Stromkosten sparen und die Energieeffizienz in kleinen Serverräumen steigern

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1 Stromkosten sparen und die Energieeffizienz in kleinen Serverräumen steigern Vortrag von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. (FH) am bei IT2Industry Conference auf der electronica Fachmesse in München Energie.Controlling.Loose ECL D Weilheim Jürgen Loose: Mehrere Erfindungen für die Klimatechnik seit 1984 / Mitentwickler der Kühlgeräte für die Telekom Vermittlungsstellen Umweltpreis 1991 / Fachbuch Innovationen für Raumkühlung aus 1993 / Deutscher Kältepreis 2012 / Deutscher Bundespreis 2012 / Deutscher Rechenzentrumspreis 2014 Innovationen und Forschung - 3. Preis

2 Vortragsinhalt 1. Istzustand: Hoher Energiebedarf für Kühlung bei IT-Räumen Hohe Betriebskosten 2. Das Kühlpotential der Außenluft freie Kühlung 3. Unterschied Indirekte freie Kühlung direkte freie Kühlung 4. Anforderungen an die Raumluftfeuchte? 5. Warmzone (Warmgang) Kaltzone (Kaltgang) 6. Verbesserungsvorschläge für kleine Serverräume 7. E i n s p a r u n g : 90 %! Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 2

3 Klimatechnik verursacht hohen Strombedarf hohe Stromkosten [sehr viel CO 2 -Emissionen] Benötigter Strombedarf - Gesamtenergie im Serverraum (oder RZ) 100% 7% 18% 30% 45% Beleuchtung USV IT selbst Klima Altbestand Altbestand! Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 3

4 Istzustand: Umluftkühlung Splitgeräte - Kühlsystem Zuluft Abluft Zuluft (Redundanz) Klimageräte IT Beispiel eines kleinen Serverraumes Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 4

5 Umluftkühlung Weltweit häufigste Kühlart: Splitgerätekühlsystem auch Komfortkühlsystem genannt eigentlich für Büroräume entwickelt Außenteile einer Splitgeräte - Kühlanlage Hier wird die Wärme des Serverraumes (über die Kältetechnik) an die Umgebung abgegeben, wenn sie nicht - in Ausnahmefällen - woanders im Gebäude genutzt werden kann. Diese Geräte laufen auch im Winter - wenn auch manchmal nur intermittierend [Ein Aus] Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 5

6 Nutzung der zumeist kühlen Außenluft Energiespargrundlage: Das Klimagebirge T Zuluft = 20 o C Häufigkeit der Paarung T / X [h/a] Absolute Feuchte X Außenluft Temperatur T Riesiges Kühlpotential der Außenluft r.h. = 100% relative Feuchte Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 6

7 Übliche Kühlung eines IT- Raumes per Umluftkühlung Umluft 30 o C Abluft Raum Luftkühler t = 10 K wird mit der wieder verwendeten (gekühlten) Abluft = also per Umluft Kühlenergie kommt von einer Kältemaschine Zuluft Ventilator 20 o C gekühlt Luftumwälzung Strombedarf = hoch Aufwand für Ventilator und vorwiegend durch die Kältemaschine Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 7

8 Kühlung eines IT- Raumes per indirekter Umluft freier Kühlung (Umluftkühlung) Pumpe Kühlenergie kommt von einem Freecooler Luftkühler 30 o C Zuluft Abluft t = 10 K 20 o C Raum wird mit der wieder verwendeten (gekühlten) Abluft = also per Umluft gekühlt oder von der Kältemaschine Ventilator Luftumwälzung Strombedarf ca. 60% gegenüber einer reinen Umluftkühlung per Kältemaschine Aufwand entsteht durch Ventilator, Pumpen; jedoch vorwiegend durch die Kältemaschine Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 8

9 Kühlung eines IT- Raumes per direkter freier Kühlung Umluft Ventilator Fortluft 32 o C Abluft Raum t = 14 K wird mit einem variablem Teil von Außenluft, - gemischt mit warmer Umluft - Kühlenergie Außenluft = Außenluft Zuluft 18 o C gekühlt Ventilator Kühle Luft rein warme Luft raus Strombedarf < 8% gegenüber einer Umluftkühlung per Kältemaschine Aufwand entsteht nur durch die Ventilatoren (Fortluft ganz gering!) Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 9

10 Kühlung eines IT- Raumes per direkter freier Kühlung Die direkte freie Kühlung ist eine Umsetzung der Fensterlüftung mithilfe von Ventilatoren zur gezielten und mengenregulierbaren Luftförderung mit ausreichender Filterung kalte Luft rein warme Luft raus So kann man in gemäßigten Klimazonen die meiste Zeit des Jahres auf den Einsatz einer x beliebigen Kältetechnik verzichten. Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 10

11 Häufigkeiten Indirekte freie Kühlung [Werte für Frankfurt/Main] Umluftkühlung T Zuluft = 20 o C T Abluft = 32 o C 13,4 o C t = 12 K Indirekte Nutzung der Außenluft an ca h/a [49,1%] Kältemaschinennutzung an h/a = 50,9 % /a Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 11

12 Häufigkeiten Direkte freie Kühlung [Werte für Frankfurt/Main] Verdrängungsluftkühlung T Zuluft = 20 o C T Abluft = 32 o C t = 12 K 19 o C Direkte Nutzung der Außenluft an ca h/a [85,2%] Kältemaschinennutzung an h/a = 14,8 % / a Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 12

13 Einsparmöglichkeit bei Direkter Freier Kühlung ohne Be- und Entfeuchtung; z.b. bei Telekom Vermittlungsstellen Auszug aus Fachbuch: Innovationen für Raumkühlung von Jürgen Loose 1993 Umluftkühlung Faktor ca. 1 : 5 bis 1 : 10 Stromverbrauch kwh/a pro Grad C Außenluft Direkte Freie Kühlung Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 13 AUL

14 Kühlung eines IT- Raumes per direkter freier Kühlung Umluft Weiterer Vorteil Nutzung der Abwärme in Nebenräumen Ventilator 32 o C Abluft Raum wird mit einem variablem Teil von Außenluft Außenluft Zuluft 20 o C gekühlt Ventilator Kühle Luft rein warme Luft raus Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 14

15 Vorteile der Außenluftnutzung 1. Bei einer üblichen indirekten freien Kühlung wird mittels Freecooler (z.b. auf dem Dach angebracht) durch die dortige kalte Luft ein kaltes Wasser erzeugt. Mit diesem zum Kühlgerät gepumpten kalten Wasser wird die Umluft gekühlt und als kalte Zuluft in den zu kühlenden Raum gefördert. (delta t z.b. = ca. 10 K) Hierbei finden 2 Wärmeübergänge statt. Im Raum wird die Luft umgewälzt. Deshalb muss, je nach gewünschter Zulufttemperatur häufig eine unterstützende maschinelle Kühlung stattfinden; beispielsweise bei einer Zulufttemperatur von 20 o C über eine Kältemaschine (oder Brunnen) an über 50% der Jahreszeit. 2. Bei einer üblichen direkten freien Kühlung wird die kalte oder noch ausreichend kühle Außenluft (bis 24 o C) bei Bedarf mit warmer Umluft gemischt und als Zuluft in den Raum geführt. Die überschüssige Raumwärme wird als Fortluft ins Freie abgeführt oder kann anderweitig genutzt werden. Im Raum wird die Luft erneuert. 3. Die vorgezeigten Folien zeigen ganz deutlich, dass bei einer direkten freien Kühlung wesentlich seltener eine maschinelle Kühlung benötigt wird als bei der indirekten. 4. Zudem muss bei der direkten freien Kühlung nicht ständig die warme Abluft (Umluft) auf die Zulufttemperatur abgekühlt werden. (siehe oben: um 10 K) Es muss lediglich für die im Sommer erlaubte höhere Zulufttemperatur die dann zu 100% genutzte Außenluft etwas abgekühlt werden. (Ø delta t lediglich ca. 2,5 K) Aber Achtung: Evtl. Raumfeuchtevorgaben beachten! s. weiter hinten Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 15

16 Bei Rechenzentren gibt es häufig Forderungen an die Raumluftfeuchte 20 o C angestrebte Raumkonditionen: Zuluft bis Abluft hier ist die Außenluft viel zu trocken direkte freie Kühlung hier ist die Außenluft zu feucht Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 16

17 Beachtung der Raumluftfeuchte Dafür wurden weitere - besonders viel - Energie (Strom) sparende Kühlverfahren eingeführt: 1. Umluftkühlung mit indirekter freier Kühlung und Unterstützung durch eine Verdunstungskühlung (auch adiabate Kühlung genannt). z.b. von Fa. Hoval, Munters, Menerga - aber nur bei sehr großen Räumen wirtschaftlich - 2. Die doppelte freie Kühlung Derzeit nur von Fa. Huber und Ranner - aber nur bei großen Räumen wirtschaftlich - Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 17

18 Beispiel für doppelte freie Kühlung (großer Raum) Fortluft Abluft Außenluft Zuluft Siehe: Deutscher Rechenzentrumspreis 2014 Kategorie 7-3. Preis an ECL / Huber & Ranner Längsschnitt durch einen IT - Raum Fortluft z.b.: IT-Case Energiesparkompaktgerät IT-Case Delta t Abluft IT - Gestelle Außenluft Zuluft ohne Doppelboden Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 18

19 Luftströmungen im Serverraum Nachteil: Mischung von warmer mit kalter Luft 28 o C Umluftkühlgerät Zuluft 10 o C Abluft Hier entsteht die Wärme, die von den Servern - über ihre Lüfter - abgegeben wird. Warmbereich IT mit Innenlüfter Kaltbereich Ansaugluft für die Server 18 o C Querschnitt durch einen IT - Raum Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 19

20 Umluftkühlung Es entsteht eine unnötige Entfeuchtung sog. latente Kühlung Zuluft = 10 o C 28 o C mitgerissene warme Luft Damit stark erhöhte Kälteleistung und hoher Stromverbrauch hohe Betriebskosten Eines von vielen schlechten Beispielen Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 20

21 Nutzung Nutzung von von Warm Warm- und Kaltzonen 1. Verbesserungsvorschlag Abschottung 30 o C Warmbereich Aus dieser Zone wird die warme Luft abgesaugt und Entweder gekühlt und als Umluft (Zuluft) wieder verwendet oder als Fortluft abgeführt Umluftkühlgerät IT 16 o C mit Innenlüfter Kanal Kaltbereich Hier wird die kalte Luft eingeführt 20 o C Querschnitt durch einen IT - Raum Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 21

22 Nutzung von Warm- und Kaltzone bei Umluftkühlung (auch bei indirekter freier Kühlung) 30 o C Warmbereich 2. Verbesserungsvorschlag IT mit Innenlüfter Präzisionsklimagerät Kaltbereich Klimagerät jetzt hier als: 20 o C Querschnitt durch einen IT - Raum Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 22

23 Nutzung von Warm- und Kaltzone bei direkter freier Kühlung 3. Verbesserungsvorschlag 32 o C Warmbereich IT mit Innenlüfter Kaltbereich Fortluft Ins Freie oder in Nebenräume Klimagerät 18 o C Querschnitt durch einen IT - Raum Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 23

24 Kombinationskühlsystem von ECL [für kleine Serverräume] Die für große Serverräume (Rechenzentren) entwickelte Kühltechnik mit doppelter freier Kühlung und Teilstrombildung wird abgewandelt nun auch in kleinen Räumen genutzt 4. Verbesserungsvorschlag [Hauptvorschlag] Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 24

25 Kombinationskühlsystem von ECL [für kleine Serverräume] 4. Verbesserungsvorschlag [Hauptvorschlag] Um die gewünschten Raumfeuchtebedingungen einzuhalten, wird bei kleinen Serverräumen das vorhandene Umluftkühlsystem - zeitweise - weiter genutzt. Es wird jedoch nur noch dann benutzt, wenn mit dem RLT- Zusatzgerät keine der beiden freien Kühlarten möglich ist Dabei muss nicht befeuchtet werden. [Ähnliches könnte übrigens auch bei größeren Räumen gemacht werden] Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 25

26 Nutzung von Warm - und Kaltzone beim Kombinationskühlsystem ECL 4. Verbesserungsvorschlag Klimagerät 32 o C IT Kaltbereich Fortluft ins Freie oder in Nebenräume Warmbereich mit Innenlüfter 18 o C RLT-Zusatzgerät Querschnitt durch einen IT - Raum Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 26

27 Nutzung von Warm - und Kaltzone beim Kombinationskühlsystem ECL 4. Verbesserungsvorschlag Fortluft oben weg RLT-Gerät neu System ECL ca. 55 bis 75 cm unten Kaltzonen Außenluft von oben Umluftgerät 2 Bestand Umluftgerät 1 Bestand U S V Abluft Warmgang schaffen: Grundriss Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 27

28 RLT-Zusatzgerät [ein Beispiel für Kühllast von 8 kw] 4. Verbesserungsvorschlag Abluft Fortluft Doppelte Freie Kühlung mit Teilstrombildung RLT-Gerät incl. fernbedienbarer Schaltschrank ca. 2,35 m Außenluft Gerätetiefe ca. 55 cm Zuluft ca. 2,35 m Das raumlufttechnische Gerät (RLT-Gerät) ist bewusst sehr groß, damit im Inneren fast kein Luftwiderstand entsteht. Damit gibt es während der Hauptnutzungszeit für die ständig notwendige Raumkühlung (an mind. 94% des Jahres) einen extrem niedrigen Strombedarf. Durch etwas mehr Geld ausgeben kann man viel Geld sparen! Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 28

29 3 Kühlarten beim Kombinationskühlsystem von ECL 4. Verbesserungsvorschlag Kältemaschinennutzung vorhandene Umluftkühlgeräte an 535 h/a ~ 6 % / a Nutzung der Außenluft an ca h/a [94%] Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 29

30 Behandlungsfelder der Außenluft beim Kombinationskühlsystem von ECL 6 Behandlungsfelder 3 Kühlarten Häufigkeiten der Paarung von Temperatur und absoluter Feuchte der Außenluft pro Jahr - gem. DIN Verbesserungsvorschlag Kältemaschinennutzung vorhandene Umluftkühlgeräte an 535 h/a ~ 6 % / a Doppelte freie Kühlung an ca h/a Rest: Umluftkühlung Nutzung der Außenluft an ca h/a [94%] Außenluft in h/a z.b. in Frankfurt t / x Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 30

31 Die Teilstrombildung im RLT-Zusatzgerät 5. Verbesserungsvorschlag Teilluftstrom 50 bis 0% 28 o C 28 o C 14 o C 21 o C Kühler Teilluftstrom 50 bis 100% Die aktuell notwendige Kühlluft wird nur mehr ganz selten voll über das jeweils genutzte Luftbehandlungsteil (hier Kühler) geführt. Solange wie möglich werden Teilströme mit 50% gebildet. Danach wird die Luft gemischt. Das spart gewaltig an Luftwiderstand und letztendlich Antriebsleistung beim Ventilator! Kälteleistung gleich: 100 % Luft abkühlen um 7 K = 50% Luft abkühlen um 14 K Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 31

32 Energieeinsparpotentiale beim Kombinationskühlsystem von ECL Zumeist Mehrfachnutzung Nutzung der der Außenluft direkten Doppelte freien Freikühlung Kühlung Somit entstehen häufig ganz kleine Volumenströme (Kühlluftmengen) kleine Ventilatorleistungen Hohe Temperaturdifferenz t = T Abluft minus T Zuluft kleiner Kühlluftstrom Kältemaschinenbetrieb ganz selten Nutzung der Teilstrombildung Luftwiderstandsreduktion im Gerät Reduzierte Kühllasten wirken sich in 3.Potenz bei der Ventilatorleistung aus Luftwechsel reicht zur Raumkühlung aus kleine Ventilatorantriebsleistungen = geringer Strombedarf Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 32

33 Zusatzvorschlag von ECL: Multifunktionskühlsystem für Neubauten geeignet für Außenluftemperaturen von -15 bis + 45 o C Außengerät 2 reversible Wärmepumpe (Kondensator / Verdampfer und Verdichter) Außengerät 1 reines Kühlgerät (Kondensator und Verdichter) geeignet für Außenluftemperaturen von +18 bis + 45 o C A Sommerbetriebszeit umschaltbar auf A oder B Umluftgerät für Serverraum z.b. Deckengerät Redundanzfall Betriebssicherheit RLT- Zusatzgerät für den Serverraum - System ECL - Jetzt mit Direktverdampfer B Winterbetriebszeit Diverse Heizgeräte als Decken- oder Wandgeräte (Kondensatoren) als Ergänzung zu bestehenden Heizsystemen gedacht. - ggf. per Kondensator sogar WW-Erzeugung denkbar - Ganzjahresnutzung Verdampfer wird nur im Sommer bei hohen Außentemperaturen genutzt ggf. über die Fortluft Beheizung weiterer Räume bei direkter freier Kühlung Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 33

34 Energieeinsparpotential beim Kombinationskühlsystem von ECL 100 % Reduktion von - Strom - Betriebskosten - CO 2 - Emissionen Istzustand Umluftkühlsystem (Splitgerätesystem) Altbestand 10 % Kombinationssystem ECL Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 34

35 Nachhaltigkeitsgedanke beim Kombinationskühlsystem von ECL Durch Geld ausgeben viel Geld sparen Investitionskosten - Energieberatung - Nebenkosten für Ausführungsplanung, Bauleitung - Zusatzteile für Serverraum (Nutzungszeit 20 Jahre Zuschüsse für - Energieberatung Erstberatung - Energieberatung Systemberatung (für mind. 2 Gewerke) - Umbau/Ergänzung Klimatechnik z. B Euro z. B Euro Kapitalaufwand Euro Stromkosten Istzustand ca Euro Stromkosten Sollzustand ca. 800 Euro Einsparung pro Jahr ca Euro Bei Strompreis von 20 Ct/kWh (Gesamtpreis!) Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 35

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Gibt es noch Fragen? Sie könnten sich auch später an mich wenden. [Daten über den Veranstalter] Mit einem von der KfW Bank anerkannten Energieberater zusammen mache ich ggf. eine sog. Systemberatung Übrigens: Für die Energieberatung und die Umrüstung gibt es Zuschüsse vom Staat! Siehe: Weiter Informationen zu kleinen Serverräumen siehe Sonderdruck von Data-Center-Insider von 2014 (Verlag: Vogel Business Media) Vom umgebauten Abstellraum zum Hochleistungs-Datacenter Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D Weilheim] Seite 36