RZ - Klimatisierung. Leitfaden für die Planung von Klima und Kältetechnik in Rechenzentren

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1 1 RZ - Klimatisierung Leitfaden für die Planung von Klima und Kältetechnik in Rechenzentren

2 2 Referentenprofil: Terrahe, Ulrich dc-ce RZ-Beratung Berner Str Frankfurt/Main Berufliche Ausbildung: Diplom-Ingenieur (Energie- und Wärmetechnik), Diplom-Wirtschafts-Ingenieur Maschinenschlosser Fachgebiet der Referententätigkeit: Technische Infrastruktur Rechenzentren, Risiko- und Schwachstellenanalyse Energieeffizienz in Rechenzentren Berufliche Tätigkeit: Seit 1997 in der RechenzentrumspIanung; Inhaber der dc-ce RZ-Beratung und Beratender Ingenieur, Frankfurt am Main, Initiator und Veranstalter des Events Future Thinking und des Deutschen Rechenzentrumspreises Erfahrung als Referent: Referent für die Datacenter Dynamics in Frankfurt und Mumbai, für die IIR und Euroforum in Frankfurt und Düsseldorf, Bitkom, Cast e.v., Universität Bochum, Computerwoche, Infrakon Referent an der Technischen Akademie Wuppertal (Seminar: Fachkraft für betriebssichere Rechenzentren)

3 3 Optimale Klimatisierung? Monitoring Kaltgang- Warmgang PUE > 1,3 dynamische Lasten Wärmepumpe Verschattung Kyoto- Kühlung rel. Feuchte Adsorber wassergekühltes Rack? Turbocorverdichter Einhausung direkte freie Kühlung Direktverdampfer Freikühlregister Adiabate Kühlung Tier 4 Wartung

4 4 Kühlungsprozess im Rechenzentrum Rack /Rechenzentrum Umgebung 5 = Wärmetauscher 5 = Wärmetauscher innen außen Rückluft Zuluft Außenluft Außenluft 4 = Kondensator (Lüfter) = Lüfter 2 = Pumpen Vorlauf (Wasser) Rücklauf (Wasser) * 3 =Kältemaschine

5 5 Physikalische Gesetzmäßigkeiten Q = V L x ρ A x c pa x Δθ

6 6 Physikalische Gesetzmäßigkeiten V1 V 2 = p 1 p 2 Volumenstrom V in m³/h 2 = P 1 P 2 Druckverlust p in Pa 3 = n 1 n 2 Elektrische Leistungsaufnahme P in Watt = 500 p = Pa p = W P 2 = P 2 3 = n 1 n 2 p 2 = 125 Pa P 2 = 375 W V : Volumenstrom p: Druckverlust P: elektrische Leistung n: Drehzahl des Ventilators

7 30% 40% 5% 10% 15% 20% 30% 1.05 kg/m % 40% 5% 10% 15% 20% Wasser 20 g/kg 18 g/kg 16 g/kg 14 g/kg 12 g/kg 10 g/kg 6 g/kg 4 g/kg 2 g/kg -0 g/kg 20 g/kg 18 g/kg 16 g/kg 14 g/kg 12 g/kg 10 g/kg 8 g/kg 6 g/kg 4 g/kg 2 g/kg -0 g/kg 20 g/kg 18 g/kg 16 g/kg 14 g/kg 20% Wasser Temperatur 15% 12 g/kg 10 g/kg 8 g/kg 10% Wasser Temperatur 5% 6 g/kg 4 g/kg 2 g/kg -0 g/kg Temperatur Physikalische Gesetzmäßigkeiten 8 g/kg Das hx- Diagramm nach Molliere 30% 40% % 50% 60% % 60% 70% 70% 70% 80% g /kg /k kg /m 1. kg /kg kj 5 kj kj /m kg 0 /m 0 /kg g kj -5 /k /kg kj kj /m kg /m /kg 5 g kg kj /k kj 1. /kg kj /m kg Meteorological data for Frankfurt concerning Meteonorm 0 3 /m kg /m Meteorological data for Frankfurt concerning Meteonorm 1. Meteorological data for Frankfurt concerning Meteonorm kg 3 25 /m 1. kg kj g /k -15 Mollier-h-x-Diagramm für feuchte Luft - Druck bar ( m / C / % rf) früher 7 Mollier-h-x-Diagramm für feuchte Luft - Druck bar ( m / C / % rf) Ashrea 2011 recommended Mollier-h-x-Diagramm für feuchte Luft - Druck bar ( m / C / % rf) Ashrea 2011 allowable Rel. Feuchte e En th a lp 20 pi ie % 25 al 100% % 90% En th al pi 20 Rel. Feuchte e 25 80% 1.10 kg/m3 80% 1.10 kg/m3 100% th 90% 30 En 1.15 kg/m3 Rel. Feuchte 30

8 8 Klima im Rechenzentrum Rack /Rechenzentrum innen Steuergrößen: Rückluft Zuluft Zulufttemperatur Rücklufttemperatur Ventilatoren Wärmetauscher

9 9 Kühlkonzept von Rackservern Ansaugen von kalter Luft vorne Luftdurchfluß durch den Server optimiert mit Leitblechen Mehr Funktionen/Komponenten auf wenig Platz keine Kühlung von Einzelkomponenten kein Redundanzproblem Erlaubt höhere interne Skalierbarkeit Hitze wird mit angeordneten Lüftern aus dem Gehäuse effizienter entfernt

10 10 Benötigte Kälteleistung IBM Blade Center Jedes Blade-Center Gestell benötigt 7U Max. 6 Blade-Center passen in ein Standard- 42U -Rack Max. Wärmelast pro BladeCenter: 4kW Max. Wärmelast pro Rack: 24kW Benötigte Luftmenge: 6 x 850 m³/h = 5100 m3/h Luftführung von vorne nach hinten Dell Blade Server 10 PowerEdge 1855 Blades benötigen 7U Max. 6 PowerEdge 1855 Blades passen in ein Standard- 42U -Rack Max. Wärmelast für 10 Blades: 4.17kW Max. Wärmelast pro Rack: 25kW Benötigte Luftmenge: 6 x 680 m3/h = 4080 m3/h Luftführung von vorne nach hinten

11 11 Luftströmung im Rechenzentrum Niedriges Luftvolumen Hohes Luftvolumen Einhausung

12 12 Ventilatoren in Reihe geschaltet

13 13 Testrechenzentrum dc-ce am Hermann Rietschel Institute

14 14 Komfortklima versus Präzisionsklimatechnik Q = V L x ρ A x c pa x ΔT - Geringeres Luftvolumen - Höhere Temperaturdifferenz - mehr Entfeuchtung - höhere latente Kühlleistung - höheres Luftvolumen - geringere Temperaturdifferenz - weniger Entfeuchtung - niedrige latente Kühlleistung Bilder Fa. Stulz

15 15 Praxisbeispiel: Spielen mit der Temperatur

16 16 Praxisbeispiel: Vergrößerung des Wärmetauscher wassergekühltes Rack Präzisions- Klimaschrank Präzisions- Klimaschrank Ventilator im DB (Weiss Klimatechnik) Klimawand Ventilator im DB (Weiss Klimatechnik)

17 Rechenzentrum ohne externe Ventilationsleistung FIAS Patent DPMA (Lindenstruth, Stöcker) 17 17

18 18 Rückkühltechnik Umgebung außen Außenluft Außenluft Steuergrößen: Außentemperatur Wassertemperatur Ventilatoren Wärmetauscher Außenfeuchte

19 20 Rückkühler (Kondensatoren, Verflüssiger) Trockenrückkühler Trockenrückkühler Hochleistungs-(Trocken)rückkühler Trockenrückkühler (axial) Rückkühler

20 Temperaturverlauf FFM 2007 (Trockenkugel- und Feuchtkugeltemperatur) 21 21

21 22 Kühltürme und Hybridkühler Hybridkühler Kühltürme

22 23 Kälteerzeugung * Steuergrößen: Wassertemperatur Anlagentechniken

23 24 Kältemaschinen luftgekühlter Schraubenverdichter (Bsp. Stulz) wassergekühlte Schraubenverdichter (Bsp. Carrier) Magnetgelagerter Turboverdichter (Turbocor Bsp. Smart Opk) Absorbtionskältemaschinen

24 25 Direkte freie Kühlung Umgebung Rack /Rechenzentrum Außenluft Zuluft Rückluft Außenluft Steuergrößen: Zulufttemperatur Ventilatoren

25 Direkte freie Kühlung FL RL FL RL FL RL AuL AuL AuL ZL ZL ZL FL = Fortluft RL = Rückluft ZL = Zuluft AuL= Außenluft Außenluftbetrieb freie Kühlung Mischbetrieb mit Kälteanlage Umluftbetrieb über Kälteanlage Bilder Fa. Hansa (Slimline)

26 27 Direkte freie Kühlung Zentralkimagerät auf Minimum (Mischkammer, Filter, EC- Ventilator, Hochdruckbefeuchtungskammer) beschränkt. Damit geringst möglicher Druckverlust! Trennung von der energieeffizienten direkten freien Kühlung 99 % Laufzeit und der Not- und Spitzentemperaturkühlung. (Einhaltung der Tier 3 kostengünstig) Kurze Kanalführungswege, geringe Luftgeschwindigkeiten! Geringer Druckverlust! Adiabate Kühlung mit Hochdruckbefeuchte bei Spitzentemperaturen möglich.

27 28 Direkte freie Kühlung Bilder RZ SMA

28 29 Indirekte freie Kühlung Wärmetauscher innen Wärmetauscher außen Steuergrößen: Wärmetauscher Ventilatoren

29 30 Indirekte freie Kühlung Kyoto Cooling

30 31 Indirekte freie Kühlung Airblock MIFC

31 32 Indirekte freie Kühlung Airblock MIFC

32 Munters OASIS TM IEC - Das Gerät im Detail Luftanschlüsse von jeder Seite möglich Fortluft Detailausschnitt aus dem Wärmetauscherblock: Fortluft Ansaug Außenluft Gekühlte Umluft zurück zum RZ Außenluft Umluft aus dem RZ Optional: Direktverdampfersystem oder Kaltwasserregister zur Unterstützung bei Peakzeiten integriert 33 33

33 34 Wassergekühlte Server kommen im High Performance Computing Ziele: Wärme unmittelbar an den Komponenten abholen. Kein Einsatz von Kompressionskühlung Nutzung der Wärme zum Heizen Mit wassergekühlten Systemen braucht man keine Kälteerzeugung und kann die Wärme direkt zum heizen nutzen.

34 35 Wasser als Kühlmittel Steuergrößen: Wärmetauscher Pumpen Ventilatoren

35 36 Vergleich Energieverbrauch verschiedener Kälteerzeugungssysteme

36 Kapitalwert Variante der Investition: 1: Modulare indirekte freie Kühlung für RZ Strom: 13 Cent/kWh 2: Luftgek. Turbo-Kaltwassersatz mit ext. Kondensator, mit Freikühlbetrieb (100 %) Zuluft: 25 C, Abluft 37 C 3: Wassergek. Turbo-Kaltwassersatz mit Hybridkühler, mit Freikühlbetrieb (0 100 %) IT-Wärmeabgabe: 873 KW 4: Klimageräte mit eingebautem Kältesystem, luftgekühlt, ohne freie Kühlung Redundanz (n + 1) 5: Direkte Freie Kühlung mit RLT-Zentralgeräten - Jahr 20 Jahr 19 Jahr 18 Jahr 17 Jahr 16 Jahr 15 Jahr 14 Jahr 13 Jahr 12 Jahr 11 Jahr 10 Jahr 9 Jahr 8 Jahr 7 Jahr 6 Jahr 5 Jahr 4 Jahr 3 Jahr 2 Jahr : Modulare indirekte freie Kühlung : Direkte Freie Kühlung mit RLT-Zentralgeräten : Wassergek. Turbo- Kaltwassersatz : Luftgekühlte Klimageräte ohne FK : Luftgekühlter Turbo- Kaltwassersatz Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Variante

37 38 Zusammenfassung: Optimierung der Kälte und Klimatechnik Temperatur rauf Spielräume nutzen Server- Kühlung ist auf eine Umgebungstemperatur von C 20% - 80% rel. F. Kompressionskühlung vermeiden Freie Kühlung nutzen (Idee: Wasserspeicher, um so Spitzentemperaturen im abzufangen) ausgelegt! Sommer Vermischung von Zuluft und Rückluft vermeiden Klimatisierung genau planen Wärmequellen entzerren, Widerstände vermeiden, mit energieoptimierter Technik planen Weitsichtiger denken und planen Standorte auswählen, neue Ideen und Techniken berücksichtigen

38 39 Vielen Dank für Ihr Interesse! Für Fragen stehe ich gerne zur Verfügung Ulrich Terrahe Dipl.Ing.- Dipl.Wirtsch.Ing. dc-ce RZ-Beratung GmbH & Co. KG Berner Str Frankfurt Ulrich Terrahe Tel.: