Betriebskostensenkung im Rechenzentrum Energieeinsparung durch innovative Rückkühlung Referent: Dipl.-Ing (FH) Joachim Weber JAEGGI Hybridtechnologie AG 27.05.2010; Thomas Odrich; Jäggi/ Güntner (Schweiz) AG
Agenda Grundlagen Kühlverfahren in Rechenzentren Funktion von Kälteanlagen Leistungzahl COP bzw. neu EER Hybridkühler Funktionsweise und Eigenschaften Beispielrechnung Kälteanlage mit Hybridkühler Freie Kühlung (Free-Cooling) Fallbeispiele: RZ-Kühlung ohne Kältemaschine Fazit Ausblick 2
Ausgangssituation: Kühlung ist mit 25% zweitgrösster Stromverbraucher Ziel: PUE (Power Usage Effectiveness) so gering wie möglich Netzteile/ Licht etc. 3% USV 10% Luftverteilung 12% IT Harware 50% Kühlung 25% Typische Anteile von IT-Hardware und Betriebstechnik am Stromverbrauch in einem neuen Rechenzentrum Quelle: DENA; Leistung steigern, Kosten senken: Energieeffizienz im Rechenzentrum 3
Kühlverfahren in Rechenzentren Quelle: BITKOM-Leitfaden 2009, Betriebssichere Rechenzentren 4
Funktionsschema einer Kälteanlage zur Raumluftkühlung 1000 kw Energiezufuhr aus dem Serverraum 1250 kw Energieabfuhr an die Umgebung Luftkühler 20/15 C Kaltwasser Verdampfer Kältemaschine (Kaltwassersatz) Verflüssiger Rückkühler 32/27 C Kühlwasser 250 kw Energiezufuhr durch Verdichter der Kälteanlage, Pumpen, Gebläse, 5
Kälteprozess im h - log p - Diagramm je geringer der Temperaturhub bzw. die Druckdifferenz zwischen Verdampfer (1) und Verflüssiger (3), umso weniger Energie wird am Verdichter (2) benötigt: Hier liegt der Hebel für die Energieeinsparung bei der Kälteerzeugung. 6
Leistungszahl COP ( neu EER =Energy Efficiency Ratio) COP Nutzen Aufwand Kälteleistung elektr.leistungsaufnahme Q W 0 elektr. im Beispiel: 1000 kw = = 4 250 kw COP SIA382 Kälteleistung elektr.leistungsaufnahme der gesamten Anlage Luftkühler Rückkühler Verdampfer Verflüssiger 7
Besondere Vorgaben in der Schweiz: SIA 382/1:2007 5.6.1 Kälteerzeugung inklusive Rückkühlung und Kälteverteilung sind als Gesamtsystem zu betrachten und bezüglich Energieeffizienz zu optimieren. 5.6.3 Die Anlage ist bedarfsgerecht zu betreiben. Der Sollwert der Kaltwassertemperatur soll bedarfsabhängig variiert werden. 5.6.4 Bei konventioneller Kälteerzeugung muss die Vollast- und die Teillast- Leistungszahl (COP) der Kälteanlage inklusive Rückkühlung (Pumpen und Ventilatoren) die Anforderungen gemäss Tabelle 18 erfüllen. Tabelle 18 Leistungszahlen von Kälteanlagen inkl. Rückkühlung (Pumpen und Ventilatoren) Gesamtkälteleistung der Anlage in kw bei 100% 1 10 20 50 100 200 500 1000 Minimale Leistungszahl Bei Teillast 50% (inkl. Rückkühlung) Grenzwert Zielwert Minimale Leistungszahl Grenzwert Bei Volllast 100% (inkl. Rückkühlung) Zielwert 3.2 4.0 3.2 4.0 4.4 5.2 3.3 4.1 4.8 5.8 3.5 4.3 5.5 6.6 3.8 4.6 6.0 7.3 4.1 4.9 6.2 8.0 4.2 5.0 6.2 8.2 4.2 5.0 6.2 8.2 4.2 5.0 Quelle: SIA; SIA 382/1:2007 Lüftungs- und Kälteanlagen Allgemeine Grundlagen und Anforderungen 8
Leistungszahl COP Energieeinsparung durch innovative Rückkühlung Leistungszahl COP eines modernen Turboverdichters 7 6 5 COP(30 / 35) COP(25/ 30) 5 6 4 3 W W Elektr. Elektr. (30 / 35) (25/ 30) 200kW 167 kw 2 1 0 33kW 200kW 16% 5K 3% 1K 25/30 30/35 35/40 40/45 45/50 50/55 Kühlwassertemperaturen [ C] bei Kaltwassertemperaturen 12/6 C Strom sparen an der Kältemaschine durch niedrigere Verflüssigungstemperaturen: ca. 3% pro 1K 9
Funktion und Vorteile des JAEGGI-Hybridkühlers Vorteile gegenüber Trockenkühlern: - viel niedrigere Wassertemperaturen - geringerer Stromverbrauch - geringerer Platzbedarf Vorteile gegenüber Kühltürmen: - viel geringerer Wasserverbrauch - schwadenfrei - Abluft ohne Aerosole - deutlich leiser 10
Beispiel für Kälteanlage mit 1000 kw Kälteleistung Kälteleistung 1000 kw mit Kaltwasser 20/15 C: EER = 4, somit Pel= 250 kw Rückkühlleistung 1250 kw mit Kühlwasser 32/27 C bei T f = 22 C: HTK 1.8/10.9 m HTK 1.8/10.9: 4 Ventilatoren x 6,3 kw + 2 Pumpen x 0,9 kw = free cooling 1000 kw, 20/15 C: trocken bis Umgebungstemp. 6,9 C benetzt bis T f =9,4 C z.b. 15 C/49% rel. Feuchte 27 kw 11
R+I Schema Kälteanlage im Kältemaschinenbetrieb Kältemaschine KM Rückkühler RK 32 C 27 C 20 C 15 C Verbraucher/ Wärmelieferant 12
R+I Schema Kälteanlage im Freikühl-/ Free-Cooling Betrieb 19 C Rückkühler 14 C 20 C 15 C Verbraucher/ Wärmelieferant 13
Summenhäufigkeit Lufttemperatur / Feuchtkugeltemperatur 14
Free-Cooling: Rückkühler ersetzt zeitweise die Kältemaschine Stromeinsparung durch Free-Cooling in Kaltwassersystemen kann der Hybridkühler in der kälteren Jahreszeit die energieintensiven Kältemaschinen ersetzen: bei 1000 kw Kälteleistung und Wassertemperaturen 20/15 C sinkt der Leistungsbedarf von ca. 277 kw (KM+RK) auf ca. 27 kw für den Hybridkühler, d.h. -90%!!! 100% 80% 60% 40% 20% 0% 2220 h/a 860 h/a 270 h/a 60 h/a 20/15 C 23/18 C 26/21 C 29/24 C Freie Kühlung Trockenbetrieb Kältemaschinenbetrieb Freie Kühlung benetzter Betrieb Diagramm: Jahresbetriebsstunden Free-Cooling mit hybridem Trockenkühler bei steigenden Kaltwassertemperaturen, Standort Zürich 15
Stromverbrauch des Beispiels mit 1000 kw ohne/mit Free-Cooling Vergleich Jahresstromverbrauch KM+RK 2.500 2261 energy demand [MWh] 2.000 1.500 1.000-71% - 88% - 94% - 97% 649 500 0 280 128 75 no freecooling 20/15 C 23/18 C 26/21 C 29/24 C 29/23 C 16
Betriebskosten des Beispiels mit 1000 kw ohne/mit Free-Cooling Vergleich Jahresbetriebskosten KM + RK (0,1 Euro/kWh Strom, 4 Euro/m3 Wasser inkl. Abwasser) 300.000 operating costs [ ] 250.000 249.609 200.000 150.000 100.000-64% - 78% - 85% - 91% 90.078 50.000 55.948 36.821 23.162-29/24 C no freecooling 20/15 C 23/18 C 26/21 C 29/23 C 17
Wie kalt muss es im Serverraum tatsächlich sein? Quelle: Weiss ITK Airconditioning, Vortrag Suisse Frio November 2011 18
Wie kalt muss es im Serverraum tatsächlich sein? CCI, 10. Januar 2012, Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl Intel sagt: 100 F im Rechenzentrum sind kein Problem "100 Fahrenheit (fast 38 C) stellen für den sicheren Betrieb eines Rechenzentrums kein Problem dar". Dies verkündete der Mikrochip- Hersteller Intel Ende 2011 und empfahl den Betreibern, zur Verringerung der Kosten zur Kühlung in ihren Rechenzentren deutlich höhere Temperaturen zuzulassen. Die Temperatur im Rechenzentrum könne durchaus auf Werte von deutlich über 30 C ansteigen, ohne dass dadurch die Betriebssicherheit der Server gefährdet wird. So könnten weltweit pro Jahr mehr als 2 Mrd. US-$ Betriebskosten eingespart werden. Hier verweist Intel auch auf ein eigenes Rechenzentrum in New Mexiko, bei dem die Temperatur auf 33 C angehoben wurde. Ergebnis: Die Stromkosten sanken um 67 %. 19
Fallbeispiel 1: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine Neubau ÖKK Landquart, Graubünden/CH Quelle: ÖKK / Architekten Bearth+Deplazes 20
Fallbeispiel 1: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine RZ-Kühlung mit Umluftkühlgerät, 130 kw Hybridkühler JAEGGI HTK 1.2/3.0, mit 130 kw, 31/22 C bei T f =18,2 C (z.b. 30 C/33% oder 32 C/27%) Quelle: Anlagenschema Amstein+Walthert AG 21
Fallbeispiel 1: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine hybrider Trockenkühler JAEGGI HTK 1.2/3.0 aufgestellt auf dem Dach, aus architektonischen Gründen in einer Einhausung Quelle: Amstein+Walthert AG 22
Fallbeispiel 2: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine Hochschule Luzern, Modernisierung Serverraumkühlung Enterprise Lab Ersatz vorhandener Kältemaschine durch Hybridkühler, gefördert im Rahmen des PUEDA-Projekts (siehe www.pueda.ch) 100% 100% 49.5 kw vorher 100% 100% 49.5 kw nachher PUE = 1.64 PUE = 1.15 50% 0 IT Quelle: Hochschule Luzern Technik & Architektur 32.7% 16 kw 24.8% 12.3 kw 6.5% 3.2 kw Rückkühlung USV Luftverteilung Wasserförderung 50% 0 IT 0% 0 kw Kältemaschine Kältemaschine 8.1% 6.5% 4 kw 3.2 kw Rückkühlung/FC Luftverteilung Wasserförderung Kühlung: Faktor 7 effizienter! USV 23
Fallbeispiel 2: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine Umsetzung: Main Electrical Board MI 1 TI 5 EI 4 EI 5 EI 6 Kaltwasserpumpe EI 1 FI 1 EI 7 TI 3 TI 4 TI 2 TI 1 USV Serverraum TI 7 Beleuchtung TI 6 GI 1 GI 2 GI 3 GI 4 GI 5 EI 2 EI 3 Sec Electrical Board TI 11 IT- Rack 1 TI 12 TI 13 IT- Rack 2 TI 14 TI 15 IT- Rack 4 TI 16 TI 17 IT- Rack 5 TI 18 TI 19 IT- Rack 3 IBM- Mainfr ame TI20 Wasser- Aufbereit ung Quelle: Hochschule Luzern Technik & Architektur 24
Fallbeispiel 2: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine hybrider Trockenkühler JAEGGI HTK 1.2/2.4: Kühlleistung 80 kw, 35/25/21,5 C, Motorleistung: Ventilator 2,2 kw + Benetzungspumpe 0,7 kw = 2,9 kw aufgestellt auf dem Dach, Einbringung mit Helikopter 25
Fallbeispiel 3: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine Quelle: Weiss ITK Airconditioning, Vortrag Suisse Frio November 2011 26
Fallbeispiel 3: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine Quelle: Weiss ITK Airconditioning, Vortrag Suisse Frio November 2011 27
Fazit wassergekühlte Kältemaschinen mit hohem EER energie- und wassersparende Rückkühler Kühlwassertemperatur möglichst niedrig Raumluftemperatur so hoch wie möglich (ASHRAE 2011: 32 C) d.h. Kaltwassertemperatur so hoch wie möglich maximale Zeit für freie Kühlung nutzen ganz ohne Kältemaschine fahren Minimaler Energie- und Wasserverbrauch 28
Ausblick - zukünftige Herausforderungen WUE = Water Usage Effectiveness WUE Annual Site Water Usage IT Equipment Energy WUE Source Annual Source EnergyWater Usage Annual IT Equipment Energy Site Water Usage neben dem Stromverbrauch muss auch der Wasserverbrauch im Rechenzentrum reduziert werden 29
Wasser sparen mit JAEGGI-Hybridkühler, Beispiel: 1000 kw, 38/28/21 C Zustandsbereich (Betriebszustand) des Kühlers von bis Phi trok- be- (E = 3) Luft- Fahrw eise Ventilator Wasserverbrauch Energie- Betriebs- Kühl- Kühl- drehzahl Frisch- Ab- bedarf stunden leistung w asser w asser gesamt Ein Aus [ C] [ C] % ken netzt % [m³] [m³] [kwh] h [kw] w asser -29-20 0 1 0 28 0 0 2 5 1000 38 28-20 -17 0 1 0 30 0 0 7 16 1000 38 28-17 -14 0 1 0 31 0 0 19 38 1000 38 28-14 -11 0 1 0 34 0 0 47 77 1000 38 28-11 -8 0 1 0 36 0 0 97 129 1000 38 28-8 -5 0 1 0 39 0 0 257 276 1000 38 28-5 -2 0 1 0 42 0 0 649 552 1000 38 28-2 1 0 1 0 45 0 0 1'911 1263 1000 38 28 1 4 0 1 0 50 0 0 1'952 972 1000 38 28 4 7 0 1 0 55 0 0 2'635 959 1000 38 28 7 10 0 1 0 62 0 0 4'117 1038 1000 38 28 10 13 0 1 0 72 0 0 6'894 1117 1000 38 28 13 16 0 1 0 87 0 0 10'769 1005 1000 38 28 16 18 0 1 0 100 0 0 7'289 446 1000 38 28 18 19 66 1/2 1/2 77 187 63 1'430 175 1000 38 28 19 22 60 1/2 1/2 89 456 153 4'518 374 1000 38 28 22 24.1 56 1/2 1/2 99 223 74 2'768 165 1000 38 28 24.1 25 55 0 1 53 100 33 201 53 1000 38 28 25 28 48 0 1 56 176 59 357 84 1000 38 28 28 31 41 0 1 59 59 20 123 26 1000 38 28 31 33 36 0 1 61 9 3 18 4 1000 38 28 1210 403 46060 8760 [ C] Wasserverbrauch hybrider Trockenkühler bei 3- Schicht-Betrieb, 8760 h/a, Eindickung 3-fach: 1.210 m 3 Frischwasser 403 m 3 Abwasser vgl. mit Nasskühlturm: 15.060 m 3 Frischwasser, 5.020 m 3 Abwasser x 12 und entsprechend mehr Chemikalien/Biozid!!
Referenzen: über 200 JAEGGI-Kühler im RZ-Einsatz mit insgesamt ca.300 MW einer von 30 JAEGGI- Hybridkühlern bei SAP, der dort zur Strom- und Wassereinsparung beiträgt 31
Betriebskostensenkung im Rechenzentrum Energieeinsparung durch innovative Rückkühlung Vielen Dank für ihr Interesse. Haben Sie noch Fragen? JAEGGI Hybridtechnologie AG Hirschgässlein 11 CH-4051 Basel Tel.: +41 61 560 91 45 joachim.weber@jaeggi-hybrid.ch www.jaeggi-hybrid.ch 27.05.2010; Thomas Odrich; Jäggi/ Güntner (Schweiz) AG