Kühlung von Rechenzentren ohne mechanische Kühlung

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1 limatechnik ombinierte direkte und indirekte Freie ühlung ühlung von echenzentren ohne mechanische ühlung GA Fach planer agazin für technische Gebäudeausrüstung Erschienen in GA ompakt informieren Für den ühlbedarf von echenzentren kann in den meisten Jahresstunden Außenluft als Wärmesenke genutzt Die Betriebskosten für die ühlung von echenzentren lassen sich signifikant reduzieren, wenn die Außenluft als ühlpotenzial genutzt wird. Durch die Nutzung der leistungsgesteigerten indirekten Verdunstungskühlung und eine neu entwickelte Wärmeübertrager-Anordnung in zentralen L-Geräten kann sogar auf eine mechanische ühlung vollständig verzichtet Bisherige onzepte mit direkter und indirekter Freier ühlung haben aber bezüglich der erforderlichen Be- und Entfeuchtung Nachteile und kommen nicht ohne zusätzliche mechanische älteerzeugung aus. Um auf eine ältemaschine verzichten zu können, ist eine grundlegende Optimierung der Leistungsdaten des ückkühlwerks und der Verdunstungskühlung zwingend erforderlich. Ein neues onzept auf der Basis eines Wärmeübertragers als Hybridsystem mit stufenlos regelbarem Befeuchtungsgrad zwischen 80 und 160 % ermöglicht den vollständigen Verzicht auf mechanisch erzeugte älte und verringerte Zuluftvolumenströme im ommerfall. aria widerek B. Eng. asterstudierende Umweltorientierte Energietechnik an der Hochschule rier, Umwelt-ampus Birkenfeld. Boris Wollscheid B. Eng. ist Entwicklungsingenieur bei der Howatherm limatechnik GmbH. Prof. Dr.-Ing. hristoph aup ist Honorarprofessor der Hochschule rier, Umwelt-ampus Birkenfeld, für Energieeffizienz und Wärmerückgewinnung und geschäftsführender Gesellschafter der Howatherm limatechnik GmbH. aup ist itglied in verschiedenen Normungsgremien, z. B. EN , EN , EN , EN 308 und EN 1886 sowie ichtlinienausschüssen, z. B. VDI 6022 und VDI echenzentren benötigen trotz abnehmender spezifischer Verlustleistung der Informationstechnik weiterhin große ückkühlleistungen, da auf geringerem aum eine immer höhere echnerleistung mit aktuell bis zu 2 kw/m 2 ühllast installiert wird. oderne und große echenzentren benötigen daher ühlleistungen von über 1 W. Dabei ist der kostenbestimmende Faktor die vornehmlich elektrisch erzeugte älteleistung, die 24 h pro ag benötigt wird. Freie ühlung durch Außenluft Grundsätzlich kann für den Bedarf von echenzentren jedoch die Außenluft als Wärmesenke zur ühlung herangezogen werden, da die Außenluft im Jahresverlauf meistens kälter als beispielsweise 23 ist und nur in ca. 600 h/a eine ühlung bei Außenlufttemperaturen über 23 erforderlich wird. Damit besteht die öglichkeit, die Außenluft entweder ohne Umwege zu verwenden, also das echenzentrum direkt mit Außenluft zu belüften und damit zu kühlen, oder aber die Außenluft über einen Wärmeübertrager zu entkoppeln, also indirekt zur ühlung zu nutzen. Die direkte ühlung eines echenzentrums mit Außenluft ist von verschiedenen Bedingungen abhängig. Gelangt Außenluft direkt in das echenzentrum, ist ihre Qualität für die echnertechnik von großer Bedeutung. Liegt standortbedingt belastete Außenluft vor, wird grundsätzlich von einer direkten Nutzung abgeraten. Dies trifft nahezu in allen Fällen bei zu hoher oder zu niedriger Feuchte der Außenluft zu, da die Feuchte im Jahres- und im agesverlauf stark schwankt. Die direkte freie ühlung hat den großen Vorteil, dass der Wärmewiderstand und der Druckabfall eines sonst notwendigen Wärme Bild: chiller-renz / fotolia G: Hier bietet das GAepaper ( WEBODE ) zusätzliche Infos und Funktionen an

2 limatechnik bis 27 empfohlen (zulässig sind 20 bis 80 % bei 15 bis 32 für die lasse A1). In der Praxis werden häufig Grenzwerte für die absolute Feuchte der Zuluft von 4 bis 6 g/kg im Winter als unterer Grenzwert und 10 bis 12 g/kg im ommer als oberer Grenzwert akzeptiert. In Abhängigkeit der Außenluftfeuchte ist eine ombination aus der direkten und der indirekten freien ühlung anzustreben. Bei zu hoher und bei zu niedriger Feuchte oder bei belasteter Außenluft könnte die indirekte freie ühlung genutzt werden, während bei zulässigen Feuchten und unbelasteter Außenluft die direkte freie ühlung verwendet werden kann. Damit entfällt sowohl die Zuluftbefeuchtung im Winter als auch eine Entfeuchtung der Zuluft im ommer. Bereich Anlagenzustand h/a % 1 W UL-Betrieb indirekte -ühlung mit Verdunstungskühlung 2 0,0 2a W UL-Betrieb indirekte -ühlung mit Verdunstungskühlung 247 2,8 2b WG -Betrieb indirekte ABL-ühlung mit Verdunstungskühlung 6 0,1 3 W UL-Betrieb indirekte -ühlung mit Verdunstungskühlung 68 0,8 4 W UL-Betrieb indirekte -ühlung mit Verdunstungskühlung 27 0,3 5 isotherme direkte -ühlung ,7 6 W UL-Betrieb indirekte -ühlung mit Verdunstungskühlung 389 4,4 7 W UL-Betrieb indirekte -ühlung ,7 8 ischbetrieb direkte -ühlung ,3 9 W UL-Betrieb indirekte -ühlung 75 0,9 Freie ühlung, unterstützt durch indirekte Verdunstungskühlung Im Folgenden wird die Freie ühlung betrachtet, die durch eine indirekte Verdunstungskühlung unterstützt wird, um die benötigte ühlleistung mittels ückkühlwerk zur Verfügung zu stellen j. Die benötigte ühlleistung hängt bei der Verwendung der Außenluft als Wärmesenke vom tandort des echenzentrums ab. it seinen emperatur- und Feuchtehäufigkeiten hat er eine große Auswirkung auf den Nutzen der Freien älte. In den meisten Gebieten in Deutschland kann im Bereich zwischen 19 und 26 sowie zwischen 4,5 und 10,5 g/kg die Außenluft ohne eine Luftbehandlungsfunktion in ca h/a direkt verwendet werden (weißer Bereich in h). h veranschaulicht am Beispiel von annheim die spezifischen Außenluftkonditionen während eines Jahres und deren ummenhäufigkeiten (in der Grafik in 1/10 h 2). Unterhalb ei h Häufigkeit der Außenluftzustände nach VDI 4710 am Beispiel annheim und beispielhafte Nutzung der Freien ühlung (oben) sowie verschiedene Betriebszustände für die Nutzung der Freien ühlung (unten). 2) Freie ühlung von echenzentren mit zentralen aumlufttechnischen Geräten, HLH übertragers nicht berücksichtigt werden muss. ie hat aber auch den Nachteil, dass die Zuluft im Winter befeuchtet und im ommer entfeuchtet werden muss. Die Zuluft darf nicht zu trocken werden, da sonst elektrostatische Ladungseffekte zum Problem für die I-ysteme werden können, sie darf aber auch nicht zu feucht werden, da dann ebenfalls Probleme, beispielsweise durch lokale ondensation an den I-ystemen, entstehen können. Gemäß AHAE 9.9 1) werden als Grenzwerte für die relative Feuchte ca. 30 bis 60 % bei einer Umgebungstemperatur von 18 1) hermal Guidelines for Data Processing Environments Expanded Data enter lasses and Usage Guidance; 2011 j Indirekte Freie ühlung mit einer indirekten Verdunstungskühlung mittels ückkühlwerk (W). 2 onderdruck aus GA Fachplaner G: Hier bietet das GAepaper ( WEBODE ) zusätzliche Infos und Funktionen an.

3 EHENZENABLUEHENZENABLUEHENZENABLUEHENZENABLUlimatechnik k Indirekte Freie ühlung mittels ückkühlwerk (W) bei x < 4,5 g/kg. l Bypass- und ischbetrieb ohne Luftbehandlung. W WG z Direkte Freie ühlung mit einer indirekten Verdunstungskühlung mittels Wärmerückgewinnung (WG). x Indirekte Freie ühlung mit einer indirekten Verdunstungskühlung mittels Wärmerückgewinnung (WG) und Außenluft. WG WG ner Außenlufttemperatur von 18,5 und einer absoluten Feuchte unter 4,5 g/kg wird in rund 1990 h/a durch Nutzung der indirekten freien ühlung und ohne zusätzliche thermodynamische Luftaufbereitung die geforderte Zulufttemperatur erreicht (k und türkisfarbener Bereich in h). Unterhalb von 18,5 und über 4,5 g/kg (bis 10,5 g/kg) kann in 4851 h/a die minimale Zulufttemperatur durch ischen von Außenluft mit Abluft energetisch effizient gewährleistet werden, da keine Luftbehandlungsfunktionen erforderlich sind (l und beiger Bereich in h). Alternativ kann auch mittels Wärmerückgewinnung die Zulufttemperatur erreicht werden (ähnlich z, jedoch ohne Befeuchtung). Dann ist eine Be- oder Entfeuchtung der Zuluft ebenfalls unnötig. Im Bereich über 26,5 Außenluft und bis zu einer Außenluftfeuchte von 10,5 g/kg kann durch trockene, sensible ühlung die geforderte Zulufttemperatur in ca. 250 h/a sichergestellt werden (j und ockerfarbener, blauer und hellblauer Bereich in h). Die notwendige ühlung wird dann durch ein ückkühlwerk (W) auf Basis eines Wärmeübertragers mit indirekter Verdunstungskühlung j bereitgestellt. Durch die Verwendung eines ückkühlwerkes, das mit Außenluft betrieben wird, wird die emperatur nach dem ückkühlwerk je nach Außen- und Abluftluftkondition auf ca. 18 bis 24 gesenkt, ohne dass eine zusätzliche ältemaschine benötigt wird. Liegt der Energieinhalt der Abluft unter dem Energieinhalt der Außenluft, kann auch das Verfahren der Wärmerückgewinnung (WG) gemäß z zum Einsatz kommen. Dies setzt allerdings voraus, dass die Außenluft direkt dem echenzentrum zugeführt werden kann. Wenn die ummenhäufigkeiten der einzelnen Betriebszustände in h addiert werden, so ergibt sich für die direkte freie ühlung (weißer und beiger Bereich) eine ummenhäufigkeit von rund 5962 h, also 68 % der Jahresnutzungszeit, während 2798 h (32 % der Jahresnutzungszeit) auf die indirekte Nutzung der Außenluft fallen (beispielsweise 4,5 g und 10,5 g als Feuchtegrenzwerte). Bei anderen Feuchtegrenzwerten verschieben sich Laufzeiten für die einzelnen Betriebszustände entsprechend. Aber auch bei der indirekten Freien ühlung kann Außenluft zur indirekten Verdunstungskühlung (W) verwendet werden, wenn beide tränge mit Außenluft betrieben werden x. Dies setzt jedoch voraus, dass der Fortluftventilator für diesen Betriebsfall ausgelegt ist und mit doppelter Luftmenge betrieben werden kann. Im Bereich über 10,5 g/kg Außenluftfeuchte wird Umluft mit einer indirekten Verdunstungskühlung durch Außenluft genutzt, da die absolute Feuchte der Außenluft für eine direkte Nutzung zu hoch ausfällt (j und z. B. rosafarbener Bereich in h). Leistungssteigerung der indirekten Verdunstungskühlung Um auf eine ältemaschine verzichten zu können, ist eine Optimierung der Leistungsdaten (W und Verdunstungskühlung) zwingend erforderlich. Hierzu sind Wärmeübertrager notwendig, die trockene emperaturübertragungsgrade von mehr als 75 % aufweisen. Gleichzeitig ist der Platzbedarf der benötigten und entsprechend dimensionierten Wärmeübertrager enorm und daher schwer zu realisieren. c und v zeigen eine neuartige und platzsparende Lösung auf, bei der ein Plattenwärmeübertrager im reuz-gegenstrom am Ende des L-Gerätes eingesetzt wird. In die

4 limatechnik D - D - D - D - ABL ABL E - E 1 E - E 1 F - F 1 F - F 1 ABL 1 ABL 1 ABL 1 ABL 1 BILD 6/1 Direkte Freie ühlung (Luftwege - und ABL-) eitenansicht c Direkte Freie ühlung (Luftwege und ABL ), eitenansicht. b Indirekte Freie ühlung (Luftwege und ABL ), eitenansicht. B - B ABL A - A v Direkte Freie ühlung (Luftwege und ABL ), Ansicht gleich Draufsicht. n Indirekte Freie ühlung (Luftwege und ABL ), Ansicht gleich Draufsicht. BILD 7 : Direkte Freie ühlung (Luftwege - und ABL-) Ansicht gleich Draufsicht sem Fall wird der Wärmeübertrager gleichzeitig als Umlenkkammer für die beiden Luftströme verwendet. ittels der vor dem Wärmeübertrager integrierten Umlenk- und ischkammer (ystem rossxflow by Howatherm) können die Luftströme innerhalb des L-Gerätes effizient umgeschaltet werden b und n. Hierdurch wird die Abluft mit der Zuluft zu einem Umluftsystem verbunden. Die Außenluft dient nun zum Betrieb des W, das mit oder ohne Verdunstungskühlung betrieben werden kann. Wird der Wärmeübertrager nicht benötigt, kann der Plattenwärmeübertrager durch integrierte Bypassklappen umgangen werden m. Durch die Umschalt- und ischbox kann im ischbetrieb warme Abluft der kalten Außenluft beigemischt werden, um die geforderte Zulufttemperatur zu erreichen m 3. Neben dem trockenen emperaturübertragungsgrad des Wärmeübertragers spielt die Verdunstungskühlung eine weitere und entscheidende olle. Neben der bekannten einstufigen Befeuchtung wurde zur teigerung des Befeuchtungsgrades eine zweite Befeuchterstufe eingesetzt, womit ein Befeuchtungsgrad von 1 erreicht wird. Der Wärmeübertrager wird dann als Hybridsystem verwendet. Dabei wird der Wärmeübertrager als Wärme- und als toffübertrager eingesetzt m 34. Die indirekte Befeuchtung erfolgt somit nicht nur vor dem Wärmeübertrager, sondern auch direkt im Wärmeübertrager (ystem Hydroplus by Howatherm). Eine weitere Leistungssteigerung kann nur durch die teigerung des Befeuchtungsgrads erfolgen. Hierzu wurde der Wärmeübertrager so weiterentwickelt, dass eine besonders große Hydrophilie der Oberfläche erreicht wurde. Durch den damit verbundenen größeren Nachverdunstungseffekt des Befeuchtungswassers wird ein Befeuchtungsgrad erreicht, der bei üblichen Betriebsbedingungen einem Befeuchtungsgrad von 1,6 äquivalent ist. Durch das be 4 onderdruck aus GA Fachplaner G: Hier bietet das GAepaper ( WEBODE ) zusätzliche Infos und Funktionen an.

5 EHENZENABLUlimatechnik m Isothermer Bypass-Betrieb. Bild: chiller-renz m 3 m 34 Plattenwärmeübertrager-Hybridbefeuchtung m 5 m 36 m 7 m 38 m 9 m 3 mit dem ystem Hydroplus by Howatherm. 20 m 21 3 m 22 3 m 233 m24 3 W m 3 ischbetrieb. m 34 m 5 m 36 m 7 m 38 m 9 m 3 20 m 21 3 m 22 3 m3 m3 m 3 m 5 m 23 Freie 3 ühlung 24 mit 25 zusätzlicher 26 mechanischer m 27 3 ühlung zur Entfeuchtung. sondere Verfahren kann der Befeuchtungsgrad sogar zwischen 80 bis 160 % stufenlos geregelt it dieser Entwicklung wird selbst bei 32 und 40 % Außenluftkondition und 35 und 30 % Abluftkondition eine Zulufttemperatur von 19 erreicht. Dies wurde durch Validierungsmessungen von DEA bestätigt. Letztlich wird erst damit eine zusätzliche älteerzeugung obsolet. Weiterhin kann durch die sehr niedrige Zulufttemperatur die Luftmenge des ühlsystems gesenkt werden, da die ühlleistung proportional dem Produkt aus emperaturdifferenz der ühlung mit der Luftmenge steigt. Ein konventionelles ystem, das von 32 auf 24 kühlt, hat mit einer emperaturdifferenz von 8 ein um 38 % niedrigeres Potenzial als eine leistungsgesteigerte Verdunstungskühlung mit einer emperaturdifferenz von 13 (+ 62 %). it der Leistungssteigerung kann daher die Luftmenge in diesen Betriebsfällen analog um 38 % reduziert Freie ühlung mit zusätzlicher ühlung bei Betrieb mit indestaußenluftanteil echenzentren sind üblicherweise aschinenräume, in denen sich bestimmungsgemäß Personen nicht mehr als 30 age pro Jahr oder regelmäßig länger als zwei tunden je ag aufhalten. Daher gilt in ihnen beispielsweise nicht die VDI-ichtlinie ). Falls ein echenzentrum trotzdem mit einem indestaußenluftanteil betrieben werden soll, kann das aufgezeigte Verfahren nicht unverändert verwendet werden, da bei indirekter ühlung zwingend eine vollständige Umschaltung zwischen Außen- und Umluftbetrieb erfolgt. Außenluft wird im beschriebenen Verfahren nur bei direkter Nutzung der Freien älte dem aum zugeführt. In 3) VDI 6022 aumlufttechnik, aumluftqualität- Hygieneanforderungen an aumlufttechnische Anlagen und Geräte (VDI-Lüftungsregeln), Juli

6 limatechnik den Zeiten mit zu hoher Außenluftfeuchte wird bei der Nutzung eines indestaußenluftanteils eine Entfeuchtung der Zuluft im ommer zwingend erforderlich, da ansonsten im aum sukzessive die Feuchte ansteigt. Eine öglichkeit zur Nutzung der Außenluftbeimischung bei indirekter Verdunstungskühlung zeigtm 5. an erkennt sofort, dass in diesem Fall ein wesentlich höherer apparativer Aufwand notwendig wird. Insbesondere ist nun eine mechanische älteerzeugung unumgänglich. Es ergeben sich folgende Prozessschritte im h, x-diagramm m 36. Wird beispielsweise im ommer über einer Außenluftfeuchte von 10,5 g/kg ein indestaußenluftanteil beigemischt (Prozess 1) und soll gleichzeitig eine absolute Feuchte von maximal 10,5 g/kg in der Zuluft eingehalten werden, muss die ischluft unter den aupunkt auf eine emperatur von 13,3 gekühlt Nach der Entfeuchtungskühlung wird dann durch weiteres ischen der Abluft mit dem entfeuchteten Luftstrom die benötigte Zulufttemperatur erreicht (m 36 Prozess 5). Da der ischluftanteil der Abluft (z. B. 45 %) nicht gekühlt werden muss, reduziert sich allerdings die Entfeuchtungskühlleistung, da nur noch 55 % des Gesamtvolumenstromes unter den aupunkt gekühlt werden müssen (m 36 Prozess 3 und 4). Die Entfeuchtungskälteleistung wird in ca. 460 h/a, also in rund 5,3 % der Laufzeit der Anlage, benötigt. Als problematisch ist m 36 h,x-prozess der direkten Freien ühlung (3) mit mechanischer ühlung (4) und ischprozess zur Nacherwärmung (5) sowie einer indirekten Verdunstungskühlung (2). rossxflow by HOWAHE imulation by HOWAHE m 7 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Freien ühlung. 6 onderdruck aus GA Fachplaner G: Hier bietet das GAepaper ( WEBODE ) zusätzliche Infos und Funktionen an.

7 limatechnik m 38 Erforderliche Befeuchtungsgrade der indirekten Verdunstungskühlung. dabei der hohe Anteil der benötigten Entfeuchtungsleistung zu bewerten, der gegenüber der sonst rein sensiblen ühlung nur in rund 5 % der Jahresnutzungsdauer vorgehalten werden muss. Dies ist zwar nicht unbedingt energetisch kritisch, aber im Hinblick auf die höheren Investitionskosten und den größeren Platzbedarf der Anlagen einschließlich der älteerzeugung nachteilig zu bewerten. Gleichzeitig wird bei Nutzung eines indestaußenluftanteils im Winter eine Befeuchtung der Zuluft unumgänglich, was ebenfalls die osten deutlich erhöht. Aus diesem Grund ist von der Nutzung eines indestaußenluftanteils abzuraten, oder sie wird durch ein eigens dafür optimiertes L-Gerät vorgehalten, welches lediglich den Außenluftanteil aufbereitet und fördert. m 9 Zuluftvolumenströme in 1000 m 3 /h für eine erforderliche ühlleistung von 100 kw. m 20 3 Leistungsbedarf der Ventilatoren (Zuluft und Abluft) in kw

8 limatechnik Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Gegenüber einer rein mechanischen ühlung im Umluftverfahren kann durch die Freie ühlung ohne mechanische Ergänzungskühlung ein erheblicher Anteil an Energie eingespart In m 7 ist die Eingabemaske einer Wirtschaftlichkeitsberechnung dargestellt. Im Beispiel werden 100 kw an ganzjähriger ühlleistung berechnet. Die Volumenströme gleiten im Beispiel zwischen etwa und m 3 /h. Aus m 38 ergeben sich die erforderlichen Befeuchtungsgrade der indirekten Verdunstungskühlung. m 9 zeigt die Zuluftvolumenströme, die erforderlich sind, um die ühlleistung zu erbringen. Aus m 20 3 können die Leistungsaufnahmen der beiden Ventilatoren entnommen Da auf die mechanische ühlung vollständig verzichtet werden kann, reduzieren sich die Betriebskosten der Freien ühlung, kombiniert mit der indirekten Verdunstungskühlung erheblich auf rund 11 % der ursprünglichen osten bei reiner Umluft-ühlung m Fazit Die Nutzung der Außenluft als emperatursenke ist eine zu bevorzugende echnologie. Gegenüber der traditionellen ühlung im Umluftverfahren mittels einer ompressionskälteanlage sind die Betriebskosten und der Energieeinsatz bedeutend geringer. Zudem kann bei der Verwendung der kombinierten direkten und indirekten freien ühlung der Bedarf an Befeuchtungs- und Entfeuchtungsleistungen eliminiert Im Zusammenhang mit der Nutzung der leistungsgesteigerten indirekten Verdunstungskühlung und einer neu entwickelten Wärmeübertrager-Anordnung kann auf eine mechanische ühlung vollständig verzichtet Überdies kann durch die Leistungssteigerung in den meisten Betriebsfällen die Luftmenge aufgrund der niedrigen Zulufttemperatur verringert Die Wirtschaftlichkeit der echenzentrumskühlung wird dadurch deutlich erhöht und die etwas höheren Investitionskosten des raumlufttechnischen Gerätes werden damit mehr als kompensiert. m 21 3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Freien ühlung gegenüber einer Umluft-ühlung. 8 onderdruck aus GA Fachplaner G: Hier bietet das GAepaper ( WEBODE ) zusätzliche Infos und Funktionen an.