Vorschläge zur energiesparenden Kühlung von kleinen Server- und Rechnerräumen

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1 Sonderdruck aus cci Wissensportal August 2014 * Führende Fachzeitung für die Lüftung- Klima- Kältebranche (LüKK ) 2014 cci Dialog GmbH (vormals Promotor Verlag) Borsigstraße 3, D Karlsruhe Fon +49(0)721/ , Fax +49(0)721/ info@cci-dialog.de Alle Rechte vorbehalten. Vervielfältigung nur mit Genehmigung der cci Dialog GmbH Sparen ohne Qualitätsverlust VHW-ANWATEC GmbH Rittergasse Ebern Tel info@vhw-anwatec.de Vorschläge zur energiesparenden Kühlung von kleinen Server- und Rechnerräumen Für kleine Serverräume, die bereits zwei redundant genutzte Umluftkühlgeräte haben oder künftig bekommen sollen, und bei denen der Kunde künftig 80 bis 90 % Strom sparen möchte, habe ich besonders energiesparende RLT-ECL-Zusatzgeräte entwickelt. Diese nutzen die doppelte freie Kühlung und die Teilstrombildung (siehe Beiträge in cci Zeitung, Ausgaben 04 und 11/2011), solange es die individuell zulässigen Raumkonditionen erlauben. Dabei muss weder benoch entfeuchtet werden, und nur an ganz wenigen Stunden des Jahres ist eine maschinelle Kühlung per Kältemaschine erforderlich. Auf der Ansaugseite der Server werden in der Regel Temperaturen von 16 bis 26 C mit einer relativen Luftfeuchte von mindestens 30 bis maximal 70 % gewünscht. Das erfordert eigentlich eine Klimatisierung. Auf der Warmgangseite der Serverracks werden Temperaturen von 32 C angestrebt, aber auch solche bis 36 C zugelassen. Mit den üblicherweise genutzten Umluftkühlsystemen in Splitgerätebauweise lassen sich, unabhängig vom aktuellen Außenluftzustand, diese Raumklimabedingungen problemlos einhalten. Doch benötigen solche Systeme recht viel elektrische Energie. Schließlich muss hierbei rund um die Uhr eine Kältemaschine betrieben werden. Nur selten kann man die im Serverraum produzierte Wärme über den Kältemaschinenprozess regelmäßig in anderen Räumen nutzen. Allein mit der Außenluft (Fensterlüftung) lassen sich, wie von Laien oft vereinfacht angenommen wird, die zuvor genannten Raumklimabedingungen nicht einhalten, denn die Außenluft ist häufig für eine direkte Verwendung zu warm, zu trocken oder zu feucht. Energiesparkompaktgeräte Um Strom zu sparen, gibt es seit langem sogenannte Energiesparkompaktgeräte, zum Beispiel von den Unternehmen Berliner Luft (ehemals DSD), Hansa-Neumann und Weiss, auch für kleine Raumkühllasten von 4 bis 10 kw. Sie kosten etwa , ohne Energiemanager und ohne ein eventuell benötigtes Luftleitungsnetz. Solche Kompaktgeräte mit integrierter Kältetechnik nutzen vorwiegend die direkte freie Kühlung mit Außenluft. An den Tagen, an denen die Außenluft zu warm oder zu feucht ist, schalten sie auf Umluftkühlung um. An den etwa h/a, wo die Außenluft (zum Bei-

2 spiel in München) zu trocken ist, muss sie befeuchtet werden, oder es wird wiederum auf Umluftkühlbetrieb umgeschaltet. Beides ist sehr energieaufwändig und verringert den Einsparerfolg dieser Energiesparkompaktgeräte. Zudem sind diese Energiesparkompaktgeräte in der Regel nur für Außentemperaturen bis etwa 32 C geeignet, während übliche Umluftkühlgeräte mit entsprechend ausgelegten, dann im Freien aufgestellten Rückkühlern auch bei wesentlich höheren Außentemperaturen noch zufriedenstellend genutzt werden können. Für größere Serverräume (Rechenzentren) gibt es viele energiesparende Klimasysteme, deren Technik für kleinere Räume trotz hoher Einsparmöglichkeiten im Betrieb wegen der hohen Investitionskosten aber (noch) ausscheidet. Zur Lösung dieser Herausforderungen nachfolgend meine Vorschläge. Lösung IT Case-Geräte Für kleine Serverräume, die bereits zwei redundant genutzte Umluftkühlgeräte haben oder solche bekommen sollen, und der Kunde trotz dieser künftig 80 bis 90 % Strom sparen möchte, habe ich besonders energiesparende RLT- Zusatzgeräte entwickelt. Diese nutzen die doppelte freie Kühlung und die Teilstrombildung (siehe Beiträge in cci Zeitung, Ausgaben 04 und 11/2011), solange es die individuell zulässigen Raumkonditionen erlauben. Dabei muss weder be- noch entfeuchtet werden, und nur an ganz wenigen Stunden des Jahres ist eine maschinelle Kühlung per Kältemaschine erforderlich. Die ECL RLT-Zusatzgeräte bauen auf dem von mir entwickelten und in Lizenz von der Huber & Ranner GmbH gebauten Klimakompaktgerät (Markenname: IT- Case ) für modular abfahrbare Kühllasten ca. 20 kw auf. Für die IT-Case-Geräte, die auch in Reihe zu den IT-Racks genutzt werden könnten ( Inrow System ), haben wir gemeinsam mehrere Auszeichnungen erhalten (Bundespreis 2012 vom Bundeswirtschaftsministerium, Kältepreis 2012 vom Bundesumweltministerium, Deutscher Rechenzentrumspreis 2014 in Kategorie 7). Ich schlage vor, auch bei kleinen Serverräumen voneinander echt getrennte Warm-/Kaltzonen zu schaffen, notfalls durch provisorische Maßnahmen wie Vorhänge und Abschottungen in und über den Serverschränken. eine Kombination von üblichen Umluftkühlgeräten (Splitgerätesystem) mit dem neuen RLT-Zusatzgerät zu verwenden. So kann das gesamte Kombinationskühlsystem sowohl bis zu extrem niedrigen als auch bis zu ganz hohen Außentemperaturen genutzt werden. das Splitgerätesystem bei einer hohen Sicherheitsanforderung echt redundant (zwei Innen- und zwei Außengeräte) aufzubauen. Dazu kommt ein RLT-Zusatzgerät (ohne maschinelle Kühlmöglichkeit). die Nutzung der gesamten Gerätekombination durch ein im oder am RLT-Zusatzgerät angebrachtes MSR-Teil möglichst um Energiemanager und Fernbedienungsmöglichkeit ergänzt zu bewerkstelligen. sobald die Kühllast auf etwa 20 kw ansteigt, den Einsatz der IT- Case-Geräte mit in die wirtschaftlichen Überlegungen einzubeziehen. Voraussetzung für die Nutzung des RLT-Zusatzgerätes oder des IT-Case ist, dass beim oder in der Nähe des Serverraumes wirtschaftlich noch vertretbare und machbare Anschlüsse für die Nutzung der Außenluft und die Abfuhr der Überschusswärme per Fortluft geschaffen werden können. Die häufig sehr warme Fortluft kann möglicherweise in anderen Räumen genutzt werden. Damit können konstante und häufig schwankende Raumlasten, je nach aktuellem Außenluftzustand, sowohl durch Änderung des Kühlluftstromes für den Raum als auch durch variable Zuluft- und Ablufttemperaturen abgefangen werden. Die dabei aufgrund der Teilstrombildung entstehenden sehr unterschiedlichen Luftwiderstände werden mithilfe von EC-Motoren in Kombination mit Freiläuferventilatoren und der dort integrierten Volumenstrommessung gelöst. Die meiste Zeit (beispielsweise in München an etwa 94 % des Jahres) wird der Serverraum dann mit Nutzung der kühlen Außenluft ausreichend gekühlt / klimatisiert. Im Gegensatz zu anderen Klimageräten, wo nur die indirekte freie Kühlung genutzt wird, kann das RLT-Zusatzgerät bei steigender Außentemperatur solange energiesparend genutzt werden, wie die Außentemperatur rund 0,3 K unter der individuell maximal zulässigen Zulufttemperatur liegt. Zumeist beträgt die Zulufttemperatur etwa 17 C, womit der Raum ausreichend gekühlt wird. Ein Doppelboden ist bei der vorgeschlagenen Lösung nicht nötig. Per Energiemanager kann der Kunde seine Sollwerte verändern, den täglichen, wöchentlichen und jährlichen Stromverbrauch kontrollieren und natürlich die aktuellen und zurückliegenden entstandenen Raumkonditionen kontrollieren. Und er kann, langfristig betrachtet, viel Geld sparen. Kosten und Wirtschaftlichkeit Wie Abbildung 1 verdeutlicht, werden beim Kombinationskühlsystem auf Basis der für einen Anwendungsort geltenden meteorologischen Daten (hier München) und der aktuellen Außenluftzustände jeweils einer der sechs möglichen

3 Abbildung 1:

4 Betriebszustände genutzt. Nur an wenigen Stunden des Jahres werden in der Betriebsart 6 (Feld 6) das oder die Umluftkühlgeräte genutzt. Das mögliche Einsparergebnis steht in Abbildung 2. An etwa 94 % des Jahres kann man mit einem durchschnittlichen Aufwand von lediglich 0,23 kw einen Raum mit einer Kühllast von 10 kw kühlen (klimatisieren). So kann man in dem gerechneten Beispiel im Jahr zirka kwh Strom einsparen. Diese Daten habe ich genauso exakt berechnet wie bei der Entwicklung des IT-Case. Dort konnten meine Berechnungen in der Praxis bestätigt werden. Die hier beim Kombinationskühlsystem berechnete Einsparung pro Anwendungsfall bringt dem Kunden bei einem angenommenen mittleren Strompreis von 25 Ct/kWh in 15 Jahren eine Einsparung von fast und bei dem derzeitigen Strommix in Deutschland eine Verringerung von 16 t CO2-Emissionen. Wenn man einmal annimmt, dass so ein RLT-Zusatzgerät mit Luftleitungsnetz nach einer gewissen Einführungsphase, je nach vom Kunden gewünschtem Umfang des MSR-Teiles, nicht mehr als bis kosten sollte, ist meines Erachtens für eine rasche Amortisation gesorgt. Bei großen Stückzahlen dürfte das vorgestellte Kombinationskühlsystem noch preiswerter und damit noch wirtschaftlicher zu haben sein. Möglichkeiten zur Weiterentwicklung Der Hauptvorschlag beinhaltet ein steckerfertiges Standgerät mit drei Kanalanschlüssen für Außenluft, Fortluft und Abluft; letztere ganz oben. Die Zuluft könnte über einen Gerätesockel oder stirnseitig auf der gesamten Höhe am RLT- Gerät in den Kaltgang oder in die Kaltzone einströmen. Natürlich ist auch die Nutzung in Kombination mit einem Doppelboden möglich. Eine der möglichen Bauweisen für 10 kw Raumkühllast (das war die Grundlage für die Berechnung in Abbildung 2) erfordert beim RLT- Zusatzgerät etwa diese Gerätebaugrößen: bei Zuluftzufuhr über den Gerätesockel: 2,20 x 2,00 x 0,75 m (Breite x Höhe x Tiefe) bei stirnseitiger bei Zuluftzufuhr am Gerät: 2,50 x 1,70 x 0,75 m (Breite x Höhe x Tiefe) Das RLT-Gerätesystem ist aber so konstruiert, dass das komplette Gerät auch in Einzelmodule zerlegt und diese dann an der Decke oder/ und Wand eines Serverraumes angebracht werden können. Das RLT- Gerät hat auch einen integrierten oder angebauten MSR-Teil, einschließlich des Energiemanagers und einer möglichen Fernbedienung. Dabei ist die Nutzung der Umluftkühlgeräte integriert. Die Details der Gerätekonstruktion und des dazu passenden mitentwickelten MSR-Teiles (Steuerung und Regelung) möchte ich jetzt noch nicht bekannt geben. Möglicherweise kann nämlich noch ein Gebrauchsmusterschutz oder in anderen Ländern sogar eine Erfindung dafür angemeldet werden. Ich sehe zumindest für solche Klimazonen der Erde, wo die mittlere Außentemperatur weit unter der Abbildung 2

5 maximal für ein Rechenzentrum zulässigen Zulufttemperatur liegt, viele Anwendungsfälle. Schließlich gibt es auch in wärmeren Klimazonen als in Deutschland viele Stunden im Jahr (besonders in der Nacht), wo man die Außenluft wirtschaftlich nutzen kann. Das hier vorgestellte Kombinationskühlsystem könnte aus meiner Sicht mit ein Beitrag zur Energiewende leisten. Doch dafür müsste es mehr bekannt gemacht werden, auch im Ausland eine größere Zahl von Firmen geben, die sich für Lizenzen interessieren, nicht nur wie bisher die Unternehmen Huber & Ranner und pala GmbH Im übrigen könnte so ein neuartiges RLT-Gerät, dann als Energiesparkompaktgerät, auch mit einer integrierten Direktverdampfung (DX-Cooler) gebaut und mit einer reversiblen Kältemaschine/Wärmepumpe kombiniert werden. An warmen Stunden, wo die direkte freie Kühlung nicht mehr ausreicht, könnte das Außenteil der Kältemaschine/Wärmepumpe als luftgekühlter Verflüssiger für den DX-Cooler genutzt werden. An kühlen Tagen könnte mit der Wärmepumpe/Kältemaschine im Gebäude geheizt oder Warmwasser erzeugt werden. Autor Dipl.-Ing. Jürgen Loose, ECL, Weilheim