerät. Die Wassereinsparung im Vergleich zum herkömmlichen Kühlturm liegt bei ca. 70 bis 90 %. Das sind Kosten, die sich bei einem langlebigen Produkt rechnen. Für einen repräsentativen Vergleich eines Nasskühlturms mit einem Hybriden Trockenkühler von JAEGGI wurde am Standort Frankfurt a.m. eine ganzjährig konstante Last von kw im 3-Schichtbetrieb einer Produktionsstätte zu Grunde gelegt. Hierbei fand eine Abkühlung des Kühlwassers von 38 auf 28 C statt. Während der kälteren Jahresstunden oder bei Teillastbetrieb werden die Kühler durch die JAEGGI HYBRIMATIC- Steuerung rein trocken, d. h. mit konvektiver Wärmeübertragung an die Umgebungsluft, betrieben. Erst wenn die geforderte Kaltwassertemperatur im Trockenbetrieb nicht mehr erreicht wird, erfolgt automatisch die Zu- schaltung des Benetzungskreislaufs. Der Umschaltpunkt für Trockenbetrieb liegt im untersuchten Beispiel bei einer Umgebungstemperatur von 18 C. Am Standort Frankfurt a. M. ergibt sich für den Hybriden Trockenkühler ein Jahreswasserverbrauch (Verdunstung und Abschlämmung bei 3-facher Eindickung) von m 3 und eine Abwassermenge von 571 m 3. Beim Einsatz eines Nasskühlturmes würden hingegen m 3 Frischwasser verbraucht und eine Abwassermenge von m 3 anfallen. Durch die hybride Trockenkühlung reduziert sich also in diesem Beispiel der Wasserverbrauch um über 90 %. Fazit Die Anschaffung eines Hybriden Trockenkühlers spart nicht nur enorme Kosten für die Betreiber, sondern schont auch die Umwelt und unsere Ressourcen, da auch Wasser ein immer knapper werdender Rohstoff ist. In diesem Beispiel amortisiert sich die Investition in einen HTK nach bereits 2 Jahren. Mit einer Kalkulation der Betriebskosten für Energie und Wasser wird der Einfluss der Datencenter-Temperatur auch auf kommerzieller Seite sichtbar. Mit Steigerung der Datencenter-Temperatur auf 32 C könnten die Betriebskosten für die Rückkühlung um 56 % gesenkt werden. Der Gesamtenergieverbrauch sinkt dabei um fast 87 %. Wassereinsparung eines JAEGGI HTK im Vergleich zu einem herkömmlichen Kühlturm Standort Frankfurt a. M. (GER) Datacenter-Temperatur 18 C 32 C Free Cooling trocken 968 h 11 % h 73 % Free Cooling benetzt 262 h 3 % h 23 % Kältemaschinenbetrieb h 86 % 334 h 4 % Kühlturm Energieverbrauch der Kältemaschine 429 MWh -97 % 12 MWh Free Cooling benetzt 56 MWh -6 % 53 MWh BE JAEGGI HTK Kältemaschinenbetrieb m 3 47 % m Gesamtkosten (bei 0,1/kWh; 4 /m 3 ) % Jahre 14 15

9 Datencenter-Kühlung ohne Kompressorkälte Stellt die Kältemaschine im Anlagenkonzept eine wesentliche Investition und einen wesentlichen Energieverbraucher dar, sind Alternativen interessant. Welche Punkte sind bei der Planung eventuell interessant? Standorte der Anlage Jahrestemperaturgang Datencenter-Temperaturen Minimierung von Wärmeübertragungsvorgängen Zwei mögliche Varianten sollen hier kurz vorgestellt werden: Kühlwand Der Hybride Trockenkühler wird direkt, ohne Zwischenkreis, an die Kühlwand angeschlossen. Die Kühlwand übernimmt die Kühlung des Datencenter-Innenraums. Server-Rack-Rückwandkühlung Der Hybride Trockenkühler wird direkt, ohne Zwischenkreis, an die wassergekühlten Racks angeschlossen. Die in das Rack eintretende Luft wird durch das IT-Equipment erwärmt und vor dem Austritt wieder abgekühlt. Vorteile Kein Zwischenkreis Geringere Temperaturübertragungsverluste Höhere Kreislauftemperaturen im Rückkühlkreis Steigerung des Free-Cooling-Potentials Geringer Druckverlust Δp führt zu geringer Ventilatorleistung Vorteile Kein Zwischenkreis Geringere Temperaturübertragungsverluste Höhere Kreislauftemperaturen im Rückkühlkreis Steigerung des Free-Cooling-Potentials Sehr kleiner Bereich mit erhöhten Lufttemperaturen (ausschliesslich im Rack) Sehr kleine Bereiche mit hohen Luftströmungsgeschwindigkeiten (ausschliesslich im Rack) Kein Doppelboden erforderlich 16 17

10 Hybrider Rückkühler High Performance ffkombination aus trockener Kühlung und Verdunstungskühlung ffanspruchsvolle Gerätetechnik und hochwertige Materialien ffbewährtes System für die grösstmögliche Einsparung von Betriebskosten ffgrösstmögliche Betriebssicherheit fflange Lebensdauer Hybride Rückkühler Keine Schwadenbildung Minimale Schallemission Grösstmögliche Leistungsdichte Beschichtete Wärmeaustauscher Geringer Wasser- und Energieverbrauch Kurze Amortisationszeit durch niedrige Betriebskosten Absolute Betriebssicherheit auch bei hohen Aussentemperaturen PUE von 1,22 realisiert Es können Kühlwassertemperaturen erreicht werden, die niedriger als die Umgebungstemperatur sind. Berechnung der Amortisation unter Berücksichtigung von: ff Aktuellen Klimadaten ff Jahrestemperaturgang ff Lastprofil Ventilatoren Ventilator-Einheiten mit ff Industrieventilatoren für geringste Geräuschemission und höchste Effizienz ff Standardmotoren mit Premium-Effizienz oder ff EC-Technologie HYBRIMATIC Intelligente Steuerung spart Betriebskosten Überwachung aller wichtigen Parameter Störungsfreier, effizienter Betrieb Benetzungswasser-Management Ausgabe von Stör- und Betriebsmeldungen Kommunikation zur Gebäudeleittechnik Verschiedene Bussysteme verfügbar Optimiert für wassersparenden Betrieb Transport/Einbringung Hohe Verwindungssteifigkeit Geräte bis 5,45m Länge ohne Traverse Geräte ab 5,45m Länge mit Traverse HYBRIMASTER Steuerung: Regelung von mehreren parallel installierten Hybridkühlern für ein Höchstmass an Energieeffizienz und Wassereinsparung 18 19

11 thermowave Plattenwärmeübertrager ffkompakte, leistungsstarke Wärmeübertrager zwischen Primär- und Sekundärkreislauf ffkeine glykolführenden Leitungen im Gebäude und im Serverraum Kompakte, leistungsstarke Plattenwärmeübertrager Hohe Energieeffizienz aufgrund kleiner Temperaturdifferenzen Geringe Verschmutzungsneigung wegen hoher Turbulenzen und glatter Oberflächen Hohe Ausfallsicherheit durch bewährte Technik Alle wasserberührenden Teile aus Edelstahl Montage- und servicefreundlich Kompakte Bauart Einfache Reinigung Leichte Wartung Breites Anwendungsspektrum Leistung von kw Verschiedene Plattengeometrien Optimierte Druckverluste Mitglied der Güntner Gruppe Alles aus einer Hand Leichte Abwicklung Genaue Auslegung Primärkreislauf (Wasser/Glykol) Sekundärkreislauf (Wasser) 20 21

12 Referenzen Rechenzentrum eines grossen internationalen Telekommunikationskonzerns Dieses Cloud-Rechenzentrum ist das derzeit grösste Rechenzentrum in Deutschland und wurde 2014 in Betrieb genommen. Für die Kühlung der Serverräume werden 18 MW benötigt. Für die freie Kühlung wurden 12 JAEGGI Hybridkühler Typ HTK installiert. Durch das Anheben der Kühlwassertemperatur und den Einsatz der hybriden Kühlung übernehmen die Freikühler fast 8000 Betriebsstunden im Jahr, ohne Nutzung der Kältemaschine. xdc Swisscom Wankdorf Das Datencenter Swisscom Wankdorf stellt eines der modernsten und effizientesten Datencenter der Welt dar. Das Datencenter besitzt eine IT-Nutzfläche von m 2, sieben Module à 600 kw Leistung und erreicht einen Spitzenwert bei der Energieeffizienz (PUE = 1,2) durch exzellente Wirkungsgrade, den modularen Aufbau und das neuartige Kühlsystem völlig ohne Kompressionskälte. Die Kühlung wird ganzjährig ausschliesslich durch Free- Cooling-Betrieb mit Hybridkühlern von JAEGGI sichergestellt. Ein Teil der Abwärme wird darüber hinaus für die Beheizung von umliegenden Wohnungen genutzt. JAEGGI stellt an der Anlage die Rückkühlleistung von insgesamt 6 MW mit 8 HTK1.8/7.8 zur Verfügung und ist stolz, ein Teil des hocheffizienten Konzeptes zu sein. SAP St. Leon Rot SAP wurde 1972 gegründet und ist der führende Anbieter von Unternehmenssoftware mit Hauptsitz in Walldorf (Deutschland) sowie Vertriebs- und Entwicklungsstandorten in mehr als 50 Ländern weltweit. Die Hybriden Trockenkühler werden zur Rückkühlung von Kältemaschinen und zur freien Kühlung genutzt. In St. Leon Rot hat SAP insgesamt über 24 Hybride Trockenkühler mit einer Gesamtleistung von 30 MW im Einsatz. Equinix AM3 Amsterdam Mit mehr als 95 IBX-Rechenzentren in 31 wichtigen Wirtschaftszentren gehört Equinix zu den führenden Rechenzentrumsdienstleistern weltweit und verbindet auf der ganzen Welt mehr als Kunden und Partner. Equinix AM3 Science Park Amsterdam hat mit einem innovativen Konzept, das auf 100 % Wasser ganz ohne Chemie/ Biozide, geothermische Aquiferspeicher und Hybride Trockenkühler (HTK Hybrid High Performance) von JAEGGI setzt, den Green Data Center Award 2012 gewonnen

13 JAEGGI Hybridtechnologie AG Hirschgässlein 11 CH-4051 Basel Technische Änderungen vorbehalten. JAE DE /

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