Konzept und Integration einer Sorptionskühlmaschine in das Kühlsystem eines Rechenzentrums mit Hochleistungs-Mikroprozessoren Bachelorarbeit FS 2010

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1 Konzept und Integration einer Sorptionskühlmaschine in das Kühlsystem eines Rechenzentrums mit Hochleistungs-Mikroprozessoren Bachelorarbeit FS 2010 Auftraggeber: SPF Verantwortlicher: Matthias Rommel (SPF) Betreuer: Paul Gantenbein (SPF) Patrick Ruch (IBM) Erstellt am: 7. März 2010 Letzte Änderung am: 17.Juni 2010

2 Executive Summary Ausgangs- Situation Zurzeit werden rund 2% des weltweiten elektrischen Energiebedarfs zum Betrieb von Rechenzentren benötigt. Um deren Energieeffizienz zu erhöhen und den hohen Energiekosten entgegen zu wirken, werden in verschiedenen Anlagenbereichen nach energiesparenden Lösungen gesucht. Neben der Entwicklung von immer effizienteren IT-Komponenten und immer besser ausgelegten Anlagen ist die Effizienz der Kühlanlage von grosser Bedeutung. Denn sie benötigt bis zu 50% des Gesamtenergiebedarfs eines Rechenzentrums. Um Energiekosten im Bereich der Kühlung einzusparen und um die CO 2 -Bilanz zu verbessern, hat IBM ein wassergekühltes System entwickelt, mit dem bis zu 90% der Abwärme eines Rechenservers zurückgewonnen werden kann. Durch ein deutlich erhöhtes Kühlwassertemperaturniveau (60 C/65 C), wird die Speisung eines Nah- oder Fernwärmenetzes oder der freie Kühlbetrieb ( free cooling ) ermöglicht. Die Restwärme muss weiterhin luftgekühlt werden und erfordert den Betrieb von Kältemaschinen. Aufgaben- Stellung Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird untersucht, ob und wie sich eine Sorptionskältemaschine in das Kühlsystem eines heisswassergekühlten Rechenzentrums integrieren lässt. Dabei ist der Betriebssicherheit des Rechenzentrums sehr hohe Priorität zuzuordnen. In einer Gegenüberstellung mit einer konventionellen Anlage mit Kompressionskältemaschine wird die Machbarkeit der Sorptionskühlung technisch und wirtschaftlich verglichen. Welches Problem wird gelöst? Es wird ermittelt, ob beim heutigen Stand der Technik Sorptionskältemaschinen in ein Rechenzentrum integriert und sinnvoll genutzt werden können. Werden die gewünschten Kälteenergieerträge nicht erzielt, oder ist die Maschine aus einem anderen Grund nicht verwendbar, soll eine Empfehlung zur Verbesserung der Technik abgegeben werden. Vorgehen Wichtigste Arbeitsschritte: 1. Analyse IST-Zustand (Kühlsystemlösungen für Rechenzentrum) 2. Definition eines Referenz-Rechenzentrums 3. Beschreibung der untersuchten Sortpionskältetechnologien 4. Definition von Bewertungskriterien 5. Definition verschiedener Szenarien zur Implementierung der Sorptionskühlung in unterschiedliche Klimazonen 6. Vergleich der Technologien Adsorption, Absorption und Kompressionskältemaschine -Betriebsanforderungen -Wirtschaftlichkeit -Simulation des Betriebs im Rechenzentrum (Polysun) Seite 2/65

3 Wesentliche Ergebnisse Adsorptionskältemaschinen können bereits bei niedrigen Antriebstemperaturen unter 60 C betrieben werden. Im Betrieb mit einem heisswassergekühlten Rechenzentrum können dadurch bis zu 80% der Nennkälteleistung der Kältemaschine erreicht werden. Durch hohe Investitionskosten und grossen Wärmeverbrauch, ist der Einsatz dieses Systems trotzdem nur in bestimmten Situationen sinnvoll. Kann die Abwärme verkauft werden, ist die Nutzung einer Kompressionskältemaschine wirtschaftlicher (gesamte Wärme kann verkauft werden). Zum Betrieb von Absorptionskältemaschinen sind theoretisch deutlich höhere Antriebstemperaturen notwendig. Die meisten Leistungsangaben von Herstellern existieren deshalb erst ab ca. 75 C. Trotzdem wurden bei Recherchen Maschinendaten gefunden, die einen möglichen Betrieb bei ca. 40% der Nennkälteleistung der Kühlmaschine zulassen. Ein möglicher Betrieb ist also maschinentypabhängig. Es ist zu erwarten, dass die Integration in ein Rechenzentrum ohne Erhöhung der Antriebstemperatur technisch oder wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Durch die Adsorptionskühltechnik könnte bei einem Rechenzentrum mit 10 MW IT- Leistung (Standort Zürich) im Vergleich zur Kompressionskühltechnik jährlich rund 7'000 MWh/a elektrische Energie und bis zu 4'400 t CO 2 eingespart werden. Der PUE eines heisswassergekühlten Rechenzentrums könnte somit noch weiter reduziert werden (Tabelle E.1). Bei ungünstigen klimatischen Bedingungen (heiss/feucht/wassermangel) ist der Einsatz eines Sorptionkühlsystems wegen zu hohen Kühlwassertemperaturen nicht empfehlenswert. Auf den Einsatz von Kompressionskältemaschinen kann deshalb bei bestimmten klimatischen Bedingungen nicht verzichtet werden. Tabelle E.1: Mögliche PUE s von Rechenzentren: Konventionell (Luftkühlung mit Kompressionskältemaschine): 2.0 Heisswassergekühlt mit Kompressionskältemaschine: 1.6 Heisswassergekühlt mit Adsorptionskältemaschine: 1.5 Empfehlungen Ist die Einspeisung der Abwärme in ein Nah- oder Fernwärmenetz bei einer Anlage nicht möglich, sollte untersucht werden, ob sie mit einem Sorptionskühlsystem ausgerüstet werden kann. Will man die Sorptionstechnik speziell für die Verwendung mit Rechenzentren optimieren, ist der Betrieb mit tieferen Antriebstemperaturen anzustreben. Eine andere Möglichkeit wäre die weitere Erhöhung der Kühlwassertemperatur auf über 75. Dadurch wäre der Einsatz beider Sorptionstechniken gewährleistet. Geographische Gegebenheiten können ebenfalls zu vorteilhaften Kühlmethoden beitragen, z.b. durch Fluss- oder Seewasserkühlung. Tabelle E.2: Empfehlung Gemässigtes Klima Tropisches Klima Ohne Wärmeeinspeisung Adsorptionskältesystem Kompressionskältesystem Mit Wärmeeinspeisung Kompressionskältesystem Kompressionskältesystem Seite 3/65

4 Änderungsnachweis Version Änderungsgrund Kurz-Z. Datum 1.1 Struktur und Verbesserungsvorschläge P.G. und P.R. C.K Struktur und Verbesserungsvorschläge P.R. C.K Inhalt 1.1 Abkürzungen Begriffe und Definitionen Einleitung Kühlsystemlösungen für Rechenzentren Energiebedarf von Rechenzentren Klassisches Kühlsystem Projekt Aquasar Integration einer Sorptionskältemaschine Vergleich Ab- und Adsorptionsmaschine Absorptionskältemaschine Adsorptionskältemaschine Vorabklärung Aspekte (Vergleich der Systeme) Modellszenarien für Rechenzentren Festlegen von Systemgrenzen Definition einer gesamtheitlichen Bewertungsmatrix Definition von vergleichbaren Varianten Physikalisches Leistungssimulationsmodell (Polysun 5) Material und Methoden Material und Einrichtungen Vorgehen Vergleichsmodelle Diskussion vom Leistungssimulationsmodell Interpretation und Diskussion der Ergebnisse Vergleich der Varianten Variante 1 (Adsorptionskältemaschine) Variante 2 (Absorptionskältemaschine) Variante 3 (Kompressionskältemaschine) Diskussion möglicher Teilsysteme Übersicht der Varianten Interpretation der Vergleiche Diskussion Schlussfolgerungen, Ausblicke und Empfehlung Literatur und Quellenverzeichnis Erklärung zur Urheberschaft Bilder Tabellen...64 Seite 4/65

5 Anhang...65 I h-x Diagramm (Bestimmung von möglichen Kühlwassertemperaturen)...65 II Aufgabenstellung...65 III Pflichtenheft...65 IV Projektplan...65 V CD...65 Seite 5/65

6 Einleitung 1.1 Abkürzungen COP Coefficient of performance bezeichnet den thermischen Wirkungsgrad von Wärmepumpen in einem bestimmten Betriebspunkt. COP = Leistungsabgabe Leistungsaufnahme Kompressionskältemaschine: erzeugtekälteenergie COP = elektrischerenergieverbrauch Sorptionskältemaschine: erzeugtekälteenergie COPTh = zugeführtewärmeenerigegenerator PUE GUI Power utilization effectivness ist ein Mass zur Bewertung der Effizienz eines Rechenzentrums. PUE = GesamterEnergieverbrauch (Ideales Rechenzentrum hat einen PUE von 1) IT Energieverbrauch Graphical User Interface Grafische Benutzeroberfläche IT information technology Informationstechnik 1.2 Begriffe und Definitionen Sorption Sorbens / Sorbent Sorptiv Sorbat Ist eine Sammelbezeichnung für Vorgänge, die zu einer Anreicherung eines Stoffes innerhalb einer Phase, oder auf einer Grenzfläche zwischen zwei Phasen führen. Die Anreicherung innerhalb einer Phase nennt man genauer Absorption (Volumeneffekt), die an der Grenzfläche Adsorption (Oberflächeneffekt). [4] Ist der sorbierende Stoff. (Bei Absorption z.b. Lithiumbromid, bei Adsorption Silicagel) [4] Ist der noch nicht sorbierte Stoff. (Z.B. Wasser) [4] Ist der bereits sorbierte Stoff. (Z.B. Wasser) [4] Seite 6/65

7 Einleitung 2 Einleitung Ausgangssituation Zurzeit werden rund 2% des weltweiten elektrischen Energiebedarfs zum Betrieb von Rechenzentren benötigt [18]. Um deren Energieeffizienz zu erhöhen und den hohen Energiekosten entgegen zu wirken, werden in verschiedenen Anlagenbereichen nach energiesparenden Lösungen gesucht. Neben der Entwicklung von immer effizienteren IT-Komponenten und immer besser ausgelegten Anlagen ist die Effizienz der Kühlanlage von grosser Bedeutung. Denn sie benötigt bis zu 50% des Gesamtenergiebedarfs eines Rechenzentrums. Um Energiekosten im Bereich der Kühlung einzusparen und um die CO 2 -Bilanz zu verbessern, hat IBM ein wassergekühltes System entwickelt, mit dem bis zu 90% der Abwärme eines Rechenservers zurückgewonnen werden kann. Durch ein deutlich erhöhtes Kühlwassertemperaturniveau (60 C/65 C), wird die Speisung eines Nah- oder Fernwärmenetzes oder der freie Kühlbetrieb ( free cooling ) ermöglicht. Die Restwärme muss weiterhin luftgekühlt werden und erfordert den Betrieb von Kältemaschinen. Aufgabenstellung Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird untersucht, ob und wie sich eine Sorptionskältemaschine in das Kühlsystem eines heisswassergekühlten Rechenzentrums integrieren lässt. Dabei ist der Betriebssicherheit des Rechenzentrums sehr hohe Priorität zuzuordnen. In einer Gegenüberstellung mit einer konventionellen Anlage mit Kompressionskältemaschine wird die Machbarkeit der Sorptionskühlung technisch und wirtschaftlich verglichen. Was gibt es bereits? Diverse Hersteller bieten Sorptionskältemaschinen unterschiedlicher Leistungskategorien zum Kauf an. Die Verwendung mit einem Rechenzentrum war bisher allerdings nicht möglich, da das Temperaturniveau des IT-Kühlwassers nicht für den Antrieb einer wärmegetriebenen Kältemaschine ausreichte. Welches Problem wird gelöst? Es wird ermittelt, ob beim heutigen Stand der Technik Sorptionskältemaschinen in ein Rechenzentrum integriert und sinnvoll genutzt werden können. Werden die gewünschten Kälteenergieerträge nicht erzielt, oder ist die Maschine aus einem anderen Grund nicht verwendbar, soll eine Empfehlung zur Verbesserung der Technik abgegeben werden. Ziel Es wird ermittelt, ob der Betrieb einer Sorptionskältemaschine mit der Abwärme eines heisswassergekühlten Rechenzentrums möglich ist und die Effizienz des Rechenzentrums dadurch weiter verbessert wird. Mittels Bewertungsmatrix werden konventionell gekühlte Anlagen mit sorptionsgekühlten Anlagen verglichen, sowie Vor- und Nachteile aufgezeigt. Falls die Technik durch ungünstige Betriebsparameter nicht eingesetzt werden kann, wird eine Empfehlung zur Verbesserung des Systems abgegeben. Seite 7/65

8 Einleitung Methode / Vorgehen Folgende Arbeitspakete werden unter dem Blickwinkel Konzept und Integration einer Sorptionskühlung beim Betrieb eines Rechenzentrums ausgearbeitet und dokumentiert: 1. Analyse IST-Zustand (Kühlsystemlösungen für Rechenzentrum) 2. Definition eines Referenz-Rechenzentrums 3. Beschreibung der untersuchten Sortpionskältetechnologien 4. Definition von Bewertungskriterien 5. Definition verschiedener Szenarien zur Implementierung der Sorptionskühlung in unterschiedliche Klimazonen 6. Vergleich der Technologien Adsorption, Absorption und Kompressionskältemaschine -Betriebsanforderungen -Wirtschaftlichkeit -Simulation des Betriebs im Rechenzentrum (Polysun) 7. Diskussion der Ergebnisse 8. Schlussfolgerungen, Empfehlungen Seite 8/65

9 Kühlsystemlösungen für Rechenzentren 3 Kühlsystemlösungen für Rechenzentren 3.1 Energiebedarf von Rechenzentren Situation Der Energieverbrauch von Rechenzentren steigt jährlich an und hat Ausmasse erreicht, die im Vergleich mit anderen Industriesegmenten nicht mehr vernachlässigt werden dürfen. Laut einer Studie von Jonathan G. Koomey von der Stanford University platzierten sich Rechenzentren mit einem Stromverbrauch von insgesamt 45 TWh unter den grössten Energieverbrauchern in den USA. Das entsprach bereits damals (2005) der jährlichen Gesamtkapazität von fünf 1000 Megawatt Kraftwerken und 1.2% des Stromverbrauchs der USA. [6] Aktuell beträgt der weltweite Energieverbrauch von Rechenzentren ca. 2% des weltweiten Gesamtenergiebedarfs. [18] Energieverbesserungsmassnahmen können in verschiedenen Bereichen vorgenommen werden. Auf IT-Ebene: [6] Minimierung des Energieverbrauchs durch Einsatz energieeffizienterer Systeme Einsatz von kühlungsoptimierten Systemen Konsolidierung auf weniger und leistungsfähigerer Systeme (z. B. Blade Server Architekturen) Bessere Auslastung von IT-Systemen mit Hilfe von Virtualisierungstechnologie Flexible Steuerung des Energieverbrauchs von IT-Systemen durch Einsatz von dynamischen IT-Lösungen Auf Infrastrukturebene: [6] Aufstellung der Racks in Kalt- / Warmgang-Anordnung Geschlossene, direkt gekühlte Racks Sorgfältige Führung der Kühlluft im Rack wie auch im Rechenzentrum Ständige Anpassung der Kühlungsanlage an die jeweiligen Betriebszustände Einsatz verlustarmer USV-Systeme (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) Richtige Wahl der Raumtemperatur (jedes Grad Celsius weniger sorgt für einen höheren Energieeinsatz) Richtige Standortwahl und Isolierung der Gebäude- / Raumhülle Abbildung 1: Gesamtbetriebskosten eines effizienten Rechenzentrums [6] Seite 9/65

10 Kühlsystemlösungen für Rechenzentren Auch wirtschaftlich gesehen ist ein geringerer Energieverbrauch anzustreben. Die Energiekosten belaufen sich bei einem Rechenzentrum auf mindestens 13% der Gesamtbetriebskosten (Abbildung 1). [6] Kühlsystem Konventionelle Kühlsysteme benötigen bis zu 50% des Gesamtenergiebedarfs eines Rechenzentrums. Optimiert man ein System und verwendet die neuesten und effizientesten Komponenten, so kann der Energieverbrauch des Kühlsystems auf ca. 25% des Gesamtenergieverbrauchs verringert werden. Abbildung 2: Gesamtenergieverbrauch eines effizienten Rechenzenturms [6] Die Kühlanlage benötigt also einen wesentlichen Teil des Gesamtenergiebedarfs. Aus Abbildung 2 ergibt sich folgende Prioritätenliste für Verbesserungsmassnahmen: 1. IT-Komponenten und System 2. Optimierung des Kühlsystems (Hohe Temperaturniveaus sind anzustreben) 3. Optimierung der Luftumwälzung durch Vermeidung von Kühlluftverlusten. Die umgewälzte Luftmenge sollte so gering wie möglich gehalten werden. Es ist also angebracht, nach neuen, energiesparenden Kühlmethoden zu suchen und aktuelle Techniken zu verbessern. [6] Seite 10/65

11 Kühlsystemlösungen für Rechenzentren 3.2 Klassisches Kühlsystem Bis 8 kw Leistung pro Rack Racks mit externer Luftkühlung werden meist von der Vorderseite mit Kaltluft angeströmt, auf der Rückseite wird die erwärmte Luft abgeführt. Für Kühlsysteme unterschiedlicher Grössenordnung bestehen Vorschläge für Kaltgang-/Warmgang- Anordnungen mit externer Luftkühlung Die technisch maximal mögliche Kühlleistung pro Rack findet ihre Grenzen durch den Server Raum. Er soll ermöglichen, dass ausreichend Kühlluft zu den Frontseiten der Racks geschafft werden kann und die Warmluft von den Rückseiten wieder aus dem Raum heraus, zu den meist an der Peripherie der Rechenzentrumsfläche aufgestellten Umluftkühlgeräten, geführt wird. Nach Rasmussen ist die mit dieser Technik maximal abführbare Wärmeleistung 8 kw pro Rack [8]. Für ein optimiertes Kühlsystem typische Kühllufttemperaturen finden sich in Abbildung 3. Abbildung 3: Typische Lufttemperaturen eines Rechenzentrums [7] Abbildung 4 stellt den typischen Aufbau des Kühlsystems dar. Der Wärmetauscher im Umluftkühlgerät wird von extern plazierten Kältemaschinen mit Kaltwasser oder Kältemittel versorgt. Die Temperatur des Kühlmediums vor dem Wärmetauscher sollte unter 10 C betragen. Abbildung 4: Typischer Aufbau eines Kühlsystems Seite 11/65

12 Kühlsystemlösungen für Rechenzentren Um die Wärme schlussendlich an die Umgebungsluft abzugeben, muss das Temperaturniveau des Rückkühlkreislaufs der Kältemaschinen über der Umgebungstemperatur liegen. Selbst in Mitteleuropa muss das auch bei Aussentemperaturen bis 40 C funktionieren. D.h., das Kühlmedium für die Kältemaschine muss auf etwa C erwärmt werden, um eine effektive Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Werden im Winter sehr tiefe Temperaturen erreicht, ist es möglich die Wärme direkt an die Aussenluft (free cooling) abzuführen. Die Kältemaschine entfällt. [6] [8] Ab 8 kw Leistung pro Rack Racks mit einer Kühlleistung ab 8 kw können mit der klassischen Präzisionsklimatisierung nicht mehr genügend gekühlt werden. Um die erforderlichen Kühlleistungen zu erzielen, ist eine Integration des Wärmetauschers direkt in das Rack notwendig (Abbildung 5). Durch dieses Kühlsystem kann eine Wärmeleistung von über 20 kw abgeführt werden. Der interne Kühlprozess bewirkt zudem eine Entlastung der Klimatisierungsinfrastruktur im Rechenzentrum. [6] [8] Abbildung 5: Rack mit integriertem Kühlsystem [8] Seite 12/65

13 Kühlsystemlösungen für Rechenzentren 3.3 Projekt Aquasar Idee Bei konventionellen, wassergekühlten Systemen wird das Kühlwasser nicht warm genug, um die Abwärme weiter nutzen zu können. Bei heisswassergekühlten Rechenzentren leitet man das Kühlwasser deshalb so nahe an den Prozessor, dass ein nutzbares Temperaturniveau erreicht wird. Ermöglicht wird dies durch spezielle Mikrokanalkühler, die direkt auf Prozessoren und anderen Wärmeerzeuger (>3 W) im Bladeserver montiert werden. Durch diese Technik kann bis zu 90% der Abwärme eines Rechenservers mit heissem Wasser abgeführt werden. Die Restwärme von 10%, die durch Wärmeverluste und Wärmeerzeuger (< 3 W) entsteht, muss mit Kühlluft abgeführt werden. Bei einem typischen Rechenzentrum wird ca. 80% der IT-Leistung für Rechenserver benötigt die heisswassergekühlt werden können. Die Restlichen 20% (Platten- Netzwerkschaltungen) müssen wegen dem erforderlichen tieferen Temperaturniveau (max. 50 C) luftgekühlt werden. Es ist also möglich bis zu 72% der Gesamtabwärme eines Rechenzentrums abzuführen. IBM Research hat den ersten Prototyp eines heisswassergekühlten Supercomputers mit dem Namen Aquasar an der ETH in Betrieb genommen. Die Abwärme wird direkt in das ETH-interne Wärmenetz eingespeist. Abbildung 6: Funktionsschema Aquasar [9] Seite 13/65

14 Kühlsystemlösungen für Rechenzentren Funktion Durch die an Lungenkapillaren nachempfundenen Mikrokanäle gelangt das Kühlwasser nahe an die Oberfläche des Prozessors. Dies ermöglicht eine Kühlung mit Wassertemperaturen von bis zu 60 C. Nach der Wärmeaufnahme beträgt die Kühlwassertemperatur bis zu 65 C. Wegen der minimierten thermischen Widerstände wird die maximale Prozessortemperatur von 85 C trotz dem hohen Kühlwassertemperaturniveau und der hohen Wärmeentwicklung nicht überschritten. Die gewonnene Wärme wird an einen sekundären Wasserkreislauf abgegeben (z.b. Gebäudeheizung der ETH). [9] Abbildung 7: Bladeserver HS22 (Rechenserver in Aquasar) Ausblick In Zukunft sollen die Kühlkanäle direkt in Prozessoren und Leiterplatten integriert werden. Dadurch werden noch bessere Kühlleistungen und höhere Wassertemperaturen möglich. Seite 14/65

15 Integration einer Sorptionskältemaschine 4 Integration einer Sorptionskältemaschine Idee Wärmegetriebene Kältemaschinen erzeugen Kälte durch zuführen von Wärmeenergie. In heisswassergekühlten Rechenzentren wird die gesamte elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Von der IT-Leistung werden ca. 72% im Kühlwasser gespeichert. Durch den Einsatz von mechanischen Kompressionskältemaschinen, welche einen zusätzlichen strombedarf benötigen, muss die Restwärme (28%) mittels Luftkühlung abgeführt werden. Sorptionskältemaschinen könnten somit die optimale Lösung zur Kühlung der restlichen Komponenten sein. Diese Möglichkeit kann erst seit der Entwicklung des Kühlsystems Aquasar und den dadurch resultierenden hohen Kühlwassertemperaturen verfolgt werden. Abbildung 8: Diagramm Energieverbrauch / mögliche Einsparungen Wäre eine Realisierung möglich, könnte der Energieverbrauch weiter gesenkt, und somit die Effizienz des Rechenzentrums weiter erhöht werden (Abbildung 8). Seite 15/65

16 Integration einer Sorptionskältemaschine Schema Sorptionsküh (Grundsätzlich) Abbildung 9: Polysunmodell mit Rechenzentrum und Absorptionskältemaschine Die Sorptionskältemaschine wird mit der Heisswasserkühlleitung des Rechenzentrums verbunden. Die Abwärme wird an die Kältemaschine übertragen. Durch die innere Funktion kann einer Kaltwasserleitung Wärme entzogen werden. Über einen Wärmetauscher wird wiederum die Luft abgekühlt, die zur Kühlung der restlichen IT-Komponenten benötigt wird. Die gesamte Wärmeenergie wird über ein Rückkühlsystem an die Umgebung abgegeben. Schema Adsorptionskältemaschine Um eine Adsorptionskältemaschine im Kühlsystem eines Rechenzenturms zu betreiben, sind Kälte- und Wärmespeicher notwendig. Da die Maschine durch ihre Funktionsweise (Zyklen) keine konstanten Temperaturen erzeugt, müssen diese Schwankungen gepuffert werden. Das System wird komplexer. Schema Absorptionskältemaschine Bei einer Absorptionskältemaschine sind Pufferspeicher nicht unbedingt nötig. Sie Produzieren relativ konstante Temperaturwerte, die durch drehzahlgesteuerte Pumpen reguliert werden können. Seite 16/65

17 Integration einer Sorptionskältemaschine 4.1 Vergleich Ab- und Adsorptionsmaschine Bemerkung Anders als herkömmliche Kompressionskältemaschinen, die mit elektrischem Strom zunächst mechanische Arbeit (Kompression) und duch Expansion Kälte erzeugen, funktionieren Sorptionskältemaschinen als thermischer Verdichter. Das Funktionsprinzip wird deshalb in diesem Kapitel erklärt Absorptionskältemaschine Funktionsweise Die Absorptionskältemaschine besteht im wesentlichen aus vier Kammern (Generator / Austreiber, Kondensator, Verdampfer, Absorber) und einer Fluidpumpe. Im Generator befindet sich eine Lösung aus zwei Substanzen die als Arbeitspaar bezeichnet werden. In den meisten Fällen ist es eine konzentrierte Lithiumbromid-Lösung die Wasser absorbiert, oder Wasser das Ammoniak absorbiert. Das absorbierte Fluid hat die Funktion des Kältemittels, während das andere als Lösungsmittel bezeichnet wird. Abbildung 10: Schema einer Absorptionskältemaschine [1] Wird dem Generator Wärme Q H zugeführt, so verdampft ein Teil des Kältemittels wegen der geringeren Verdampfungstemperatur. Über einen Flüssigkeitsabscheider, der das Kältemittel von Lösungsresten befreit, gelangt es in den Kondensator. Im Kondensator gibt das Kältemittel Wärme ab (Q k ) und wird dadurch wieder verflüssigt. Durch den geringeren Druck verdampft das zugeführte Kältemittel im Verdampfer. Es entzieht einer Kaltwasserleitung Wärme (Q 0 ) wodurch der Nutzeffekt entsteht. Das Lösungsmittel wird nach der Trennung vom Kältemittel auf den Absorberdruck entspannt, abgekühlt und dem Absorber zugeführt. Es ist dadurch in der Lage den Kältemitteldampf im Absorber unter Abgabe der Absorptionswärme (Q A ) aufzunehmen. Eine Lösungsmittelpumpe führt die angereicherte Lösung zurück zum Generator. Der Kreislauf ist geschlossen. Der gesamte Lösungsmittelkreislauf arbeitet als "thermischer Verdichter", da er die entsprechenden Aufgaben des Verdichters einer Kompressionskältemaschine übernimmt. [1] Seite 17/65

18 Integration einer Sorptionskältemaschine Betriebsverhalten Um Kenntnis über das Betriebsverhalten einer Absorptionskältemaschine zu erhalten, liegen Erfahrungswerte aus dem Testbetrieb einer Suninverse Kältemaschine vor. [10] Entwicklung: Typ: Nennleistung: Kühlwassereintrittstemp.: Kaltwassereintrittstemp.: Kaltwasseraustrittstemp.: SK SonnenKlima GmbH Absorptionskältemaschine (1-Stufig/Lithiumbromid/Wasser) 10 kw 27 C (2.6 m 3 /h) 18 C (2.9 m 3 /h) 15.7 C bei 65 C Antriebstemperatur Abbildung 11: Einfluss der Antriebstemperatur auf die Kälteleistung (Absorption/Suninverse) [10] An Abbildung 11 erkennt man, dass die mögliche Kälteleistung mit sinkender Antriebstemperatur linear abnimmt, der COP aber relativ konstant bleibt. Mit einer Antriebstemperatur von 65 C erreicht man bei gegebenen Betriebsparametern rund 80% der Nennleistung. Es muss allerdings beachtet werden, dass diese Werte mit einem hohen Kaltwassertemperaturniveau von 15.7 C erreicht werden. Abbildung 12: Einfluss der Kaltwassertemperatur auf Kälteleistung (Absorption/Suninverse) [10] Seite 18/65

19 Integration einer Sorptionskältemaschine Will man die Effizienz der Absorptionskältemaschine mit den Leistungsdaten der später beschriebenen Typ NAK Adsorptionskältemaschine vergleichen, muss man mit einer Kaltwassertemperatur von 12 C und einer Kühlwassertemperatur von 28 C rechnen. Um eine Temperaturdifferenz von 6 C zu erreichen (12 C/6 C beim Kaltwasser) müssen zudem die Durchflussraten angepasst werden. Es ist zu erwarten, dass die Kälteleistung der Absorptionskältemaschine bei ähnlichen Betriebsbedingungen auf unter 50% der Nennkälteleistung fällt. In den drei Abbildungen (11,12,13) ist das Maschinenverhalten bezüglich Betriebsparameter ersichtlich. Abbildung 13: Einfluss der Rückkühltemperatur auf Kälteleistung (Absorption/Suninverse) [10] Seite 19/65

20 Integration einer Sorptionskältemaschine Adsorptionskältemaschine Funktionsweise Anders als bei der Absorptionskältemaschine wird bei diesem System das Kältemittel nicht von einem Fluid absorbiert, sondern von einem festen Material adsorbiert. Als Sorbent wird beispielsweise Silicagel als Sorptiv und somit als Kältemittel Wasser verwendet. Abbildung 14: Querschnitt einer Adsorptionskältemaschine (VL: Vorlauf / RL: Rücklauf) [2] Die Adsorptionskältemaschine besteht aus vier Kammern (Abbildung 14). Im Desorber wird das Sorbat durch Wärmezufuhr gelöst und in den Kondensator geleitet. Dort wird das Kältemittel durch eine Kühlwasserleitung abgekühlt und verflüssigt. Über ein Verbindungsrohr wird es anschliessend dem Verdampfer zugeführt, wo es durch Wärmeaufnahme einer Kaltwasserleitung verdampft. Danach gelangt es in den Adsorber und adsorbiert. Abbildung 15: Typischer Temperaturverlauf einer Adsorptionskältemaschine [11] Ist dieser Vorgang abgeschlossen und das Sorbent im Adsorber gesättigt, wird die Ansteuerung der beiden Kammern gewechselt. Der vorherige Desorber dient nun als Adsorber und umgekehrt. Die Zyklusdauer beträgt je nach Maschine ca min (Abbildung 15). [2] Seite 20/65

21 Integration einer Sorptionskältemaschine Betriebsverhalten Adsorptionskältemaschinen können bereits bei Antriebstemperaturen ab 55 C eingesetzt werden. Allerdings sinkt mit abnehmender Antriebstemperatur die Wärmeleistungsaufnahme und der COP der Maschine deutlich (Abbildung 16). Dies hat eine erheblich geringere Kühlleistungen zufolge. Abbildung 16: COP und Kühlleistung einer konventionellen Adsorptionskältemaschine in Funktion von Kühlwasser- und Heisswassertemperatur (Kaltwassertemperatur 14 C/9 C) [11] Bei 65 C werden je nach Kühlwassertemperatur ca % der Nennkühlleistung erreicht. Desweiteren hat das Kaltwassertemperaturniveau einen Einfluss auf die erreichte Kühlleistung (Bei höherem Kaltwassertemperaturniveau werden höhere Kühlleistungen erreicht). [11] Maschinendaten Folgende Daten stammen von Typ NAK Adsorptionskältemaschinen (Hersteller Nishiyodo). Alle Angaben stammen von der Website der Gesellschaft für Bodenanalytik und Umwelttechnik (GBU) Bensheim, Deutschland. Tabelle 1: Verhalten Adsorptionskältemaschine [2] Bsp. NAK Typ 100/350 Heisswasser ein/aus Kühlwasser ein/aus Kaltwasser ein/aus 65 C/59.4 C 28 C/33 C 12 C/6 C Die Maschine erreicht bei einer Antriebstemperatur von 65 C rund 52% der Nennleistung. Eine Kältemaschine mit einer Nennleistung von 350kW erreicht also unter gegebenen Betriebsbedingungen ca. 187kW. Dieses Verhalten zieht sich durch die gesamte Seite 21/65

22 Integration einer Sorptionskältemaschine Maschinenpalette. D.h. auch bei der grösseren Maschine mit 1050kW wird mit einer Antriebstemperatur von 65 C 52% der Nennleistung erreicht. Die Nennleistung ist je nach Betriebsbedingungen erst bei höheren Antriebstemperaturen möglich. In diesem Fall bei ca. 83 C. (Siehe Abbildung 17) Der Einsatz einer Adsorptionskältemaschine in heisswassergekühlten Rechenzentren ist trotz des niedrigen Temperaturniveaus grundsätzlich möglich. Wegen der nötigen Temperaturregelung (Zyklen erfordern Speicher, etc.) und weil die Maschine ihre Nennleistung nicht erreicht, sind aber mit deutlich höheren effektiven Betriebs- und Investitionskosten zu rechnen. Ein weiteres Problem stellt die Kühlwassertemperatur dar. Aus Abbildung 17 wird ersichtlich, dass mit steigender Kühlwassertemperatur, die Kälteleistung der Maschine abnimmt. 52% der Nennleistung werden nur bei einer Kühlwassertemperatur von 28 C erreicht. [2] Seite 22/65

23 Integration einer Sorptionskältemaschine Abbildung 17: Heizwasser-Leistungsverhältnisse Adsorption (Typ NAK / 1050 kw Nennleistung) [2] Abbildung 17 zeigt das Maschinenverhalten bei gegebenen Heiss- und Kaltwassertemperaturen und sich variierenden Kühlwassertemperaturen. Die Leistungsdaten von Tabelle 1 können dieser Grafik entnommen werden. Einziger Unterschied ist die leicht veränderte Kaltwasser-Eintrittstemperatur von 11 C auf 12 C (Abbildung 17). Seite 23/65

24 Integration einer Sorptionskältemaschine 4.2 Vorabklärung Aspekte (Vergleich der Systeme) Investitionskosten Das Kostendiagramm in Abbildung 18 stellt die kompletten Systemkosten in Abhängigkeit der Anlagengrösse dar. Für die Effektivkosten der Sorptionskältemaschinen wurden folgende Annahmen getroffen: Antriebstemperatur (Einlass): 65 C (max. Heisswassertemperatur Typ Aquasar) Kühlwassertemperatur (Einlass): 27 C (Abhängig von Umgebungstemperatur) Kaltwassertemperatur (Einlass): 9 C (Anforderung für Luftkühlung) Es wird erwartet, dass die genannte Kühlwassertemperatur, in der gemässigten Klimazone, nicht überschritten wird. Die Kosten beziehen sich auf konventionelle Kälteanlagen mit maximalen spezifischen Kälteleistungen. Abbildung 18: Systemkostendiagramm für Nominal- und Effektivwerte der Kältemaschinen Da die Trendlinie der Adsorptionskältemaschine nur in den tieferen Leistungsbereichen aussagekräftige Werte liefert, werden die Daten ab 200 kw prozentual zu den Kompressionskältewerten gewählt. (Siehe Anhang Ordnerstruktur: Kosten.xlsb) [5] Standortabhängigkeit Platzbedarf / Gebäudeausstattung Das Problem der Standortabhängigkeit besteht vor allem für Kühlsysteme mit Sorptionskältemaschinen. Durch ihre Funktionsweise sind sehr grosse Rückkühlleistungen bei relativ tiefen Kühlwassertemperaturen erforderlich. Je nach Standort können dadurch unterschiedliche Kühlwassertemperaturniveaus erreicht werden, die einen grossen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Maschinen haben. Kann nicht genügend abgekühlt werden, so ist der Einsatz der Sorptionstechnik eventuell nicht möglich, oder wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll. Kompressionskältemaschinen können grundsätzlich in jeder Klimazone betrieben werden. Sorptionskältemaschinen sind schwerer und benötigen mehr Platz als Kompressionskältemaschinen. Zudem ist der Wärmeabwurf des Sorptionskältesystems komplizierter und erfordert aufwendigere Einrichtungen. Seite 24/65

25 Integration einer Sorptionskältemaschine Unterhaltskosten Informationen verschiedener Quellen bestätigen, dass die Wartungskosten für unterschiedliche Kühlsysteme im gleichen Leistungsbereich jährlich ungefähr gleich hoch sind. (Kompressionskältemaschine ca. 3%, Absorptionskältemaschine ca. 1% der Investitionskosten.) [12] Wasserverbrauch Bei Sorptionskältemaschinen ist, je nach Rückkühlsystem, mit einem grossen Frischwasserverbrauch, vor allem in wärmeren Klimazonen, zu rechnen. Kompressionskältemaschinen benötigen für ihren Betrieb kein Frischwasser. Lebensdauer Sorptionskältemaschinen erreichen eine Lebensdauer von ca. 20 Jahren. Das sind rund 5 Jahre mehr als bei einer Kompressionskältemaschine. Im Betrieb mit einem Rechenzentrum ist eine Nutzungsdauer von 15 Jahren und mehr unrealistisch. Die Lebensdauer eines Rechenzentrums beträgt ca. 10Jahre. [12] Sicherheit / Störanfälligkeit Über besondere Störanfälligkeiten, der verschiedenen Kältemaschinen, wurden keine Angaben gefunden. Um die nötige Redundanz beim Betrieb eines Rechenzentrums zu gewährleisten, wird die Installation einer Kompressionskältemaschine als Ersatzaggregat empfohlen (bei allen Primärkühltechniken). Emissionen (CO 2-Bilanz) Um Aussagen über die CO 2 -Bilanzen der Vergleichsanlagen zu machen wurden folgende Werte angenommen: Mix-Strom Schweiz: 143g/kWh Mix-Strom Europa: 630g/kWh (Spezialfall, da viel Wasser- und Kernkraft) (Repräsentativ für Europa und Rest der Welt) [13] Seite 25/65

26 Modellszenarien für Rechenzentren 5 Modellszenarien für Rechenzentren 5.1 Festlegen von Systemgrenzen Systemgrenzen Um verschiedene Kühlsysteme miteinander zu vergleichen werden Systemgrenzen festgelegt. Sie sollen Aufschluss über die angenommenen Betriebsbedingungen geben. Technik Es werden keine internen Vorgänge in den Kältemaschinen berechnet. Die Vergleiche werden mit Anlagen gemacht, die dem Stand der Technik entsprechen. Um die Maschinen zu vergleichen werden Herstellerangaben übernommen. Umgebungsbedingungen Es werden grundsätzlich durchschnittliche Aussentemperaturwerte über ein Jahr angenommen (Ausnahme Polysun). Es werden keine speziellen Wetterlagen (Rekord-Winter / -Sommer) berücksichtigt. Als Antriebsmedium für die Sorptionskältemaschine wird mit konstant 65 C heissem Wasser vom Rechenzentrum gerechnet. Das Kühlwasser soll mit 60 C in das Rechenzentrum zurückgeleitet werden. Mit den Kältemaschinen sollen Netz- und Speicherserver unter die zulässige Maximaltemperatur von ca. 50 C gekühlt werden. Als Standore werden Zürich CH und Marble Bar AUS gewählt (gemässigte- und subtropische Klimazone), die Wetterdaten werden von der Simulationssoftware Polysun 5 übernommen (Meteonorm). Die Kältemaschinen befinden sich in einem Gebäude. Kosten Kostenangaben werden von vertrauenswürdigen Quellen übernommen. Es gilt darauf zu achten, dass nur Angaben von der gleichen Quelle zum Vergleich von verschiedenen Systemen berücksichtigt werden. Es werden nur Systemkosten betrachtet. Ökologie Um Aussagen über die Ökologie von verschiedenen Systemen zu machen, werden der Stromverbrauch, sowie der Verbrauch von fossilen Energieträger berücksichtigt. Die CO 2 -Bilanz ist ebenfalls von grosser Bedeutung. Hilfsmittel Bei den Simulationsmodellen werden Kältemaschinen mit geringen Leistungen verwendet. Die erhaltenen Resultate werden anschliessend linear auf eine 10 MW Anlage skaliert. Grafik Abbildung 19: Systemabgrenzung Seite 26/65

27 Modellszenarien für Rechenzentren 5.2 Definition einer gesamtheitlichen Bewertungsmatrix Kriteriendefinition Um verschiedene Systeme miteinander zu vergleichen, müssen Bewertungskriterien festgelegt werden. Sicherheit / Störanfälligkeit: Wie sicher ist die Anlage? Können Aussagen über die Störanfälligkeit gemacht werden? Lebensdauer: Wie lange kann die Anlage betrieben werden? Wann muss sie ersetzt oder revidiert werden? Energieverbrauch / CO 2 Emissionen: Wie ökologisch arbeitet das System. Wieviel Energie wird zum Betreiben der Anlage benötigt? Wie ist die CO 2 -Bilanz der Anlage? Mit welchen Emissionen sind zusätzlich zu rechnen? Wieviel CO 2 kann eingespart werden? Betriebs- und Unterhaltskosten: Wie hoch sind die Kosten, die für die Wartung und den Betrieb der Anlage anfallen? Investitionskosten: Wieviel kostet die Kältemaschine und die für sie benötigten Komponenten. Was für Investitionskosten müssen gerechnet werden, bis das System betriebsbereit ist? Bedienungsaufwand / Automatisierbarkeit: Ist die Anlage bedienungsfreundlich, oder ist Fachpersonal nötig? Seite 27/65

28 Modellszenarien für Rechenzentren Paarweiser Vergleich Alle Kriterien werden Paarweise miteinander verglichen und als wichtig, weniger wichtig oder gleichwertig beurteilt. Nach der Bewertung erhält jedes Kriterium eine Punktzahl zwischen 1 und 10, die der Gewichtung des Kriteriums entspricht (Tabelle 2). Tabelle 2: Paarweiser Vergleich (Beispiel) (Vorlage Werkzeugkasten HSR) Variantenvergleich / Bewertung Beim Variantenvergleich werden den verschiedenen Systemen für jedes Kriterium Punktzahlen zugeteilt. Die Anzahl der vergebenen Punkte hängt dabei vom jeweiligen Erfüllungsgrad ab. Tabelle 3: Nutzwertanalyse (Beispiel) (Vorlage Werkzeugkasten HSR) Schlussendlich erhält jeder Lösungsvorschlag eine maximal Punktzahl, die von der Punkteverteilung, sowie von der Gewichtung der Kriterien abhängt. Die Variante mit der höchsten Punktezahl erfüllt die definierten Kriterien durchschnittlich am besten und gewinnt den Vergleich (Tabelle 3). Seite 28/65

29 Modellszenarien für Rechenzentren 5.3 Definition von vergleichbaren Varianten Vorwort Um vergleichbare Systeme zu definieren, wurde ein morphologischer Kasten erstellt. Mit ihm erhält man eine schnelle Übersicht über möglichen Varianten und verschiedene Teilkomponenten. Bemerkung Alle Kühlsysteme werden an einem Rechenzentrum mit 10 MW IT-Leistung verglichen. Das Rechenzentrum ist mit einer Heisswasserkühlung ausgestattet (Typ Aquasar). Es steht also bei allen Systemen Heisswasser von 65 C zur Verfügung, das auf 60 C abgekühlt werden muss. Morphologischer Kasten / Systemdefinition Tabelle 4: Morpologischer Kasten Seite 29/65

30 Modellszenarien für Rechenzentren Grundsätzlich wird die Integration unterschiedlicher Kältemaschinen in ein Kühlsystem untersucht. Unterschieden wird zwischen einer Adsorptions-, Absorptions- und einer Kompressionskältemaschine. Tabelle 5: Klimazonen [3] Unterscheidung Kältemaschinen Unterscheidung Klimazonen Unterscheidung Wärmeabwurf In jedem Fall muss die Wärmeabführung gewährleistet sein. Die Methode, um einen möglichst effizienten Wärmeabwurf zu realisieren, ist abhängig von der Region. Es sollen darum verschiedene Teilvarianten untersucht werden. Unterscheidung Standort Mit der Unterscheidung des Standorts wird definiert, ob eine Nutzung der Systemabwärme möglich ist. Ist z.b. der Betrieb eines Gewächshauses möglich? Existiert die Möglichkeit zu Einspeisung in ein Wärmenetz?...etc. Seite 30/65

31 Modellszenarien für Rechenzentren 5.4 Physikalisches Leistungssimulationsmodell (Polysun 5) Übersicht Polysun ist ein am SPF entwickeltes Programm zur Modellierung von Energiesystemen. Es beruht auf Messdaten kommerzieller Systeme, welche in den Simulationen abgebildet werden. Vertrieben und weiterentwickelt wird es von Vela Solaris seit Material und Methoden Material und Einrichtungen Programmversion Zur Modellierung der verschiedenen Kühlsysteme steht Polysun 5.3 zur Verfügung. (Aktuell: ) Die Funktionen für Sorptionskältemaschinen werden ständig weiterentwickelt. Nächstes Update auf Polysun 5.4 erscheint im Juli Abbildung 20: Polysun 5 Sofware Betriebssystem Hardware Verwendet wird das Betriebssystem Windows XP, das als Virtualmachine mit Parallels 5 auf OSX 6.3 betrieben wird. Alle Simulationen wurden auf einem MacBook Pro mit folgenden Leistungsangaben durchgeführt. Prozessortyp: Prozessorgeschwindigkeit: Arbeitsspeicher: Busgeschwindigkeit: Intel Core 2 Duo 2.53 GHz 4 GB (davon 2 GB für XP) 1.07 GHz Abbildung 21: Hardware Seite 31/65

32 Modellszenarien für Rechenzentren Vorgehen Übersicht Mit Polysun-Modellen wurde überprüft, ob verschiedene Systeme auch bei extremen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden können. Als Vergleich dienen die Standorte Zürich (Gemässigte Zone) und Marble Bar, Australien (Subtropische Zone / gilt als einer der heissesten Orte der Erde). Als Betriebsparameter wurden zum einen die Werte eines heisswassergekühlten Rechenzentrums, zum anderen die nominalen Betriebsparameter (entspricht nicht der Maximalleistung) verwendet. Modellierung Um die Systeme einfacher zu vergleichen und kürzere Simulationszeiten zu erreichen, wurden alle Kühlsysteme in der gleichen GUI modelliert. Unter der Rubrik Standort der Anlage konnten anschliessend die beiden Standorte ausgewählt werden. Wärmequelle Im Simulationsmodell kann den abgebildeten kommerziellen Kältemaschinen mit einer Nennkälteleistung von 15 kw bzw. 8 kw eine Wärmeleistung von maximal 14.4 kw (Annahme) zugeführt werden. Der Wert entsteht durch die Annahme, dass ein Rack (Modell) mit Rechen-, Netzwerk- und Speicherserver ausgerüstet ist. Dadurch können bei einer Gesamtleistung von 20 kw (Rack) rund 72% (14.4 kw) der Abwärme abgeführt werden. Die Maschinen sollen mit dieser Wärmeleistung und den gegebenen Betriebsparametern des Rechenzentrums genügend Kälteenergie für den Luftgekühlten Anteil eines Racks (5.6 kw entspricht Restwärme von 28%) generieren. Vereinfachungen Die Funktionen Energiequellen / -senken und Sorptionskältemaschinen stehen in Polysun 5.3 erst seit kurzem zur Verfügung. Es können darum verschiedene Elemente nicht verwendet werden (Software-Einschränkungen). 1. Keine Temperaturregelung mit einem Mischventil 2. Keine drehzahlgesteuerte Pumpensteuerungen im Kreislauf mit Energiequelle und Sorptionskältemaschine. (Funktion nur mit Wärmetauscher oder Kollektor) 3. Mehrere Kältemaschinen können nicht miteinander verbunden werden. (Die Energiebilanz muss nach jeder Berechnung überprüft werden.) Aus diesem Grund wurde zur Vereinfachung nur mit Energiequellen und Energiesenken gearbeitet, welche die Leistung automatisch an die Soll-Temperaturen anpassen. Alle Parameter (Einstellungen der selbst gestalteten Kühltürme, etc.) mussten durch Versuche ermittelt werden. Ergebnisse In der subtropischen Zone reduzieren sich die Kälteleistungen bei allen Modellen nur minimal. Die Erwartungen, dass sich die Systemleistungen drastisch minimieren und eine Wärmeabgabe eventuell nicht mehr möglich ist, traten nicht ein. Interessant ist allerdings, dass die Kühlwassertemperaturen, trotz teilweise höheren Umgebungstemperaturen, auf ein tieferes Niveau abgekühlt werden können. Das lässt sich auf den Einsatz der Nasskühltürme zurückführen (erklärt in Kapitel 5.6). Einen grossen Einfluss auf die erreichbare Kälteleistung der Sorptionskältemaschinen haben die Höhe der Antriebstemperatur und die Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasserein- und Austritt. Der COP der Maschinen bleibt relativ konstant, wobei die Aufnahme der Wärmeenergie im Generator und somit der Kälteenergieertrag stark abnimmt. Die restliche Abwärme der Server konnte in beiden Regionen mit free cooling abgeführt werden. Eine direkte Integration in das bestehende Simulationsmodell war jedoch wegen fehlenden Regeloptionen und zu grossen Kühlturmleistungen (Leistung eines Kühlturms konnte nicht genug verringert werden, um eine Temperaturdifferenz Seite 32/65

33 Modellszenarien für Rechenzentren von 5 C zu erreichen) nicht möglich. Tabelle 6 gibt einen Überblick über die maximal möglichen Kälteleistungen der abgebildeten Kältemaschinen bei vorgegebenen Temperaturniveaus. Es ist ersichtlich, dass die nötige Kälteleistung von 5.4 kw zur Luftkühlung (im Durchschnitt) bei beiden Standorten erreicht wird. Das genaue Betriebsverhalten und die Betriebsparameter können aus den Simulationsresultaten in Kapitel entnommen werden. Tabelle 6: Resultatzusammenfassung Simulationsmodelle (Simulationsdauer: 1 Jahr) Zürich nominal Adsorption Durchschnittsleistung: Absorption Durchschnittsleistung: Kompression Durchschnittsleistung: Kälteenergie 87'313 kwh 9.97 kw 138'182 kwh kw 126'549 kwh kw Wärmeenergie (dem Generator zugeführte Wärme) 184'406 kwh 21 kw 195'789 kwh kw COP Leistung % % % Marble bar nominal Adsorption Durchschnittsleistung: 83'123 kwh 9.49 kw 175'096 kwh kw % Absorption Durchschnittsleistung: 135'775 kwh 15.5 kw 192'570 kwh 22 kw % Kompression Durchschnittsleistung: 126'007 kwh 14.4 kw % Zürich Rechenzentrum Adsorption Durchschnittsleistung: 48'938 kwh 5.6 kw 86'753 kwh 9.9 kw % Absorption Durchschnittsleistung: 56'457 kwh 6.4 kw 81'522 kwh 9.3 kw % Kompression Durchschnittsleistung: 125'040 kwh 14.3 kw % Marble bar Rechenzentrum Adsorption Durchschnittsleistung: 46'870 kwh 5.4 kw 84'182 kwh 9.6 kw ,5% Absorption Durchschnittsleistung: 54'402 kwh 6.2 kw 78'982 kwh 9 kw % Kompression Durchschnittsleistung: 124'352 kwh 14.2 kw % (Die Prozentzahlen beziehen sich auf die Nennleistung der jeweiligen Maschine.) Seite 33/65

34 Modellszenarien für Rechenzentren Vergleichsmodelle Erklärung Alle Durchflussraten, Einstellungen von Energiequellen/-senken und Temperaturniveaus sind aus den folgenden Polysun-Schemen ersichtlich (Abbildung 22/24/26). Da keine Temperaturregelung mit Mischventilen oder Pumpendrehzahlsteuerung möglich war, mussten alle Werte manuell angepasst werden. Um die gewünschten Temperaturniveaus zu erreichen, wurden für die Berechnungen mit Rechenzentrum, in Polysun selbst modellierte Kühltürme verwendet. Variante 1 Adsorptionskältemaschine Abbildung 22: 8 kw Adsorptionskältemaschine von Sortech (Polysun) Die Adsorptionskältemaschine erreicht bei optimalen Bedingungen eine Kälteleistung von über 11 kw (siehe Volllast-Kühlleistung). Den Angaben können zudem die Auslegungsdurchsatzraten für die verschiedenen Kreisläufe entnommen werden. Abbildung 23: Polysunmodell von Variante 1 mit Adsorptionskältemaschine Seite 34/65

35 Modellszenarien für Rechenzentren Variante 2 Absorptionskältemaschine Abbildung 24: 15 kw Absorptionskältemaschine (Polysun) Die Polysundaten der Absorptionskältemaschine geben Aufschluss über die Auslegungs-Parameter der Kältemaschine. Um eine optimale Kälteleistung zu erreichen, sollten die Einstellungen möglichst in diesen Bereichen liegen. Abbildung 25: Polysunmodell von Variante 2 mit Absorptionskältemaschine Seite 35/65

36 Modellszenarien für Rechenzentren Variante 3 Kompressionskältemaschine Abbildung 26: 15 kw Kompressionskältemaschine (Polysun) Den Maschinendaten ist zu entnehmen, dass die Kompressionskältemaschine maximal eine Kälteleistung von kw bei einem COP von 4.33 erzeugen kann. Kompressionskältemaschinen wurden in Polysun als umgekehrte Wärmepumpen ( Wärmepumpe Betriebszustand auf Kühlung stellen) implementiert. Abbildung 27: Polysunmodell von Variante 3 mit Kompressionskältemaschine Seite 36/65

37 Modellszenarien für Rechenzentren Betrieb mit optimalen Parametern Gemässigte Zone: Standort: Umgebungstemperatur: Adsorptionskältesystem: Absorptionskältesystem: Kompressionskältesystem: Zürich, Schweiz Achtung: Die Temperaturverläufe werden nur näherungsweise abgebildet. Maximaltemperaturen sind in der Grafik nicht ersichtlich und müssen durch die Zoomfunktion oder durch Stundenwertangaben (Option in Polysun) betrachtet werden. Seite 37/65

38 Modellszenarien für Rechenzentren Seite 38/65

39 Modellszenarien für Rechenzentren Subtropische Zone: Standort: Umgebungstemperatur: Adsorptionskältesystem: Absorptionskältesystem: Kompressionskältesystem: Marble bar, Australien Seite 39/65

40 Modellszenarien für Rechenzentren Seite 40/65

41 Modellszenarien für Rechenzentren Betrieb mit Parametern vom Rechenzentrum Gemässigte Zone: Standort: Umgebungstemperatur: Adsorptionskältesystem: Absorptionskältesystem: Kompressionskältesystem: Zürich, Schweiz (Die Betriebsgrenze der Adsorptionskältemaschine befindet sich nach Polysun bei 65 C. Die Kälteleistung fällt deshalb (bei Temperatur unter 65 C im Betrieb mit Rechenzentrum) kurzzeitig auf 0W.) Seite 41/65

42 Modellszenarien für Rechenzentren Seite 42/65

43 Modellszenarien für Rechenzentren Subtropische Zone: Standort: Umgebungstemperatur: Adsorptionskältesystem: Absorptionskältesystem: Kommpressionskältesystem: Marble bar, Australien (Die Betriebsgrenze der Adsorptionskältemaschine befindet sich nach Polysun bei 65 C. Die Kälteleistung fällt deshalb (bei Temperatur unter 65 C im Betrieb mit Rechenzentrum) kurzzeitig auf 0W.) Seite 43/65

44 Modellszenarien für Rechenzentren Seite 44/65

45 Modellszenarien für Rechenzentren 5.6 Diskussion vom Leistungssimulationsmodell Polysun- Resultate mit nominalen Betriebsparametern Wie erwartet werden die von den Herstellern angegebenen Nennkälteleistungen aller Kältemaschinen erreicht. Die Temperaturniveaus liegen in den erwarteten Bereichen, die COPs entsprechen den Erwartungen. Auffällig waren allerdings die tiefen Kühlwassertemperaturen beim Standort Marble Bar. Trotz erheblich höheren Umgebungstemperaturen blieben sie im Bereich der Kühlwassertemperaturen von Zürich. Das ist, bei einer Differenz von 15.9 C zwischen den Jahresdurchschnittstemperaturen der beiden Standorte, eine unerwartet kleine Abweichung (Erklärung folgt später unter Erreichte Kühlwassertemperaturen ). Abbildung 28: Kühlwassertemperaturverlauf Zürich mit nominalen Parameter [15] Abbildung 28 zeigt den Verlauf der Kühlwassertemperaturen (Adsorption, Absorption, Kompression), gegenüber der Umgebungstemperatur. Es gilt abzuklären, ob die erreichten Kühlwassertemperaturen bei gegebenen Umgebungstemperaturen überhaupt möglich sind. Polysun- Resultate mit Parametern vom Rechenzentrum Durch die tieferen Antriebs- und Kaltwassertemperaturen, waren bei den Simulationsmodellen mit Rechenzentrum deutlich tiefere Kälteleistungen zu erwarten. Die Polysunresultate bestätigten dies. Es wurden (je nach Modell und Standort) nur ca % der Nennkälteleistung erreicht. Aussage von vela solaris Wegen den Unklarheiten bei den Simulationsresultaten wurde vela solaris kontaktiert. Ein Mitarbeiter bestätigte, dass die Interpolation der Sorptionskältemaschinendaten im Zusammenhang mit Wärmequellen noch nicht vollständig funktioniert. Um richtige Resultate zu erhalten, dürfen die Parameter nur geringfügig von den Nennangaben des Herstellers abweichen (soll mit der Aktualisierung auf Polysun 5.4 im Juli 2010 behoben werden). Zur Überprüfung der Daten, wurden von vela solaris Diagramme der Adsorptionskältemaschine von SorTech zur Verfügung gestellt (Abhängigkeit von mittlerem (Kühlwasser) und hohen (Heisswasser) Temperaturniveau bei festem tiefen Seite 45/65