IT-Kühlung ohne Kälteanlagen einfach und effizient!

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1 Kühlung ohne Kälteanlagen einfach und effizient! Lukas Gasser, Prof. Dr. Beat Wellig CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik Energie-Apéro 12: Stromeffizienz für Industrie, Dienstleistungen und Gewerbe Bern, 23. April 2014

2 Ausgangslage Facts & Figures Eine Google-Suchanfrage führt zu einem Energieverbrauch von 0.3 Wh el! 30 GWh el bei 100 Milliarden Anfragen pro Monat! Die durchschnittliche Leistungsaufnahme der Google Rechenzentren beträgt 305 MW el. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme sämtlicher Rechenzentren weltweit beträgt rund MW el. Rechenzentren verursachen mit 235 Mrd. kwh el /a rund 1.3% des globalen elektrischen Energieverbrauchs! 2

3 Ausgangslage Energieeffizienz in Rechenzentren Wie bestimmt man die Effizienz eines Rechenzentrums? Die Infrastruktur eines Rechenzentrums umfasst: - Kühlung / Klimatisierung - Luftförderung und Lüftung - Beleuchtung - Unterbrechungsfreie Stromversorgung USV Ein PUE-Wert von 2 heisst, dass der Anteil der Infrastruktur am Gesamtstromverbrauch 50% beträgt. 3

4 Ausgangslage Energieeffizienz in Rechenzentren Total facility power PUE IT equipment power (PUE: Power usage effectiveness) Der durchschnittliche PUE-Wert der weltweit betriebenen Rechenzentren beträgt 1.83! 4

5 Ausgangslage Energieeffizienz in Rechenzentren PUE 1.83 Rund 45% des Energiebedarfs von Rechenzentren wird im Durchschnitt für die Infrastruktur benötigt! 5

6 Enterprise Lab der HSLU T&A Zustand vor Umbau Quelle: Enterprise Lab, HSLU T&A 6

7 Enterprise Lab der HSLU T&A Zustand vor Umbau 100% 100% 49.5 kw PUE = 1.58 PUE = 1.68 (inkl. USV) 50% 32.7% 16 kw 24.8% 12.3 kw 10.9% 5.4 kw 0 IT Kältemaschine Rückkühlung USV Luftverteilung Wasserförderung Angaben gültig bei Volllast Bereits vor Umbau effizienter als globaler Durchschnitt aber, es geht noch besser! 7

8 Hocheffiziente Kühlung: Grundsätze 1. Entstehende Abwärme direkt an der Quelle eliminieren lokale Kühlung Quelle: Aquasar, IBM Research direkte Wasserkühlung (Optimum) 8

9 Hocheffiziente Kühlung: Grundsätze 2. Hohe Kaltwassertemperaturen Free Cooling mit Hybridkühler Trockenbetrieb: Bei Umgebungstemp. < 20 C Energieabgabe über Konvektion Nassbetrieb: Bei Umgebungstemp. > 20 C und hohen Anlagenlasten Energieabgabe über Konvektion und Verdunstungseffekt Quelle: JAEGGI Hybridtechnologie AG 9

10 Hocheffiziente Kühlung: Grundsätze 3. Selbstregulierung Hohe Betriebssicherheit Auf Ventile und aufwändige Regelungen kann durch Ausnutzung des Selbstregulierungs-Effekts infolge geschickt gewählter Prozesstemperaturen weitgehend verzichtet werden! Quelle: SK-Kältetechnik GmbH 10

11 Enterprise Lab der HSLU T&A Umsetzung hocheffiziente Kühlung Serverraum Beleuchtung 1 20 kw 2 20 kw 4 10 kw 5 10 kw 3 IBM- Mainframe 11

12 Enterprise Lab der HSLU T&A Umsetzung hocheffiziente Kühlung Lokale Kühlung Einhausung der s Zielwert Zulufttemperatur IT: 26 C Serverraum Beleuchtung 1 20 kw 2 20 kw 4 10 kw 5 10 kw 3 IBM- Mainframe 12

13 Enterprise Lab der HSLU T&A Umsetzung hocheffiziente Kühlung Free Cooling hybrider Trockenkühler Zielwert Kaltwassertemperatur: 24/28 C Kaltwasserleitung Vorlauf Kaltwasserpumpe Kaltwasserleitung Vorlauf 28 C 24 C Hybridkühler Serverraum Beleuchtung 1 20 kw 2 20 kw 4 10 kw 5 10 kw 3 IBM- Mainframe 13

14 Enterprise Lab der HSLU T&A Umsetzung hocheffiziente Kühlung Hohe Betriebssicherheit einfaches System Kaltwasserleitung Vorlauf Kaltwasserleitung Vorlauf Zusatzwasserleitung Biozidleitung Kaltwasserpumpe Hybridkühler Serverraum Beleuchtung 1 20 kw 2 20 kw 4 10 kw 5 10 kw 3 IBM- Mainframe Wasser- Aufbereitung Biozid 14

15 Enterprise Lab der HSLU T&A Umsetzung hocheffiziente Kühlung Cool- und hybrider Trockenkühler: 15

16 Enterprise Lab der HSLU T&A Umsetzung hocheffiziente Kühlung (Hoch-) Sommerbetrieb Kühlung mit Free Cooling 100% 50% 100% 49.5 kw PUE = 1.10 PUE = 1.21 (inkl. USV) 0% 9.9% 10.9% 4.9 kw 5.4 kw 0 0 kw IT Kältemaschine Rückkühlung/FC Luftverteilung Wasserförderung USV Kühlung: Faktor 6 effizienter als vor Umbau! 16

17 Enterprise Lab der HSLU T&A Umsetzung hocheffiziente Kühlung Winterbetrieb Kühlung mittels reinem Free Cooling 100% 50% 100% 49.5 kw PUE = 1.04 PUE = 1.14 (inkl. USV) 0 IT 0% 3.6% 0 kw Kältemaschine 1.8 kw Rückkühlung/FC Luftverteilung Wasserförderung 10.9% 5.4 kw USV Kühlung: Faktor 16 effizienter als vor Umbau! 17

18 Enterprise Lab der HSLU T&A Umsetzung hocheffiziente Kühlung Winterbetrieb Abwärmenutzung zum Heizen Kaltwasserleitung Vorlauf Kaltwasserleitung Vorlauf Zusatzwasserleitung Biozidleitung Kaltwasserpumpe Hybridkühler Serverraum Geöffnete Klappen Beleuchtung 1 20 kw 2 20 kw 4 10 kw 5 10 kw 3 IBM- Mainframe Wasser- Aufbereitung Biozid 18

19 Enterprise Lab der HSLU T&A Umsetzung hocheffiziente Kühlung Winterbetrieb Abwärmenutzung zum Heizen 100% 50% 100% 49.5 kw PUE = 1.01 PUE = 1.12 (inkl. USV) 0% 1.1% 10.9% 5.4 kw 0 0 kw 0.5 kw IT Kältemaschine Rückkühlung/FC Luftverteilung Wasserförderung USV Kühlung: Faktor 57 effizienter als vor Umbau! 19

20 Fazit Allgemein Hocheffiziente Kühlung mittels Free Cooling ohne Kälteanlagen möglich und zuverlässig anwendbar PUE-Werte im Bereich von erreichbar Enterprise Lab HSLU T&A Jährliche Kosteneinsparung für die Kühlung der Komponenten von rund CHF! Jährliche Kosteneinsparung für die Beheizung des Gebäudes von rund CHF möglich! 20

21 Fazit Global Weltweiter Energiebedarf von 235 Mrd. kwh el /a für Rechenzentren bei durchschnittlichem PUE von 1.83 Annahme: Alle Rechenzentren laufen mit einem PUE von 1.2 Jährliche Einsparungen von 81 Mrd. kwh el /a möglich! Zum Vergleich: - Jährlicher elektrischer Energiebedarf der Schweiz 60 Mrd. kwh el /a - 9 Kernkraftwerke der Grösse Gösgen (1 GW el ) könnten abgeschaltet werden 21

22 Dank Direktion HSLU T&A, René Hüsler Förderprogramm PUEDA Klimasysteme Zürich, Dr. Beat Kegel Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 22