Kälteanlagen. Philippe Hennemann, Dipl. HLK Ing. FH Mitglied der Geschäftsleitung bei Dr. Eicher+Pauli AG. 11. September 2015

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1 Kälteanlagen Philippe Hennemann, Dipl. HLK Ing. FH Mitglied der Geschäftsleitung bei Dr. Eicher+Pauli AG 11. September 2015

2 Inhalt Einführung Grundlagen Kältekreislauf Bauart von Kältemaschinen Kühlung Datacenter freie Kühlung, erneuerbare Kühlung Erneuerbare Kühlung was ist heute Stand der Technik? Planung Beispiele aus der Praxis Exkursion Swisscom Binz Kälteanlage für Datacenter Kälteanlage für Büroklimatisierung

3 Wo brauchen wir Kühlung?

4 Wo brauchen wir Kühlung?

5 Wie kann man kühlen? Luft Wasser

6 Wie kann man kühlen?

8 THERMODYNAMISCHE GRUNDLAGEN

9 9 Funktionsprinzip Kompressionskältemaschinen

10 Grundlagen der Kälte Technik: log p-h Diagramm 10

12 Grundlagen der Kälte Technik: Der verlustfreie Kälteprozess 12

13 13 Funktionsprinzip Kompressionskältemaschinen

14 Grundlagen der Kälte Technik: Carnot Prozess/realer Prozess 14

15 Carnot Leitungsziffer/reale Leistungsziffer Carnot Leistungsziffer sowie die reale Leistungsziffer (Gütegrad =0.4) für die Verdampfungstemperaturen To von: - 8 C, +4 C und + 8 C In Funktion der Kondensationstemperatur von + 30 C bis + 50 C 15

16 Grundlagen der Kälte Technik: Kenngrössen EER, ESEER 16

17 Grundlagen der Kälte Technik: Kenngrössen ETV 17

19 KÄLTE TECHNIK

20 20 Verdichterbauarten

21 Verdichtertypen Schrauben Turbo Scroll hermetisch 21

22 Wärmeübertrager Platten WT KoaxialWT Rohrbündel WT WT LamellenWT 22

23 Expansionsventil Thermisch Elektronisch 23

24 Kältemittel bis CAS Erneuerare Energien

25 25 Kältemittel

26 Kühlung nach SIA 382/1 Die Notwendigkeit einer Kühlung muss nachgewiesen werden. 26

27 Kühlung nach SIA 382/1 27

28 Kühlung nach SIA 382/1 Effizienzvorgaben z.b. 28

30 Energieeffiziente Kälteerzeugung und Einsatz von Umweltkälte Energieeffiziente EDV Infrastruktur (Kühlung)

31 Einleitung und Definition Rechenzentrum Effizienzmassstab Energieverbrauch von Rechenzentrum

32 Einleitung und Definition Rechenzentrum EDV Anlagen / Abgrenzung EDV-Anlagen mit hoher Verfügbarkeit und Sicherheitsanforderungen EDV-/Telekommunikationsanlagen, welche klimatische Bedingungen fordern Rechenzentren, welche solche Forderungen erfüllen müssen

33 Einleitung und Definition Rechenzentrum Maschinenraum / Serverraum / Rechnerraum

34 Stromverbrauch in IT-Räumen Energetische Relevanz im Gesamtstrommarkt Schweiz Der Anteil der Informationstechnik am Gesamtstromverbrauch in der Schweiz (2001 ca GWh/a) liegt bei etwa 10 % (ca GWh/a), dies mit steigender Tendenz. Strombedarf für Server bei KMU (< 250 MA) ca. 210 GWh/a Strombedarf für Server bei Grossunternehmen (>250 MA) ca. 540 GWh/a Total Strombedarf für Server somit ca. 750 GWh/a Dies entspricht ca. 14 % des Stromverbrauchs für die Informationstechnik Oder ca. 1.5 % des Gesamtstromverbrauchs der Schweiz

35 Stromverbrauch in IT-Räumen Wo entstehen die Energieverbräuche in einem RZ (Modell von bestehenden RZ) Quelle: 2008 Emerson Network Power

36 Energiestandards und Richtlinien Standards Liter Kilometer; Fuel Efficiency L/100km Watt Data Center Efficiency =??/Watt Es gibt aktuell keine universell akzeptierte Vergleichseinheit (Standards) für Datacenter Energieverbrauch

37 Energiestandards und Richtlinien Normen / Richtlinien / State of the art BfE Programm Elektrizität, Effizientes Kühlen von IT-Räumen (Jahre 2004) Best Practices (Code of Conduct on Data Centers) Ashrae (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) Green Grid [ -> PUE ETSI - Environmental Engineering (EE); Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment Sämtliche SIA / SWKI Werke wie immer Energiegesetz etc. Kundenspezifische Publikationen

38 Zielsetzung Energieeffizienz Energieeffizientes System? State of the art (BFE)? Clean Tech RZ? EUE = 2.0 EUE = 1.45 EUE = 1.04 Zielrichtung

39 Wie werden diese Zielsetzungen erreicht Allgemein seitens Betreiber und IT-Technologie Standortwahl RZ (Abwärmenutzung, Nutzung Aussenluft, See, Grundwasser etc.) Raumluftkonditionen (Zulufttemperatur / Luftfeuchtigkeit) IT-Technologie muss effizientere CPU s (Chip) einsetzen bzw. die Betreiber sollen auf teurere und dafür effizientere Server aufbauen Die Netzteile sollten für den optimierten Betrieb (Teillast) ausgelegt werden Powermanagement-Funktionen / Server-Virtualisierung Die thermodynamischen Rahmenbedingungen werden durch die IT-Industrie bestimmt (Garantie) und die Verfügbarkeit darf nicht unter der Energieeffizienz leiden Anforderungen an die Verfügbarkeit (Tier-Level) und Sicherheitssysteme werden durch den Betreiber/Nutzer bestimmt und darf durch die Energieeffizienz der Infrastruktur (HLK+Elektro) nicht leiden

40 Wie werden diese Zielsetzungen erreicht Allgemein seitens Betreiber und IT-Technologie Wahl des Kühlkonzeptes für die EDV wie z.b. Luftkühlung/Wasserkühlung Anteil der IT-Technologie bezogen auf HLK (ULK-, DKN-, CPU-Kühlung) Umluftkühlgeräte Wassergekühltes Rack Chipkühlung

41 Wie werden diese Zielsetzungen erreicht Designparameter IT-Raum Anordnung IT-Equipment Back/Back und Front/Front sowie in Luftrichtung Immer Cold und Hot Aisle bilden und wenn immer möglich Einhausung anstreben Hotspots vermeiden (kritischer Punkt für Kühlung) 30 C 26 C 13 C

42 Wie werden diese Zielsetzungen erreicht Designparameter IT-Raum Kurzschlüsse vermeiden Optimierung der Luftführung (Trennung Luft und Infrastruktur) Doppelbodenhöhe freier Querschnitt für Luftführung ca cm (je nach spezifischer Wärmelast sogar cm)

43 Wie werden diese Zielsetzungen erreicht Designparameter HLK (Allgemein) Ansaugluft möglichst direkt am IT-Equipment Lufttemperatur (Ansaugluft) am IT-Equipment >26 C (Zielwerte >28 C anstreben) Nutzung Aussenluft direkt Kaltwasservorlauftemperatur >15 C, dadurch energieeffiziente Kälteproduktion Energieeffiziente Kälteerzeugung mit hohem COP im Teil- und Volllastbetrieb

44 Wie werden diese Zielsetzungen erreicht Designparameter HLK (Beispiel KW-Temperatur/Freecooling) Stromverbrauchsanteil Kälteerzeugung (in Abhängigkeit der Freecoolingstrategie und Kaltw assertemperatur) 35% 30% 25% [kwh/a] 20% 15% 10% 5% 0% KM Reinbetrieb 6/12 C KM Reinbetrieb 10/16 C KM Reinbetrieb 14/20 C Seriellbetrieb 6/12 C Seriellbetrieb 10/16 C Seriellbetrieb 14/20 C Mixbetrieb 6/12 C Mixbetrieb 10/16 C Mixbetrieb 14/20 C

45 Wie werden diese Zielsetzungen erreicht Designparameter HLK (Beispiel Luftgeschwindigkeit WT bei ULK) Zielwerte ULK: 50'000 Optimierung Umluftkühlgerät (20'000 m 3 /h) Neue IT-Räume EeLuft < 4% Best. IT-Räume EeLuft < 8% [Fr./a] 40'000 30'000 20'000 10' Energiekosten Kapitalkosten Unterhaltskosten Jahreskosten Luftgeschw. DB < 3 m/s Statischer Druck im DB relativ hoch, d.h. Leckverluste vermeiden im DB und IT-Rack ETV ULK > 25 Luftgeschwindigkeit [m/s] dp Gerät < 350 Pa n Ventilator > 75% Filter (wenn nötig) < EU4 Kein Schalldämpfer, keine Klappe EC-Motoren Direktantrieb Ventilator Variable Luftförderung

46 Wie werden diese Zielsetzungen erreicht Betriebskontrollen / Betriebsoptimierungen

47 Wie werden diese Zielsetzungen erreicht Benchmarking Energieverbrauch

48 Fallbeispiel konventionelles RZ (Swisscom RZ Zollikofen) Übersicht und Fakten Zielwert PUE (EUE) nach BFE 2004 unterschreiten <

49 Fallbeispiel konventionelles RZ (Swisscom RZ Zollikofen) Anforderungen der Bauherrschaft SICHER Standort / Bautypologie Brandschutz und physische Sicherheit HOCHVERFÜGBAR redundante, fehlertolerante Technik effektive Betriebsorganisation SKALIERBAR 2 weitere Module FLEXIBEL mehrere Ausbauetappen Luft-/Wasserkühlung

50 Fallbeispiel konventionelles RZ (Swisscom RZ Zollikofen) Konzept Serverräume Umluftkühlung ohne Kalt-/Warmlufttrennung Kühlung Turbomaschinen und Freecooling über Rückkühler 100% Freecooling ab AUL <9 C

51 Fallbeispiel konventionelles RZ (Swisscom RZ Zollikofen) Fotos vom Bau

52 Fallbeispiel konventionelles RZ (Swisscom RZ Zollikofen) Fotos von der Infrastruktur während Bauphase

53 Fallbeispiel konventionelles RZ (Swisscom RZ Zollikofen) Fotos und Fakten von der Infrastruktur HLK KW-VL 15 C Effiziente Kältemaschine Freecooling ZULTemp. DB 18 C Effiziente ULK Effiziente Trockenrückkühler

54 Fallbeispiel konventionelles RZ (Swisscom RZ Zollikofen) Aktuelle News Aktueller EUE Werte Jahr 2013 (IT Last ca kW) Anlage Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember 2013 BKW Ost HT BKW Ost NT 1'235'008 1'124'352 1'242'276 1'264'932 1'332'864 1'336'860 1'392'964 1'392'416 1'320'712 1'348'356 1'245'060 1'312'780 15'548'580 BKW West HT BKW West NT Elektro Energie USV 1-7 Z1+Z2+Z3 1'007' '691 1'007' '235 1'019' '738 1'010'256 1'010' '411 1'026'373 1'009' '305 11'936'717 Datencenter Wirkungsgrad Power Usage Efficiency Aktueller Stromverbrauchsanteil Infrastruktur HLK+Elektro < 24% entspricht einem PUE von < 1.31 oder einem DCE von > 0.76 Zielwert Stromverbrauchsanteil nur HLK < 20% (geschätzt aktuell ca. 15%) entspricht einem PUE von < 1.25 (1.18) oder einem DCE von > 0.8 (>0.84) Vorjahreswerte: 2012 = 1.29 (IT Last ca kW) 2011 = 1.31 (IT Last ca kW) 2010 = 1.38 (IT Last ca. 850kW) 2009 = 1.42 (IT Last ca. 550kW)

55 Fallbeispiel energieeffizientes RZ (Swisscom Datacenter in Bern) Übersicht und Fakten Aktuelles Bild Swisscom Webcam Kühlung mit Aussenluft und benetztem Hybridkühler Tier IV (nach Uptime) EUE < 1.2 (= Anteil Energiebedarf HLKE max. 17%)

56 Fallbeispiel energieeffizientes RZ (Swisscom Datacenter in Bern) Übersicht und Fakten

57 Fallbeispiel energieeffizientes RZ (Swisscom Datacenter in Bern) Übersicht und Fakten

58 Fallbeispiel energieeffizientes RZ (Swisscom Datacenter in Bern) Versorgungskonzept Elektro und Kälte 600 kw Modul B Modul B OG 600kW 600 kw Modul B Modul B OG 600kW 900kW Zelle 3 (C) 900kW Zelle 1 (A) 900kW Zelle 4 (D) 900kW 600 kw 600 kw 600 kw Modul C Modul A Modul D 900kW Zelle 2 (B) Erstausbau 4 x 600kW (IT Last Modul C EG 600KW Modul A EG 300kW OG 300kW Modul D EG 300kW OG 300kW 900kW Zelle 3 (C) 900kW Zelle 1 (A) 900kW Zelle 4 (D) 900kW Zelle 5 (E) 900kW Zelle 6 (F) 900kW Zelle 7 (G) 600 kw 600 kw 600 kw 600 kw 600 kw 600 kw Modul C Modul A Modul D Modul E Modul F Modul G 900kW Zelle 2 (B) Modul C EG 600KW Modul A EG 300kW OG 300kW Modul D EG 300kW OG 300kW Modul E EG 300kW OG 300kW Modul F EG 300kW OG 300kW Modul G EG 300kW OG 300kW Modular erweiterbar 7 x 600kW (IT Last)

60 Fallbeispiel energieeffizientes RZ (Swisscom Datacenter in Bern) Kühlkonzept mit Aussenluftkühlung und Abwärmenutzung Serverräume Umluftkühlung mit Kalt-/Warmlufttrennung Abwärmenutzung (Contractor ewb) Kühlung mit indirektem Freecooling über hybride Rückkühler (ersetzt KM) 100% Freecooling (trocken) ab AUL < 21 C

61 Fallbeispiel energieeffizientes RZ (Swisscom Datacenter in Bern) Kälte aus Aussenluft

62 Fallbeispiel energieeffizientes RZ (Swisscom Datacenter in Bern) Luftzustände Bern (Temperatur + Feuchte; Jahr 2005) Temperatur [ C] h-x Diagramm für feuchte Luft 2005 (Luftzustände) 10% rel. Feuchte 20% Befeuchtungsgrenze RK (> 28 C ZULUFT) Befeuchtungsgrenze RK (= 28 C ZULUFT) 40% 60% Luftzustände mit Befeuchtung (=28 C Zuluft) 80% 100% Legende: Luftzustände pro Punkt 1h/a Befeuchtungsfenster bei Austrittstemperatur RK 25 C (nach WT 26 C Vorlauf zu ULKG) Wasserdampfgehalt x [g/kg]

63 Fallbeispiel energieeffizientes RZ (Swisscom Datacenter in Bern) Sommerzusatzkühlung durch Befeuchtung Im Extremjahr 2005 nur 15h mit einer Temperatur > 28 C für die Zuluft in das Rechenzentrum

64 Kühlung mit direkter Aussenluft Swisscom Mistral (Telekommunikationszentralen) Früher: mit Kältemaschinen Heute: mit direkter Aussenluft (550 von 1100 Zentralen bereits umgerüstet) Vorteil: Reduktion Energieverbrauch um 90-95%, keine Kältemittel, höhere Betriebssicherheit

65 Kostenvergleich RZ Kühlkonzepte

66 Ideales RZ (Green IT) Zukunftsvision Kühlsysteme? -Visionäres System

68 PLANUNG

69 HLK Leistungen im Planungsablauf Phase SIA Leistungsmodell 1 Strategische Planung Wichtige Leistungen HLK/Energie-Planer 2 Vorstudien Erarbeitung Energiekonzept. Optimierung Gebäudehülle, Gebäudetechnik betreffend Kosten/Nutzen, Behaglichkeit, Bedienbarkeit, Ökologie. Vergleich der Wirtschaftlichkeit verschiedener Energiebereitstellungsvarianten 3 Projektierung Dimensionierung der wichtigsten Komponenten der Gebäudetechnik, Koordination mit anderen Fachbereichen, Erstellung von Prinzipschematas und Projektplänen. Durchführung von Bewilligungsverfahren 4 Ausschreibung Erstellung der Ausschreibungsunterlagen (Devis), Einholung von Offerten, Offertvergleich, Vergabeantrag 5 Realisierung Erstellung der definitiven Prinzipschematas, der Ausführungspläne, Aussparungspläne. Fachbauleitung, Durchführung der Abnahmen und Überwachung der Mängelbehebung 6 Bewirtschaftung Sicherstellung des optimalen Betriebes

71 BEISPIEL MFH

72 Beispiel Wärmepumpen im Mehrfamilienhaus

73 Beispiel Wärmepumpen im Mehrfamilienhaus - Erdsonden Wärmepumpe monovalent - Leistung 80 kw Wärme für Heizung und Brauchwarmwasser - 2 Mehrfamilienhäuser mit je 16 Wohneinheiten. - Wärmeabgabe erfolgt über eine Fussbodenheizung. - Diese wird im Sommer zur passiven Kühlung genutzt. - Die abgeführte Wärme gelangt über die Erdsonden in den Untergrund, der so als saisonaler Speicher wirkt

74 Wärmepumpen im Mehrfamilienhaus Wärmepumpe Verteiler Sondenbohrung

75 BEISPIEL NAHWÄRMEVERBUND

76 Beispiel Nahwärmeverbund

77 Energieerzeugung Nahwärmeverbund - Abwärme aus Rechenzentrum - Wärmepumpe Leistung 2 MW - Kältemittel NH3 - Neuer separater Maschinenraum für WP - Soletemperatur 24 C - Niedertemperaturauskoppelung 47 C - Hochtemperaturauskoppelung 67 C - Leistungszahl Wärmeabsatz WP MWh/a - Deckungsgrad WP 80% - Spitzenlastkessel 3 x 1.7 MW (1x Zweistoff Oel/Gas, 2x Oel)

78 Wärmepumpe

79 Wärmeauskoppelung Speicher Wärmetauscher Abwärme CAS Erneuerbare Energien

80 Expansion und Fernleitungspumpen

81 Fernleitung im Erdreich

82 Spitzenlastheizzentrale

83 BEISPIEL WÄRMEPUMPE / KÄLTEMASCHINE

84 Wärmepumpen / Kältemaschine Industriebetrieb der Abwärme in Form von Fabrikwasser hat Diese wird zum heizen und zum kühlen genutzt

85

86 Fabrikwasserversorgung

87 Verdichter, Regelung

88 Speicher, Elektroversorgung (Trafo)

90 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen (VSE) Hintere Bahnhofstrasse 10 Postfach 5001 Aarau Tel Fax Association des entreprises électriques suisses (AES) Av. Louis Ruchonnet 2 Case postale 1003 Lausanne Tel Fax info@electricite.ch