LEISTUNGSGESTEUERTE DC-KLIMATISIERUNG VS. EIN/AUS-GESTEUERTE AC- UND DC-KLIMATISIERUNG IN DER ELEKTRONIKKÜHLUNG

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1 LEISTUNGSGESTEUERTE DC-KLIMATISIERUNG VS. EIN/AUS-GESTEUERTE AC- UND DC-KLIMATISIERUNG IN DER ELEKTRONIKKÜHLUNG EHSAN B. HAGHIGHI PhD, Thermal Specialist Dantherm Cooling AB CHRISTIAN SAKSTRUP SENIOR PROJECT MANAGER, ELEKTRONIK DANTHERM COOLING A/S ORLA LANG SØRENSEN SENIOR MECHANICAL ENGINEER DANTHERM COOLING A/S

2 White Paper LEISTUNGSGESTEUERTE DC-KLIMATISIERUNG VS. EIN/AUS-GESTEUERTE AC- UND DC-KLIMATISIERUNG IN DER ELEKTRONIKKÜHLUNG WAS SIE WISSEN MÜSSEN ÜBERBLICK Dieses White Paper vergleicht drei Arten von Klimageräten unter realen Testbedingungen: DC-Klimagerät, leistungsgesteuert, DC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert, AC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert. i Testaufbau: Zeitraum: 14 Tage, Wärmelast: 800 W, Solltemperatur: 25 C, Parameter: Stromverbrauch und Temperaturschwankungen, getestete Geräte: AC- und DC-Klimageräte von Dantherm, Ein/Aus- und leistungsgesteuert. Ergebnisse: Das leistungsgesteuerte DC-Klimagerät verbrauchte deutlich weniger Strom als die anderen getesteten Geräte und wies zudem geringere Temperaturschwankungen auf. Aufgezeichneter Stromverbrauch für den gesamten Testzeitraum: DC-Klimagerät, leistungsgesteuert = 62 kwh DC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert = 74 kwh AC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert = 131 kwh 1. EINFÜHRUNG Klimatisierungslösungen werden häufig für das Abführen überschüssiger Wärme aus Telekommunikationssheltern, Schaltschränken und Gehäusen eingesetzt, da sie mit einer effizienten Kühlleistung auf den Punkt kühlen können. In einigen Fällen ist aufgrund der verfügbaren Stromquellen ein AC-Klimagerät die naheliegende Wahl. In anderen Fällen lässt das Budget die Entscheidung zugunsten von AC-Klimatisierung fallen. DC-Klimageräte bieten allerdings in Hinblick auf Energieeinsparungen und Betriebsstabilität in anfälligen Stromnetzen deutlich mehr Möglichkeiten, insbesondere wenn wir von leistungsgesteuerten Modellen sprechen. Trotzdem bevorzugt die Branche noch immer AC-Klimageräte, selbst wenn DC-Klimageräte machbar wären. Dieses White Paper behandelt die Unterschiede zwischen AC- und DC-Klimatisierung in Hinblick auf Ein/Aus- und leistungsgesteuerte Kühlung. Zudem werden die Ergebnisse eines unter realen Bedingungen durchgeführten Tests vorgestellt. Diese dienen zur Veranschaulichung der Funktionen der untersuchten Techniken sowie zur Untermauerung der Schlüsse, die hinsichtlich des Stromverbrauchs und der Temperaturstabilität gezogen werden können.

3 White Paper 2. HINTERGRUND DER VERGLEICHSSTUDIE Klimageräte werden häufig für das Abführen überschüssiger Wärme aus Telekommunikations- und anderen Elektronikanlagen eingesetzt, da sie mit einer effizienten Kühlleistung auf den Punkt kühlen können. Für einige Anwendungsgebiete sind AC- Klimageräte das Mittel der Wahl. In anderen Fällen kann eine DC-basierte Lösung von Vorteil sein. Ob die Wahl auf die eine oder andere Variante fällt, hängt oft von nicht beeinflussbaren Faktoren wie dem Standort oder den verfügbaren Stromquellen ab. In einigen Bereichen der Elektronikkühlung werden AC-Klimageräte bevorzugt, obwohl DC-Klimageräte ebenfalls möglich wären. Die Hauptursachen hierfür sind simpel: Preis und Verfügbarkeit. Bei denjenigen, die sich für DC-basierte Klimatisierungslösungen entscheiden, ist eine Präferenz für Ein/Aus-gesteuerte Lösungen festzustellen, wie sie auch bei AC-basierten Lösungen üblich sind. Vernachlässigt werden dabei jedoch leistungsgesteuerte DC-Klimageräte. Diese werden in der Branche nur wenig genutzt, obwohl diese Technik klare Vorteile in Sachen Temperaturstabilität und Energiesparpotenzial bietet. 3. TESTZIELE UND -AUFBAU Diese Studie zielt darauf ab, die Unterschiede zwischen Ein/Aus-gesteuerter AC-Klimatisierung, Ein/Aus-gesteuerter DC-Klimatisierung und leistungsgesteuerter DC-Klimatisierung in Bezug auf Stromverbrauch und Temperaturschwankungen zu ermitteln und darzustellen. Die Studie beruht auf Tests unter realen Bedingungen, wobei drei identische Gehäuse (siehe Abb. 1) zum Einsatz kommen, die jeweils von einer der drei verschiedenen Klimatisierungslösungen gekühlt werden (siehe Tabelle 1). Die Solltemperatur für das Gehäuseinnere betrug 25 C. Um die Hitzeentwicklung von ICT-Anlagen nachzustellen, wurden in jedem Gehäuse zwei elektrische AC-Heizgeräte mit einer Leistung von jeweils 400 W (Gesamtleistung: 800 W) installiert. Für die einzelnen Aufbauten wurden für einen Zeitraum von 14 Tagen minütlich die Gehäuse- und Zulufttemperaturen (Auslass des Klimageräts), der Stromverbrauch und die Kompressordrehzahl registriert. 3.1 KÜHLSTRATEGIE 3.2 VERGLEICHBARKEIT DES TESTS Abbildung 1: Testgehäuse. Abmessungen: 2,25 x 1,75 x 0,9 m. Wandstärke: 60 mm. Bei allen drei Gehäusen sind die interne Wärmelast (siehe Abschnitt 3) und die variablen Außentemperaturen identisch. Alle drei Klimageräte werden aktiviert, sobald die Innentemperatur den Sollwert übersteigt. Zwei der getesteten Klimageräte aktivieren sich aufgrund der Ein/Aus-Steuerung mit 100 % Ventilator- und Kompressordrehzahl. Ventilator und Kompressor des leistungsgesteuerten Klimageräts laufen kontinuierlich und werden je nach Kühlbedarf geregelt. Um die Vergleichbarkeit des Tests zu gewährleisten, wird der Test ausschließlich mit Klimageräten von Dantherm mit gleicher Kühlleistung (siehe Tabelle 1) durchgeführt. Wie in Abschnitt 3 beschrieben, müssen alle drei Geräte eine identische Wärmelast von 800 kw abführen. Art der Kühlung Modell Kühlleistung (W) Versorgung AC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert Dantherm AC-Klimagerät * 230 V, 50 Hz DC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert Dantherm DC-Klimagerät * 48 V DC DC-Klimagerät, leistungsgesteuert Dantherm DC-Klimagerät * 48 V DC * bei 35 C innen/35 C außen Tabelle 1: Eigenschaften der getesteten Geräte

4 White Paper 4. TESTERGEBNISSE Die in Tabelle 2 gezeigten Daten stellen den gesamten Testzeitraum dar. Art der Kühlung Stromverbrauch (kwh) Index AC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert DC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert DC-Klimagerät, leistungsgesteuert Tabelle 2: Stromverbrauch für den 14-tägigen Testzeitraum. 4.1 Temperatur- und Drehzahlaufzeichnungen Die Abbildungen 2 bis 5 stellen 24 Stunden des Testzeitraums dar. Aufgezeichnete Wetterdaten für diesen Zeitraum: 10 bis 20 C. T-Gehäuse oc T-Gehäuse oc Abbildung 2: Zuluft-/Gehäusetemperaturen für AC Ein/Aus. Abbildung 3: Zuluft-/Gehäusetemperaturen für DC Ein/Aus. T-Gehäuse oc Abbildung 4: Zuluft-/Gehäusetemperaturen für DC leistungsgesteuert Getestetes Gerät Zulufttemperatur Abbildung 5: Kompressordrehzahl für alle Geräte. Gehäusetemperatur Kompressordrehzahl AC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert 8-24 C C DC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert C C DC-Klimagerät, leistungsgesteuert C C Tabelle 3: Aufgezeichnete Temperatur und Kompressordrehzahl für 24 Stunden des Testzeitraums.

5 White Paper 5. ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNGEN DER VERGLEICHSSTUDIE 5.1 AC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert Der Test zeigt, dass das Ein/Aus-gesteuerte AC-Klimatisierungssystem eine stabile Solltemperatur im Innern erzeugt. Hierzu wird eine hohe Kühlleistung in entsprechend kurzer Aktivierungszeit erbracht (siehe Abbildung 2 und 5 sowie Tabelle 3). Kurz gesagt, sind die Temperaturschwankungen hoch und die Solltemperatur wird schnell erreicht. Abbildung 5 veranschaulicht das Betriebsverhalten des Kompressors, der bei diesem Gerät mit 100 % der Leistung aktiviert wird. 5.2 DC-Klimagerät, Ein/Aus-gesteuert Das Ein/Aus-gesteuerte DC-Klimagerät erzeugt eine stabile Innentemperatur auf dem gewünschten Niveau und weist dabei niedrigere Temperaturschwankungen auf als das Ein/Aus-gesteuerte AC-Klimagerät (siehe Abbildung 3 und Tabelle 3). Wie bereits in Abschnitt 5.1 ausgeführt, veranschaulicht Abbildung 5 das Betriebsverhalten des Kompressors, der bei diesem Gerät mit 100 % der Leistung aktiviert wird. 5.3 DC-Klimagerät, leistungsgesteuert Auch die Ergebnisse des leistungsgesteuerten DC-Klimatisierungssystems zeigen den gleichen Innentemperaturbereich wie bei den beiden anderen Geräten ein guter Beleg für die gleichwertige Effizienz aller drei getesteten Techniken (siehe Abbildung 4 und Tabelle 3). Interessant bei diesem letzten Testergebnis ist jedoch, dass die Zulufttemperatur beim leistungsgesteuerten Gerät deutlich weniger schwankt als bei den anderen beiden Geräten (siehe Tabelle 3). Dies ist klar auf die leistungsgesteuerten Kompressor- und Ventilatordrehzahlen zurückzuführen. Wie in Abbildung 5 dargestellt, wird die Kompressordrehzahl gemäß dem aktuellen Kühlbedarf reguliert. Das heißt, dass der Kompressor dauerhaft genau im benötigten Tempo läuft, um die Solltemperatur zu halten. Einzige Ausnahme ist ein kurzer Zeitraum, in dem eine stärkere Kühlung erforderlich ist. Für diesen kurzen Zeitraum mit erhöhter Drehzahl ist klar, dass weder Kompressor noch Ventilatoren auf Volllast laufen müssen. Das Ergebnis dieser Kühlstrategie sind stabilere Temperaturen und ein deutlich niedrigerer Stromverbrauch (siehe Tabelle 2). 5.4 Fazit Das Ziel der vorliegenden Studie war es, die Unterschiede zwischen drei verschiedenen Klimatisierungssystemen mit gleicher Effizienz jedoch verschiedenen Stromquellen und Steuerstrategien in Hinblick auf die Untersuchungsparameter Temperaturschwankungen und Stromverbrauch herauszuarbeiten. Die Testergebnisse belegen klar, dass leistungsgesteuerte DC-Klimageräte deutlich größere Einsparungen als Ein/Aus-gesteuerte DC-Klimageräte und herkömmliche AC-Klimageräte ermöglichen. Bei dem unter realen Bedingungen durchgeführten, 14-tägigen Test benötigten das leistungsgesteuerte DC-Klimagerät, das Ein/Aus-gesteuerte DC-Klimagerät und das Ein/Aus-gesteuerte AC-Klimagerät 62, 74 bzw. 131 kwh, um identische Gehäuse und Wärmelasten herunterzukühlen. Das ist eine maximale Differenz im Stromverbrauch von mehr als 100 % (siehe Index in Tabelle 2). So sind deutliche Energieeinsparungen sowie ein geringerer Verschleiß von Kompressor und Ventilatoren möglich. DC-Klimatisierung ist zudem im Allgemeinen eine umweltfreundlichere, sicherere Option in instabilen Stromnetzen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass leistungsgesteuerte DC-Klimageräte im Vergleich zu den in dieser Studie ebenfalls getesteten Techniken größere Einsparungen und eine höhere Stabilität für Telekommunikations- und Elektronikkühlungsanwendungen in für DC geeigneten Umgebungen bieten.

6 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.