GEBÄUDETECHNIK IM DATA CENTER

KONZEPTE ZUR ENERGIEOPTIMIERUNGIM IT- BEREICH

ATA Tagung 2009, Salzburg5. Juni 2009

Dipl.- Ing. André Boers

Sonstige Funktionen, Schwerpunkte Technisch Wirtschaftliches Controlling Bauherrenberatung Experte für Technische Gebäudeausrüstung in den HOAI-Phasen 1-

9

Beruflicher Werdegang1983 - 1986 Ausbildung zum Gas- und Wasserinstallateur1986 - 1988 Gas- und Wasserinstallateur1989 - 1990 Wehrdienst1990 - 1996 Studium Versorgungstechnik 1997- 2003 Projektingenieur und Projektleiter 2003- 2008 Projektleiter und Leitender Planerseit 2009 Projektmanager bei Drees & Sommer KölnAndre Boers

Dipl.–Ing. VersorgungstechnikAndre.Boers@dreso.com

Berufserfahrung: 13 Jahre

Zahlen und FaktenStand Dezember 2008

Gegründet 1970 9 Standorte in Deutschland 15 internationale Standorte:

West- und Osteuropa,Middle East und Asien

ca. 1070 Mitarbeiter 120,4 Mio Euro Jahresumsatz 2007

HamburgBerlin

Leipzig

Nürnberg

MünchenStuttgart

Frankfurt

KölnDüsseldorf

Projektmanagement

Entwicklungsmanagement

ProjektmanagementInfrastruktur und Verkehr

ProjektmanagementHochbau

Construction Management

General ConstructionManagement

Risk Management

Prozessberatung

Projektmanagement-Tools

EngineeringTechnisch-wirtschaftliche

Bauberatung

Green Building Design fürNeubauten

Systemplanung undSimulation

Planung,Generalfachplanung

Life Cycle Engineering

Green-Building-OptimierungBestandsimmobilien

Energiemanagement fürGewerbe und Industrie

Immobilienberatung

Technische Due Diligence

Technisches AssetManagement

StrategischeLiegenschaftsberatung

Krisenmanagement fürnotleidende Immobilien

Public Private Partnership

Facility ManagementConsulting

Green Building Labels

Organisationsberatung

Unsere Leistungen auf einen Blick

DIE TYPISCHEN SCHWACHSTELLEN IM

DATACENTER

ENERGETISCHESCHWACHSTELLEN

Hydraulik im Kühlsystem ist unbekannt

Pumpen Kälte sind zu groß dimensioniert

Warm-Kaltgang Prinzip nicht eingehalten

Luftverteilung im Doppelboden ungelenkt oder durch Verkabelung behindert

Kurzschluss zwischen Zu- und Abluftführung

Ende Lebenszyklus der Technik ist erreicht

veraltete Kompressorentechnologie

STRUKTURELLESCHWACHSTELLEN

© Drees & Sommer 10

Datentechnik

Stromversorgung EDV 1 - 3

Kälte

Löschtechnik

VERSORGUNG IM DOPPELBODEN

Datentechnik

Stromversorgung EDV 1 - 3LöschtechnikKälte

DATENTECHNIK AN DER DECKE

Datentechnik

Stromversorgung EDV 1 - 3

Löschtechnik

Kälte

STROMVERSORGUNG AN DER DECKE

AUFSTELLUNGSKONZEPT

Schrankaufstellung gruppiert nach Kühlsystem

RAUMANORDNUNG - VARIANTE 1

RAUMANORDNUNG - VARIANTE 2

Schrankaufstellung gruppiert nach Nutzer

Schrankaufstellung Mischform Nutzer/Funktion

RAUMANORDNUNG - VARIANTE 3

ANFORDERUNGEN

Klimamodell 3K1 mit Temperatur: 20 … 25 °C

relative Luftfeuchte: 35 … 75 %

Messort für Luftzustände: „Kaltgang“, in Höhe der IT-Technik

mind. 50 cm Abstand zum Rack

DIN EN 60 721: KLIMAMODELLE FÜR RECHENZENTREN RAUMZUSTÄNDE

TECHNIK CPU

TECHNIK DFÜ

TECHNIK USV

NEBENFLÄCHEN

WÄRMEVERLUSTE

AUSSENLUFT-AUFBEREITUNG

500 – 1.000 W/m² 70 %

350 W/m² 3 %

5 %

3 %

Luftförderung 7 %Wasserförderung 5 %

CPU/DFÜ 1 %Nebenflächen 5 %

ANTEIL KÄLTELEISTUNG

LUFTFÜHRUNG OHNE OPTIMIERUNG

Luftführungsvarianten “Classic”

Kaltluftführung im Doppelboden Nachteile: Hot Spot im oberen Bereich der Schränke Luftführung im Schrank durch Leitungen behindert Verwirbelung Kalt / Warmluft abführbare Leistung ist stark begrenzt

Kühlgerät

LUFTFÜHRUNG SCHRANKLÜFTUNG

Luftführung “Schrankbelüftung” Kaltluftführung im Doppelboden Luftzuführung im Rack zwischen Tür und

Server Abströmung vertikal oder durch die Rack-

Rücktür Wärmeabfuhr bis ca. 10 kW / Schrank

Vorteile: verbesserte Luftführung Luft bedarfsgerecht durch Klappen regulierbarNachteile: erfordert tiefere Schränke Schränke im oberen Bereich wärmer

Rackh v

Rackh v

Rackh v

Rackh v

ULK ULK

LUFTFÜHRUNG WARM-KALTGANG

Luftführung Kalt / Warmgang Kaltluftführung im Doppelboden Luftzuführung im Kaltgang Abströmung im Warmgang offene Türen oder keine Türen Wärmeabfuhr, ca 5 kW/ Schrank

Vorteile: Kaltluftsee zwischen den Schrankreihen Verwirbelungen werden reduziert

Nachteile: vermeidbare Nebenluftströme und Verwirbelungen

Rackh v

Rackh v

Rackv h

Rackv h

warm warm warmkalt kalt

ULK ULK

LUFTFÜHRUNG WARM-KALTGANG EINHAUSUNG

Luftführung Kaltgangeinhausung Kaltluftführung im Doppelboden Luftzuführung im geschlossenen Kaltgang Schränke intern optimieren Abströmung im Kaltgang offene Türen oder keine Türen Wärmeabfuhr bis ca 10 kW/ Schrank

Vorteile: gleichmässige Wärmeabfuhr an jedem Gerät optimale Durchströmung Trennung von kalter und warmer LuftNachteile: Zusätzliche Kosten für die Einhausung und

Luftführung im Schrank Problematik Brandmeldeanlage / Löschanlagen

Rackh v

warm warm warmkalt kalt

Rackv h

Rackh v

Rackv h

ULK ULK

Luftführung Kaltgangeinhausung gerichtete Luftführung durch die Server Luftzuführung im geschlossenen Kaltgang Schränke intern optimieren offene Schranktüren oder keine Türen Wärmeabfuhr bis ca 10 kW/ Schrank Erhöhung Rücklauftemperatur

Vorteile: gleichmäßige Wärmeabfuhr an jedem Gerät optimale Durchströmung Trennung von kalter und warmer LuftNachteile: Zusätzliche Kosten für die Einhausung und

Luftführung im Schrank

Rackh v

warm warm

kalt

Rackv h

ULK

alternativ offen mit Überströmung

KÜHLUNG FÜR DEN BLADESERVER

Bild: IBM

Herstellerangaben Anschlussleistung 15 KW

Leistungsaufnahme gemessen in der Praxis 5 - 8 KW

Kühllast nicht über elektrische Anschlusswerte bestimmen!

KÜHLLEISTUNG FÜR BLADE SERVER

Direkte Schrankkühlung Entkopplung des Wasserkreislaufs Wärmeabfuhr bis ca 32 kW/ Schrank verschiedene Anordnung der

Wärmetauscher

Vorteile: sehr hohe Wärmeabfuhr optimale Durchströmung Trennung von kalter und warmer LuftNachteile: Teuer, aufwändig Wasser im RZ

Wärmetauscher unten

ULK ULK

Wärmetauscher hinten

Luftführung Schrankkühlung, Hersteller

LEITUNGSVERBINDUNG FÜR HARDWAREKÄLTE

Klimatisierung CPU-Räume

Umluftklimageräte

Integrierte Kältemaschine

Wärmeabfuhr Wasser-Glykol Kreislauf mit Freikühlbetrieb

Rückkühler für Außenaufstellung

wassergekühlte Racks

Kaltwassersätze mit Rückkühlung und Freikühlbetrieb

RLT-Zentralgeräte Primärluft

KÄLTEKONZEPT MIT GETRENNTEN KREISEN

Klimatisierung CPU-Räume

Umluftklimageräte

Wassergekühlt

Wassergekühlte Racks

Kaltwassersätze mit Rückkühlung und Freikühlbetrieb

RLT-Zentralgeräte

RLT-Zentralgeräte Primärluft

KÄLTEKONZEPT MIT EINEM KREIS

n Stck. Kaltwassersatz

Kälte A Kälte B

n Stck. Kaltwassersatz

Klimaspange

Ringleitungen A Ringleitungen B

Klimaspange

REDUNDANTE KÄLTEVERSORGUNG

Varianten zur Freikühlung

Trockenkühler HybridkühlerDirektkühler (Außenluft)

Free-Cooling, Beispiel

Free-Cooling-Potential in Abhängigkeit der Rücklufttemperatur bei einem Volumenstromanteil von 100% der Klimaschränke.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

Free-Cooling Potential bei freier Kühlung über Hybrid-RückkühlerVariable Rücklufttemperatur

Rücklufttemperatur = 23°C Rücklufttemperatur = 24°C Rücklufttemperatur = 25°C Rücklufttemperatur = 26°C

Stunden pro Jahr h/a

Free

Coo

ling

Pote

ntia

l in

%

3240 Betr.Std./a mit freier und maschineller Kühlung 11°C bis

19°C37%

570 Betr.Std./a mit ausschließlich maschineller

Kühlung 19°C bis 32 °C7%

4957 Betr.Std./a mit ausschließlich freier Kühlung

11°C bis -14°C56%

LEISTUNGSBEDARF BEI ABZUFÜHRENDER

WÄRMELAST VON 200 kV

WAS VERHINDERTENERGIEEINSPARMASSNAHMEN ?

Hohe Erstinvestition

Wenig Anreize

Know-How nicht verfügbar

Grundkonzeption unklar

DIE TOP DREI FEHLENDER ENERGIEEFFIZIENZ

STANDARDS

MANGEL AN EINSPARVORGABEN

Bewertung von Effizienz wird nur an der SERVICELEISTUNG gemessen

GETEILTE VERANTWORTLICHKEITEN

Verantwortliche der IT sind nicht für die Technische Infrastruktur verantwortlich „KÄLTE und STROM enden an der Steckdose bzw. im DATA-Raum“

SHUT DOWN RISIKO

Einführung und Änderung an der Infrastruktur können Hochverfügbarkeit einschränken

ENERGETISCHE BEWERTUNG

Vorgehensweise Beispiel Kälte

• Erhebung von Kenndaten• Benchmarking, Benchmarks vergleichen, bewertenBenchmarking

• Begehung Data Center• Schwachstellenanalyse, best practice

Schwachstellenanalyse Raum

• Darstellung verschiedener Kühlvarianten• Empfehlung zu Kühlvarianten

Kühlvarianten für Racks

• Untersuchung verschiedener Varianten zur Freikühlung (Freecooling)Kälteerzeugung

SCHWACHSTELLENANALYSE

behinderte Luftführung geschlossene Türen

Matrix Messpunkte

a: Luftmengenmessung Lüftungsplatten

b: Wärmebild z.B. Blades

c: Druck/Durchfluss Kälte

d: m³/h, A, Ventilator

1: Strommessung A,B

2: Strommessung ULK

3: Temp./Feuchte Raum

4: Temp./Feuchte DB

5: Differenzdruck DB

6: Temp. VL/RL Kälte

KG

WG

WG

KG

KG

UV

ULK

UVa

a

a

b

c

d

1 2

3

4,5

6

Kontinuierlich Punktuell

Betriebsoptimierung

Temperaturen

Ventile

Massenströme

Verbrauch

Verbrauchs-erfassung

IST SOLL

GA/GLTVerbrauchs-erfassung

Klima Strom

Heizung

Expertenwissen

GA/GLT

ANTEIL AN INVESTITIONSKOSTEN

Ventilator 1- 3 %

übrige Komponenten 97 – 99 %

ANTEIL AN BETRIEBSKOSTEN

Ventilator 40 – 70 %

übrige Komponenten 30 – 60 %

OPTIMIERUNGSPOTENTIAL VENTILATOREN

BEWERTUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ UND WIRTSCHAFTLICHKEIT

Benchmarking Energieverbrauch

2,0 1,01,5

Power Usage Effectiveness (PUE) = Total Facility Power / IT Equipment Power

Ave

rage

US

Dat

a C

ente

r 200

7=

2,0

PU

E=

1,2

Sta

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1,3

Bes

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Rau

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2,1

-3,7

2,5D

40*

= 1,

41

B4

= 1,

3

*ohne Raum 149Datenbasis ist unsicher

Betriebskosten    Bestand Aussenluft Hybridkühler Nasser Kühler    Ist-Zustand Direkte freie Kühlung Freie Kühlung mit Freie Kühlung mit      mit Außenluft Hybrid-Rückkühler nassem Rückkühler      80% Nennvol.strom    Installierte / Benötigte Leistung   Variante 0 Variante 1 Variante 2 Variante 3Serverleistung kW 400 400 400 400Kälteleistung kW 400 400 400 400Leistung Freie Kühlung kW 0 400 400 400Energieverbrauch   Variante 0 Variante 1 Variante 2 Variante 3Strom kWh/a 3.504.000 3.504.000 3.504.000 3.504.000Deckungsanteil Rückkühler % 0% 80% 73% 66%Kälte Netz kWh/a 3.504.000 700.800 946.080 1.191.360Kälte Rückkühler kWh/a 0 2.803.200 2.557.920 2.312.640Stromverbrauch Freie Kühlung kWh/a 0 243.333 60.750 100.650Wasserverbrauch Freie Kühlung m³/a 0 0 2315 4253           Betriebskosten (Preise 01.01.08)   Variante 0 Variante 1 Variante 2 Variante 3Arbeit Strom €/kWh 0,060 0,060 0,060 0,060Wasser €/m³ 4,0 4,0 4,0 4,0Kälte €/kWh 0,02 0,02 0,02 0,02Summe Energiekosten €/a 280.320 238.856 242.068 257.116Mittlere Energiekosten über 15 Jahre €/a 385.720 328.666 330.825 349.641Mehrkosten Instandhaltung über 15 Jahre €/a 0 4.754 5.965 2.432annuisierte Einsparung €/a 0 52.300 € 48.930 € 33.647 € Investitionskosten € 0 221.660 296.131 174.407Einsparungen Energiekosten €/a   57.054 54.895 36.079Baunutzungskosten über 15 Jahre €/a 385.720 347.579 357.387 362.148Amortisationszeit a   4,9 7,4 6,1Primärenergieeinsparung kWh/a 0 2.146.200 2.393.895 2.040.885Primärenergieeinsparung % 0 16,6% 18,5% 15,7%CO2-Einsparung t/a 0      annuisierte Investitionskosten €/a   - 21.355 € - 28.530 € - 16.803 €

GREEN BUILDING IM DATACENTER?

WENN ES NICHT MEHR KOSTET ?

JA!

Was ist eigentlich ein „Green Building“

Erneuerbare Energieressourcen- Windkraft- Photovoltaik- Solarthermie- Geothermie- Biomasse

Reduzierung des Energiebedarfs- guter Wärmeschutz- angepasste Betriebstemperaturen- Intelligente Kontrollsysteme- keine ständige

Betriebsbereitschaft- Effiziente Beleuchtungssysteme- …

Schutz natürlicher Ressourcen- Erhalt von materiellen

Ressourcen- Förderung des Mikroklimas

Reduzierung des Wasserverbrauchs- Regenwassermanagement - Schmutzwassermanagement- Erhalt von Frischwasserreserven

Effiziente Beförderung- kurze Distanzen- Verbundenheit zwischen Transportsystemen- optimierte Teilung- gemeinsame Autonutzung- Emissionsfreier Transport

Erhaltung und Abfallmanagement- Vorbeugung von Abfall- Abfalltrennung- optimierte Erhaltungszyklen- Wert- und Schadstoffentsorgung

Erneuerbare Materialien- niedriger Primärenergiebedarf- reduzierter Materialverbrauch - Nachhaltigkeit, Langlebigkeit- Recycling, keine

Verbundwerkstoffe- keine Ausdünstungen

Kriterien

Klimaschutz- weniger fossilen Brennstoffe- weniger lokalen Emissionen- keine schadhaften Materialien

Mieter Corporate Image Betriebskosten Höhere Produktivität durch

Mitarbeiterzufriedenheit und niedrigeren Krankenstand, höhere Attraktivität im Recruitment

Konkrete Motivation

Eigennutzer Corporate Image Entwicklung des

Immobilienwertes Betriebskosten Höhere Produktivität durch

Mitarbeiterzufriedenheit und niedrigeren Krankenstand, höhere Attraktivität im Recruitment

Investoren/ Entwickler

Vermarktungsvorteile Kundeninteresse

Alle Reduzierung des „CO2-

Footprint“ Effiziente Flächennutzung/

weniger Versiegelung Verbesserung Luft/ Klima Ressourcenschonung Lebensqualität

Image - Kampagnen

WERBUNG MIT GREEN LABEL IM DATA CENTER?

Kühlwasserspreizung optimiert für Freikühlbetrieb

Kühlwasserrückgewinnung mit Aufbereitung

Wärmepumpe zur Beheizung des Gebäudes

Gründach

Günstige Verkehrsanbindung

Fahrradparkplätze

Duschen für Fahrradfahrer

BEISPIELE GREEN DATA CENTER NACH LEED

Heizenergie = Minus 67%

Recycling =98% der Materialien

Co2 Emissionen =Minus 55%

Wärmeinsel Effekt = Minus 50%

Stromverbrauch = Minus 55%

Wasserverbrauch = Minus 43%

Wiederverwendung = 30% der Einbauten

Lüftungsenergie =Minus 60%

Höhere Qualität für Besucher und Mitarbeiter vor Ort

Deutsche Bank – ZieleBEISPIEL ANFORDERUNG AN GREEN BUILDING

SYSTEMPLANUNG

Die wesentlichen Phasen im Lebenszyklus eines Gebäudes

Definition

Konzeption

Planungsvorlauf

Realisierung

Betrieb

6 Monate

9 Monate

15 Monate

30 Monate

ca. 55 Jahre

6 min

9 min

15 min

30 min

=

=

=

=

1 Std.

11 Std.

121

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Renovierung

Reno

vieru

ng

Renovierung

DefinitionKonzeptionPlanungRealisierung

LEBENSUHR EINER IMMOBILIE

Beeinflussbarkeit eines Projekts

Entwurfs- und Genehmigungs-planung

Ausführungs- undDetailplanungGrundlagen-

ermittlungAusschreibung,Vergabe

Bauausführung

10

75

100

35

1/4 1/2 3/4 Fertigstellung

%

Vorplanung

Systemplanung

Einfluss einer alternativenVergabemöglichkeit

Abwehr vonÄnderungen

iterativerProzess

Planerseite

1

2

3

4-7

8

9

Grundlagen-ermittlung

Vorplanung

Entwurf

Ausschreibung + Vergabe

Bauausführung

Dokumentation

Nutzungsphase

Nutzer/BauherrAnforderungen

Technische Anforderungen

iterativerProzess

OptimierungErgänzung

Mehrkosten!

Zusätzlicher Planungsbedarf

andere Konzepteinteraktiver A

bgleich, Anforderungen

Üblicher Planungsablauf

Anspruchsdefinition

iterativerProzess

Nutzer-/Bauherrenseite

Kostendefinition

Ergebnisse

Terminverschiebung!

Zusätzlicher Planungsbedarf

Organisatorische Abläufe

Zusätzlicher Planungsbedarf

Betriebliche Abläufe

Zusätzlicher Planungsbedarf

Optimierungsphase

Planerseite

1

2

3

4-7

8

9

Grundlagen- TechnischeNutzer-/Bauherren

ermittlung Anforderungen Anforderungen

Vorplanung

Entwurf

Ausschreibung + Vergabe

Bauausführung

Dokumentation

Nutzungsphase

Kostensicherheit!

Wirtschaftliche undökologische Konzepte

Planungsablauf mit SystemplanungNutzer-/Bauherrenseite Ergebnisse

Terminsicherheit!

Organisatorische Abläufesind in die Planung der

eingeflossen

Betriebliche Abläufesind in die Planung der

eingeflossen

Systemplanung Anspruchdefinition Kostendefinition

Technischwirtschaftliches

Coachingund Controlling

TECHNISCH WIRTSCHAFTLICHE BAUBERATUNG

TWB

Technisch Wirtschaftliche BauberatungThema: Baumangel - Beispiel

Technisch Wirtschaftliche Bauberatung Leistungsvergleich über Planungsphasen

Neue Gliederung in Grundleistungen und besondere Leistungen

Review als Grundleistung nach AHO

Zusätzliche Leistungen entsprechend Kundenanforderungen

Individuell angepasstes Leistungsbild für das TWB

2nd Opinion

Review

Technisch

Wirtschaftliches Controlling

(FT PM)

Monitoring

€€

(TWC)

FachtechnischesProjekt-

management

80 - 20 - RegelErfahrungsregel der Ungleichverteilung

80% der Fehler lassen sich mit 20% Aufwand verhindern

weitere 10% erfordern 80% Aufwand

(1-10% Restfehler bleiben)

Rev

iew

TWC

10er RegelErfahrungsregel aus dem QualitätsmanagementFehlerbehebungskosten steigen um Faktor 10, wenn Fehler nicht in der Planung vermieden werden

Technisch Wirtschaftliche BauberatungArgumente

Technisch Wirtschaftliches ControllingPraxisbeispiel

COMMISSIONING

COMMISSIONING?

Das macht doch die Bauleitung!

Beispiel Komplexität

Vom IAÜ zum Commissioning

Commissioning = strategisches IAÜ mit dem Ergebnis der exakten Umsetzung von Bauherrn- und Planervorgaben

Ziele und Nutzen des Commissioning Commissioning Prozess startet in frühen Planungsphasen Festhalten der Planungsvorgaben (ggf. auch Änderungen) gesamte Bauprozess wird begleitet Frühzeitiger Einbezug aller Beteiligten in Commissioning Prozess Dokumentation des gesamten Prozesses Grundanforderung aller Green Building Labels zum Nachweis

und Sicherstellung des Erreichens der energetischen Ziele

Ausblick Commissioning

Commissioning „light“ Analyse, Erstellen Vorgaben und Tools für Bauleiter einfache Gebäude („Investorenimmobilien“)

Fundamental Commissioning Begleiten und Controlling des gesamten Prozesses von Planung bis Übergabe Gebäude ohne höhere Anforderungen

Enhanced CommissioningBegleiten, Beraten Controlling und Nachweis der Zielerreichung im Betrieb Gebäude mit hohen Anforderungen z.B. DATA Center

www.dreso.com