NACHWEIS FÜR DEN UNPROBLEMATISCHEN EINSATZ VON FREIER KÜHLUNG IN BASISSTATIONEN FÜR DIE TELEKOMMUNIKATION BEI HOHER LUFTFEUCHTIGKEIT

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1 NACHWEIS FÜR DEN UNPROBLEMATISCHEN EINSATZ VON FREIER KÜHLUNG IN BASISSTATIONEN FÜR DIE TELEKOMMUNIKATION BEI HOHER LUFTFEUCHTIGKEIT 1 2 VON EHSAN B. HAGHIGHI, PHD, THERMAL SPECIALIST DANTHERM COOLING

2 Freie Kühlung ist die energieeffizienteste Kühlmethode und trägt im Rahmen der Elektronikkühlung am stärksten zu Einsparungen bei. Wir werden häufig gefragt, ob freie Kühlung auch in Regionen mit hoher relativer Luftfeuchtigkeit verwendet werden kann, ohne die eingehausten Geräte zu beschädigen. Die Antwort lautet ja.

3 NACHWEIS FÜR DEN UNPROBLEMATISCHEN EINSATZ VON FREIER KÜHLUNG IN BASISSTATIONEN FÜR DIE TELEKOMMUNIKATION/TEIL EINS WAS SIE WISSEN MÜSSEN ÜBERBLICK Unsere Kunden benötigen einen handfesten Beweis dafür, dass freie Kühlung auch in extrem feuchten Regionen eingesetzt werden kann, ohne dass hierdurch ein Innenklima mit einer zu hohen relativen Luftfeuchtigkeit entsteht. Dieses White Paper untersucht daher die relative Luftfeuchtigkeit in einer Standard- Telekommunikationsanlage bei verschiedenen Solltemperaturen und einer relativen Luftfeuchtigkeit im Außenbereich von 99 %. Die Studie zeigt, dass freie Kühlung auch bei sehr feuchter Witterung eingesetzt werden kann, da die relative Luftfeuchtigkeit der Außenluft auf ein von der ASHRAE empfohlenes Niveau abgesenkt wird, wenn sie der internen Wärmelast ausgesetzt wird. i 1. EINFÜHRUNG Die meisten Telekommunikationsnetzbetreiber haben eines gemeinsam: Sie streben bei der Anlagenkühlung möglichst energieeffiziente Lösungen an. Freie Kühlung ist weiterhin die energieeffizienteste Kühlmethode und trägt im Rahmen der Elektronikkühlung am stärksten zu Einsparungen bei. Allerdings kommen bei dieser Technologie oft Bedenken hinsichtlich des Schutzes der eingehausten Geräte auf. Die Bedenken beruhen auf der Annahme, dass die Wärmeabführung mit feuchter Außenluft zu einer zu hohen Feuchtigkeit in den Innenbereichen führt. Diese Sorge ist nachvollziehbar, aber unbegründet. So kann freie Kühlung trotz einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit der Außenluft eingesetzt werden, uns ist aber klar, dass Sie hierfür gerne einen greifbaren Beweis hätten. Das aktuelle White Paper betrachtet das Feuchtigkeitsniveau bei freier Kühlung, wenn diese zur Wärmeabführung in Telekommunikationsanlagen eingesetzt wird. Rahmenbedingungen sind verschiedene Solltemperaturen sowie eine relative Luftfeuchtigkeit im Außenbereich von 99 %.

4 2. RELATIVE LUFTFEUCHTIGKEIT IM INNERN THEORETISCHE PARAMETER Die folgende Studie basiert auf Schätzungen, die auf den Gesetzen der Thermodynamik beruhen und die Empfehlungen und zulässigen Umweltklassen für IT-Anlagen auf Meereshöhe von ASHRAE und ETSI berücksichtigen. Die Schätzungen der Studie beziehen sich auf eine relative Luftfeuchtigkeit von 99 %. Abbildung 1 zeigt die empfohlene (kleinstes Viereck) und die zulässige (andere Vierecke) Hüllkurve für IT-Anlagen in verschiedenen Klassen (A1 bis A4 auf Meereshöhe) an. Klasse A1 bezieht sich auf Unternehmensserver mit engmaschiger Umweltkontrolle. Die Klassen A2, A3 und A4 beziehen sich auf Volumenserver mit einem gewissen Maß an Umweltkontrolle [1]. In Tabelle 1 sind die empfohlenen Werte für IT-Anlagen für verschiedene Klassen auf Grundlage der ETSI-Normen [2] dargestellt. In dieser White Paper-Reihe wird angenommen, dass sich die relative Luftfeuchtigkeit in einem konservativen Bereich von 20 bis 80 % bewegen soll. Wie jedoch in einigen Klassen zu sehen ist, erstreckt sich die zulässige relative Luftfeuchtigkeit auf breitere Bereiche (vgl. Abb. 1 und Tabelle 1). Bei freier Kühlung wird im Prinzip kühle Außenluft zugeführt, um eine bestimmte Solltemperatur innerhalb des Shelters zu erreichen. Wenn die Außenluft in den Shelter eindringt, wird sie durch die Wärmelast im Innern des Shelters, die von den eingehausten Geräten erzeugt wird, erwärmt. Dieser Prozess kann als gerade Linie in einem psychrometrischen Schaubild (die blaue Linie in Abb. 1) dargestellt werden. Außenluft mit einer relativen Feuchtigkeit (RH) von 99 % und verschiedenen Temperaturen (0 23 C) wird einem Gehäuse/Shelter mit elektronischen Geräten zugeführt. Die Solltemperatur im Innern soll zwischen 25 C und 27 C liegen. Die Trockenkugeltemperatur (T), die Taupunkttemperatur (Td) und die relative Luftfeuchtigkeit (RH) hängen gemäß der modifizierten Magnus-Formel (siehe unten) zusammen [3]. Hierbei ist a = 17,625, b = 243,04, T und Td in C und RH in %. Die Außenluft (blaue Linie in Abb. 1) durchläuft einen konstanten Taupunkttemperaturprozess. Gemäß dieser Annahme wird die Außenluft aufgewärmt, wodurch sich die relative Luftfeuchtigkeit naturgemäß ändert. Abbildung 2 zeigt die gemäß den Gleichungen (1) bis (3) berechnete relative Luftfeuchtigkeit im Innern. Die Ergebnisse zeigen, dass die relative Luftfeuchtigkeit in beinahe allen Fällen innerhalb der gewählten unteren und oberen Grenzwerte (zwischen 20 und 80 %) liegt. In den wenigen Fällen, in denen die relative Luftfeuchtigkeit außerhalb dieses Bereichs liegt, ist ein Klimagerät bzw. ein Heizgerät erforderlich, um das Innenklima zu regulieren.

5 2. FORTSETZUNG: RELATIVE LUFTFEUCHTIG- KEIT IM INNERN THEORETISCHE PARAMETER 3.1 (normal) 3.1 (vereinzelt) Temperaturbereich ( C) +5 bis bis bis bis bis bis bis +30 Bereich der rel. Luftfeuchte (%) Tabelle 1: Umweltklassen für IT-Anlagen gemäß ETSI-Empfehlung [2] Abbildung 1: Psychrometrisches Schaubild, metrische SI-Einheiten, Meereshöhe, barometrischer Druck 101,3 kpa (von ASHRAE empfohlene und zulässige Umweltklassen für IT-Anlagen auf Meereshöhe) [1]

6 3. RELATIVE LUFTFEUCHTIGKEIT IM INNERN TATSÄCHLICHE PARAMETER Um Berechnungsergebnisse zu erzielen, die auf realen Bedingungen basieren, wird bei folgenden Berechnungen angenommen, dass der Shelter an einem sehr feuchten Standort, wie etwa San Francisco, betrieben wird. Abbildung 3 und Abbildung 4 zeigen die Außentemperatur und relative Luftfeuchtigkeit für den San Francisco International Airport auf Stundenbasis [4]. Unterer Grenzwert Oberer Grenzwert Relative Luftfeuchtigkeit (%) Tsoll ( C) Abbildung 2: Relative Luftfeuchtigkeit im Innern gegenüber der Gehäuse-Solltemperatur bei Außenluft mit verschiedenen Temperaturen und einer RH von 99 %

7 3. FORTSETZUNG: RELATIVE LUFTFEUCHTIG- KEIT IM INNERN TATSÄCHLICHE PARAMETER Die relative Luftfeuchtigkeit im Innern wird mit dem in Abschnitt 2 beschriebenen Verfahren unter Zuhilfenahme der Gleichungen (1) bis (3) berechnet, wobei von einer Solltemperatur im Innern von 27 C ausgegangen wird (Abbildung 3). Abbildung 4 zeigt die berechnete relative Luftfeuchtigkeit im Innern. Auch wenn die äußere relative Luftfeuchtigkeit wie dargestellt viele Stunden im Jahr nahe 100 % liegt, bleibt die relative Luftfeuchtigkeit im Innern stets unter 80 % und unterschreitet nur selten 20 % (5 % der Gesamtzeit). Andererseits liegt die relative Luftfeuchtigkeit während 95 % des Jahres, wie in Abbildung 4 zu sehen, innerhalb der gewählten unteren und oberen Grenzwerte (20 80 %). Tluft Tsoll RH-Luft RH-innen T (C) RH (%) t (h) t (h) Abbildung 3: Außentemperatur für den SF International Airport und Shelter-Sollwert 4. FAZIT Abbildung 4: Relative Luftfeuchtigkeit der Außenluft am SF International Airport und im Shelter Das aktuelle White Paper wollte das Feuchtigkeitsniveau bei freier Kühlung ermitteln, wenn diese zur Wärmeabführung in Telekommunikationsanlagen eingesetzt wird. Die Berechnungen auf Grundlage der empfohlenen und zulässigen Umweltklassen für IT-Anlagen auf Meereshöhe von ASHRAE und ETSI zeigen, dass die relative Luftfeuchtigkeit mit den einbezogenen Parametern innerhalb der gesetzten oberen und unteren Grenzwerte bleibt. Somit kann geschlussfolgert werden, dass freie Kühlung tatsächlich auch in extrem feuchten Regionen für das Abführen überschüssiger Hitze verwendet werden kann, ohne dass dabei die eingehausten Anlagen geschädigt werden. In den Fällen, in denen die relative Luftfeuchtigkeit den zulässigen Bereich verlässt, wird der Einsatz von Klimageräten zur Regelung des Innenklimas empfohlen. Hiermit wird sich Teil 2 dieser White Paper-Reihe beschäftigen. Quellen [1] ASHRAE, 2012, Thermal Guidelines for Data Processing Environments, Third Edition [2] ETSI EN V2.2.2 ( ), Europäische Norm (Telekommunikationsreihe) [3] Alduchov, O. A., and R. E. Eskridge, 1996: Improved Magnus form approximation of saturation vapor pressure. J. Appl. Meteor., 35, [4]

8 DANTHERM COOLING ENTWICKELT UND FERTIGT ZUVERLÄSSIGE, ENERGIESPARENDE WÄRMEABFÜHRUNGSSYSTEME FÜR DIE ELEKTRONIKKÜHLUNG DANTHERM COOLING IST DER FÜHRENDE LIEFERANT FÜR KLIMATISIERUNGSLÖSUNGEN WELTWEIT UND GENAU DER RICHTIGE PARTNER FÜR SIE, WENN ES UM ELEKTRONIKKÜHLUNG GEHT Copyright 2015 Dantherm Cooling Holding A/S Alle Rechte vorbehalten. Diese Publikation darf weder als Ganzes noch in Teilen vervielfältigt, verteilt oder in jeglicher Form oder Weise, einschließlich Fotokopien, Aufzeichnungen oder mit anderen elektronischen oder mechanischen Methoden, übermittelt werden, wenn keine vorherige schriftliche Zustimmung des Herausgebers vorliegt. Erlaubt sind lediglich kurze Zitate in kritischen Überprüfungen und andere, nichtgewerbliche Verwendungszwecke, die durch das Urheberrecht abgedeckt sind.