Betriebskostensenkung im Rechenzentrum Energieeinsparung durch innovative Rückkühlung > Intelligente Technologien für eine nachhaltige Zukunft Referent: Dipl.-Ing Marian Kielpinski
Agenda Vorstellung Güntner-Gruppe Rückkühltechnik im Überblick Ressourcenverbrauch im Rechenzentrum Ausgangssituation, IST Zustand Energieoptimierter Betrieb der Kältemaschine Freie Kühlung Wasser- und Stromeinsparung mit Hybridkühlern Fallbeispiele Kühlwasser ohne Frostschutz (Glykolzusatz) Optimierung der freien Kühlung Rechenzentrum ohne Kältemaschine Fazit 2
Agenda Vorstellung Güntner-Gruppe Rückkühltechnik im Überblick Ressourcenverbrauch im Rechenzentrum Ausgangssituation, IST Zustand Energieoptimierter Betrieb der Kältemaschine Freie Kühlung Wasser- und Stromeinsparung mit Hybridkühlern Fallbeispiele Kühlwasser ohne Frostschutz (Glykolzusatz) Optimierung der freien Kühlung Rechenzentrum ohne Kältemaschine Fazit 3
Güntner Group thermoline thermoclean thermoplus finoox microox Systems 4
Güntner Group Unternehmensdaten weltweit - 2.700 Mitarbeiter - 265 Mio. Umsatz - 65.000 m² Produktionsfläche - 7 Produktionsstätten - Über 70 Vertretungen und Vertriebsbüros - Gegründet 1931 (Güntner) 5
- Unternehmensdaten - 2.700 Mitarbeiter - 265 Mio. Umsatz - 65.000 m² Produktionsfläche - 7 Produktionsstätten - Über 70 Vertretungen und Vertriebsbüros - Gegründet 1931 (Güntner) - 70 Mitarbeiter - 26 Mio. Umsatz - Haupsitz in Basel - Über 10 Vertriebsbüros - Gegründet 1929 - Herstellung Hybridkühler seit 1989 - Seit 1995 Mitglied der Güntner Gruppe - 3500 Hybridkühler 6
Agenda Vorstellung Güntner-Gruppe Rückkühltechnik im Überblick Ressourcenverbrauch im Rechenzentrum Ausgangssituation, IST Zustand Energieoptimierter Betrieb der Kältemaschine Freien Kühlung Wasser- und Stromeinsparung mit Hybridkühlern Fallbeispiele Kühlwasser ohne Frostschutz (Glykolzusatz) Optimierung der freien Kühlung Rechenzentrum ohne Kältemaschine Fazit 7
Rückkühltechnik im Überblick Verdunstungskühlung Hybridkühlung Trockenkühlung Offener KT Geschlossener KT Hybride Kühltürme hybride Kühler Hybride Trockenkühler Adiabater Trockenkühler Besprühte Trockenkühler Photo: Hamon Photo: Evapco Photo: Hamon 8
Rückkühltechnik im Überblick Unterscheidungsmerkmale: Trocken / Benetzt Kühlturm offen Kühlturm geschlossen Hybridkühler JAEGGI ADC Kühler JAEGGI Hydrospray Güntner Trockenkühler Güntner Benetzt Trocken Photo: Hamon Photo: Evapco T Fluid =T FK +2K T Fluid =T FK +3K T Fluid =T FK +4K T Fluid =T FK +5...8 K T Fluid =T FK +5...8K T Fluid =T TK + 8...15K Aufstellfläche 100% Aufstellfläche 200% Aufstellfläche 300% Aufstellfläche 500% Aufstellfläche 500 600% 9
Kühlgrenzabstand, Kühlsysteme > Bei Trockenkühlung ist die Kühlgrenze die Lufttemperatur > Bei Verdunstungskühlung ist die Kühlgrenze die Feuchtkugeltemperatur Wasser t M1 t M2 KGA t L2 Luft t L1 10
Kühlgrenzabstand, Kühlsysteme > Bei Trockenkühlung ist die Kühlgrenze die Lufttemperatur > Bei Verdunstungskühlung ist die Kühlgrenze die Feuchtkugeltemperatur Kriterium für die Wahl des Rückkühlsystems sind u.a. > Der Kühlgrenzabstand KGA hat einen wesentlichen Einfluss auf die Kühlergrösse. Wasser t M1 Beispiel Hybridkühler - die Rücklauftemperatur 1.150 kw - ein wirtschaftlicher KGA! Kühlleistung KGA 5 Invest 240 T KGA 7 Invest 170 T KGA t M2 t L1 Luft t L2 11
Funktion und Vorteile des JAEGGI Hybridkühlers (HTK Hybrid High Performance ) Vorteile gegenüber Trockenkühlern: > viel niedrigere Wassertemperaturen, Kühlgrenze Feuchtkugeltemperatur > geringerer Stromverbrauch > geringerer Platzbedarf Vorteile gegenüber Kühltürmen: > viel geringerer Wasserverbrauch > schwadenfrei > Keine Aerosolbildung (Legionellenemission, Hygienezertifikat) > Keine Verschmutzung des Primärsystems > deutlich leiser (keine Schalldämpfer) 12
Agenda Vorstellung Güntner-Gruppe Rückkühltechnik im Überblick Ressourcenverbrauch im Rechenzentrum Ausgangssituation, IST Zustand Energieoptimierter Betrieb der Kältemaschine Freien Kühlung Wasser- und Stromeinsparung mit Hybridkühlern Fallbeispiele Kühlwasser ohne Frostschutz (Glykolzusatz) Optimierung der freien Kühlung Rechenzentrum ohne Kältemaschine Fazit 13
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 Hardware 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 14
Funktionsschema einer Kälteanlage zur Raumluftkühlung (Serverraum) 1000 kw Energiezufuhr aus dem Serverraum Energieabfuhr an die Umgebung Luftkühler Kältemaschine (Kaltwassersatz) Rückkühler 20/15ºC Kaltwasser 12/ 6 C Kaltwasser Verdampfer Verflüssiger 32/27ºC Kühlwasser Energie Energie ca. 15 kw Energiezufuhr durch Verdichter der Kälteanlage, Pumpen, Gebläse, Wasser 1.000 kw 150 kw 250 kw 1.150 kw 1.250 kw Wärme- Kältelast Kompressorenergie Kühlleistung 15
Funktionsschema einer Kälteanlage zur Raumluftkühlung, Freie Kühlung 1000 kw Energiezufuhr aus dem Serverraum Energieabfuhr an die Umgebung Luftkühler 20/15ºC Kaltwasser 12/ 6 C Kaltwasser Rückkühler 32/27ºC Kühlwasser Freie Kühlung Energie Wasser ca. 15 kw Energiezufuhr durch Verdichter der Kälteanlage, Pumpen, Gebläse, 1.000 kw 150 kw 250 kw 1.150 kw 1.250 kw Wärme- Kältelast Kompressorenergie Kühlleistung 16
Wie kalt muss es im Serverraum tatsächlich sein? Quelle: Weiss ITK Airconditioning, Vortrag Suisse Frio November 2011 17
Agenda Vorstellung Güntner-Gruppe Rückkühltechnik im Überblick Ressourcenverbrauch im Rechenzentrum Ausgangssituation, IST Zustand Energieoptimierter Betrieb der Kältemaschine Freien Kühlung Wasser- und Stromeinsparung mit Hybridkühlern Fallbeispiele Kühlwasser ohne Frostschutz (Glykolzusatz) Optimierung der freien Kühlung Rechenzentrum ohne Kältemaschine, Fazit 18
Optimierung wassergekühlter Kaltwassersatz Dp Kältekreislauf mit wichtigsten Komponenten im h - log p - Diagramm P el Temperaturhub/ Druckdifferenz Hebel für energetische Optimierung 19
Leistungszahl EER eines modernen Turboverdichters in Abhängigkeit der Kaltwassertemp. EER Nutzen Aufwand Kälteleistung elektr.leistungsaufnahme Q 0 W elektr. Kaltwasser 20 / 14 Kaltwasser 12 / 6 Strom sparen an der Kältemaschine durch niedrigere Verflüssigungstemperaturen: ca. 3% pro 1K 20
Verdichter-Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur Hybridkühler Kühlleistung 1.150 kw Kühlwasser 32 C /27 C Lufttemp. 34 C / 36% P el. 15 kw EER >70 Kühlwassertemperatur < 35 C nur durch Verdunstungsenergie Bei Leistungsaufnahme Lufttemperatur > 34 C 1.000 mit kw 36% Kältemaschine relativer Feuchte 21
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Freie Kühlung in Abhängigkeit der Kühlwassertemperatur 100% 80% Hybridkühler 60% 40% 20% 0% 11/6 C 14/9 C 17/12 C 20/15 C 23/18 C 26/21 C 29/24 C Kältemaschinenbetrieb Freie Kühlung benetzter Betrieb Freie Kühlung Trockenbetrieb Kühlleistung 1.150 kw Kühlwasser 32 C /27 C Lufttemp. 34 C / 36% P el 15 kw EER >70 Temperaturhäufigkeit Standort Frankfurt am Main DIN 4710 23
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Verdunstungswassermenge m³/h Energieeinsparung durch innovative Rückkühlung Verdunstungswassermenge in Abhängigkeit der Lufttemperatur Rückkühlleistung 1.150 kw mit Kühlwasser 32/27 C bei T f = 22 C: Vergleich der Verdunstungswassermenge Kühlturm - Hybridkühler 100% 90% Temperaturhäufigkeit Standort Frankfurt 80% 70% 60% Kühlturm 50% 40% 30% Hybridkühler 20% 10% 0% Lufttemperatur Wasser- und Chemieeinsparung von ca. 80% durch den Einsatz von Hybridkühler gegenüber Kühlturm bei ganzjahres Betrieb (Rechenzentrum) 25
Stundenanzahl [h] Energieeinsparung durch innovative Rückkühlung Betriebscharakteristik von Hybridkühlern 250 Trockenbetrieb Benetzter Betrieb Mittlerer Jahrestemperaturgang (Meteonorm 1995-2005) 100%... 20% Therm. Leistung 200 150 100 50 0-10 0 10 20 30 Temperatur [ C] Mittlerer Jahrestemperaturgang für Frankfurt Zürich am Main 26
Berechnung Betriebscharakteristik Regelungsstrategie von Hybridkühlern Beispiel: 4 Hybrid Trockenkühler Regelgröße (28 C) 34 C 28 C Kühlleistung: 6.120 kw Kühlwasser: 36 C / 30 C Luftzustand: 33 C / 38% rf Anstieg der Lufttemperatur / Kühllast Regelung Ventilatordrehzahl bis 100% Sequentielle Benetzung Lastabhängige Benetzung / Verdunstung 27
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Kühlmedium Wasser ohne Frostschutz Wasser Glykol (Antifrogen N) Wasser/ Glykol (76/34) c(20 C) = 4, 18 kj kg K c(20 C) = 2, 30 kj kg K c 20 C = 3, 65 kj kg K c 13% Quelle: http://www.abderhalden-fluids.ch/images/antifrogen/pdf/antifrogen_n_tm_de.pdf 23.02.15 30
Kühlmedium Wasser ohne Frostschutz The Beauty and the Beast Quelle: http://atmospheric-phenomena.blogspot.ch/2015/01/the-best-photos-of-winter.html 23.02.15 31
Kühlmedium Wasser ohne Frostschutz Erforderlich Schutzmassnahmen: - Zu-/ Abluft Jalousieklappen - Wintervorhänge - Mindestleistung im Notbetrieb - Permanente Umwälzung - 32
Kühlmedium Wasser ohne Frostschutz Geschlossener Kühlkreislauf mit Glykol und Wasserkreislauf und Plattenwärmeübertrager Halboffenes System mit 100% Wasserfüllung und hydraulischem Speicher 07.05.2015 33
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Fallbeispiel: Rechenzentrum der T-Systems Magdeburg / Biere DDC Magdeburg & Biere Quelle: T-Systems und JAEGGI 07.05.2015 35
Fallbeispiel: Rechenzentrum der T-Systems Magdeburg / Biere JAEGGI Hybride Trockenkühler insg. 18 x HTK 12 MW > 3400 h/a freie Kühlung (trocken) ohne KM bei 19/14 C > 1450 h/a freie Kühlung (benetzt) ohne KM 19/14 C > 3100 h/a gleitende freie Kühlung mit KM bis 24/21 C fast 8000 Stunden/Jahr ohne alleinigen Einsatz der KM > Reiner KM-Betrieb mit 32/26 C Kühlwassertemp. effizienter KM Betrieb Quelle: JAEGGI 07.05.2015 36
Fallbeispiel: Rechenzentrum der T-Systems Magdeburg / Biere Quelle: www.heise.de http://www.heise.de/ix/meldung/telekom-eroeffnet-zwillings-rechenzentrum-bei-magdeburg-2249711.html?hg=1&hgi=0&hgf=false 19.02.15 07.05.2015 37
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Fallbeispiel: Rechenzentrumskühlung ohne Kältemaschine Quelle: Weiss ITK Airconditioning, Vortrag Suisse Frio November 2011 39
Fallbeispiel: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine Swisscom Wankdorf, 8 JAEGGI Hybride Trockenkühler je 750 kw, 35/25/21ºC, Inbetriebnahme 2014 Quelle: Dr. Eicher + Pauli AG / RZ Integral AG 41
Fallbeispiel: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine Swisscom Wankdorf, 8 JAEGGI Hybride Trockenkühler je 750 kw, 35/25/21ºC, Inbetriebnahme 2014 Quelle: Homepage Swisscom https://www.swisscom.ch/de/about/verantwortung/digitale-schweiz/rechenzentrum-wankdorf.html#energieeffizienz 19.02.15 42
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Fazit 1. Möglichst hohe Kaltwassertemperatur an der Kältemaschine anstreben 2. Wassergekühlte Kältemaschinen mit hohem EER einsetzen 3. Kühlwassertemperatur möglichst niedrig (Umgebungsbedingungen beachten) 4. Energie- und wassersparende Rückkühler mit optimierter MSR Technik einsetzen 5. Maximale Zeit für freie Kühlung nutzen 6. Rechenzentrum ohne Kältemaschine prüfen 7. Kühlwasser ohne Frostschutz (Glykolgemisch), Optimierung der freien Kühlung Minimaler Energie- und Wasserverbrauch 44
Referenzen 45
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