Stromkosten sparen und die Energieeffizienz in kleinen Serverräumen steigern

Stromkosten sparenund die Energieeffizienz

in kleinen Serverräumen steigern

Vortrag von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. (FH)am 11.11.2014

bei IT2Industry Conferenceauf der electronica Fachmesse in München

Energie.Controlling.Loose – ECLD 82362 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

Vortragsinhalt

3. Unterschied Indirekte freie Kühlung ◄► direkte freie Kühlung

1. Istzustand: Hoher Energiebedarf für Kühlung bei IT-Räumen ►►►► Hohe Betriebskosten ◄◄◄◄

4. Anforderungen an die Raumluftfeuchte ?

5. Warmzone (Warmgang) – Kaltzone (Kaltgang)

6. Verbesserungsvorschläge für kleine Serverräume

2. Das Kühlpotential der Außenluft → freie Kühlung

7. ►►►► ►►►►►►►►► ►► E i n s p a r u n g : 90 %!

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 2

Klimatechnik verursacht hohen Strombedarf → hohe Stromkosten [sehr viel CO2-Emissionen]

!

Benötigter Strombedarf - Gesamtenergie im Serverraum (oder RZ) 100%

7% 30%18% 45%

Beleuchtung USV IT selbst KlimaAltbestandAltbestand


Zuluft

Zuluft (Redundanz)

Istzustand: Umluftkühlung

Beispiel eines kleinen Serverraumes

ITKlimageräte

Abluft

Splitgeräte - Kühlsystem


Außenteile einerSplitgeräte - 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 ….

Umluftkühlung

► Splitgerätekühlsystem ► auch „Komfortkühlsystem“ genannt

eigentlich für Büroräume entwickelt

Diese Geräte laufen auch im Winter- wenn auch manchmal nur intermittierend [Ein – Aus]


Weltweit häufigste Kühlart:

Nutzung der zumeist kühlen Außenluft

Außenluft –Temperatur TAbsolute

Feuchte X

Häufigkeit der Paarung T→ / X↓ [h/a]

r.H. = 100%

relative Feuchte

T Zuluft = 20oC

Energiespargrundlage: Das „Klimagebirge“

Riesiges Kühlpotential der Außenluft


Übliche Kühlung eines IT- Raumes per Umluftkühlung

Strombedarf = hoch ► Aufwand für Ventilator und vorwiegend durch die Kältemaschine

Kühlenergiekommt von einer

KältemaschineVentilator

Raum wird mit der

wieder verwendeten (gekühlten) Abluft = also per Umluft

gekühlt

Abluft

Zuluft U

mlu

ft

Luftkühler

Luftumwälzung

20oC

30oC


∆t = 10 K

Kühlung eines IT- Raumes per indirekter freier Kühlung (Umluftkühlung)

Ventilator

Raum wird mit der

wieder verwendeten (gekühlten) Abluft

= also per Umluft

gekühlt

Abluft

Zuluft U

mlu

ft

Luftkühler

Strombedarf ca. 60% gegenüber einer reinen Umluftkühlung per Kältemaschine

► Aufwand entsteht durch Ventilator, Pumpen; jedoch vorwiegend durch die Kältemaschine

20oC

30oC

Luftumwälzung


Kühlenergie kommt von einem

Freecooler

Pumpe

oder von der

Kältemaschine

∆t = 10 K

Kühlung eines IT- Raumes per direkter freier Kühlung

Kühle Luft rein – warme Luft raus

Ventilator

Außenluft

Raum wird mit einem

variablem Teil von Außenluft, - gemischt mit

warmer Umluft -

gekühlt

Abluft

Zuluft

Fortluft

Um

luft

18oC

32oC

Ventilator

Strombedarf < 8% gegenüber einer Umluftkühlung per Kältemaschine

► Aufwand entsteht nur durch die Ventilatoren (Fortluft ganz gering!)

Kühlenergie

= Außenluft


∆t = 14 K


Die direkte freie Kühlung isteine Umsetzung der

Fensterlüftung

mithilfe von Ventilatoren zur gezielten und mengenregulierbarenLuftförderung 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.

Häufigkeiten Indirekte freie Kühlung [Werte für Frankfurt/Main]

T Zuluft = 20oC T Abluft = 32oC

Indirekte Nutzung der Außenluft

an ca. 4.307 h/a[49,1%]

13,4oC

Kältemaschinennutzung an 4.457 h/a = 50,9 % /a

T Abluft = 32oCUmluftkühlung

∆t = 12 K


Häufigkeiten Direkte freie Kühlung [Werte für Frankfurt/Main]

Direkte Nutzung der Außenluft

an ca. 7.466 h/a[85,2%]

T Zuluft = 20oC T Abluft = 32oC

∆t = 12 K

Kältemaschinennutzung an 1.298 h/a = 14,8 % / a

19oC

T Abluft = 32oCVerdrängungsluftkühlung


Umluftkühlung

Direkte Freie Kühlung

Faktor ca. 1 : 5 bis 1 : 10

AUL

Einsparmöglichkeit bei Direkter Freier Kühlung ohne Be- und Entfeuchtung; z.B. bei Telekom Vermittlungsstellen

Stromverbrauch kWh/a pro Grad C Außenluft

A

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199

3



Weiterer Vorteil

Ventilator

Außenluft

Raum wird mit einem

variablem Teil von Außenluft

gekühlt

Abluft

Zuluft

Um

luft

Ventilator

20oC

≥ 32oC

Kühle Luft rein – warme Luft raus

Nutzung der „Abwärme“ in Nebenräumen


1. Bei einer üblichen indirekten freien Kühlung wird mittels „Freecooler“ (z.B. aufdem 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 unterstützendemaschinelle Kühlung stattfinden; beispielsweise bei einer Zulufttemperatur von 20oCüber 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 24oC) 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.

Vorteile der Außenluftnutzung

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 …


angestrebteRaumkonditionen:Zuluft bis Abluft

Bei Rechenzentren gibt es häufig ► Forderungen an die Raumluftfeuchte ◄

direkte freie Kühlung

20oC

hier ist die Außenluft viel zu trocken

hier ist die Außenluft zu feucht


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).

2. Die doppelte freie Kühlung

Beachtung der Raumluftfeuchte

z.B. von Fa. Hoval, Munters, Menerga - aber nur bei sehr großen Räumen wirtschaftlich -

Derzeit nur von Fa. Huber und Ranner - aber nur bei großen Räumen wirtschaftlich -


Beispiel für doppelte freie Kühlung (großer Raum)

Zuluft – ohne Doppelboden

Delta tIT-Case

Abluft

Außenluft

FortluftLängsschnitt durch einen IT - Raum

z.B.: IT-CaseEnergiesparkompaktgerät

Zuluft

AbluftFortluft Außenluft

IT - Gestelle

Siehe: www.future-thinking.deDeutscher Rechenzentrumspreis 2014Kategorie 7 - 3. Preis an ECL / Huber & Ranner

Zuluft – ohne Doppelboden


http://www.future-thinking.de/

Querschnitt durch einen IT - Raum

Ansaugluft für die Server

IT

mit Innenlüfter

„Warmbereich“

Hier entsteht die Wärme, die von den Servern- über ihre Lüfter - abgegeben wird.

Umluftkühlgerät

Nachteil: Mischung von warmer mit kalter Luft

Abluft

Zuluft

„Kaltbereich“

Luftströmungen im Serverraum

10oC28oC

18oC


Zuluft = 10oC

Umluftkühlung

Eines von vielen schlechten Beispielen

„mitgerissene“ warme Luft

Damit stark erhöhte Kälteleistung und hoher Stromverbrauch ► hohe Betriebskosten ◄

28oC

Es entsteht eine unnötige Entfeuchtung ►►►sog. latente Kühlung ◄◄◄


Nutzung von Warm – und Kaltzonen

IT

mit Innenlüfter

Kaltbereich

Hier wird die kalte Luft eingeführt


WarmbereichAus dieser Zone wird die warme Luft abgesaugt und

● Entweder gekühlt und als Umluft (Zuluft) wieder verwendet

● oder als Fortluft abgeführt

Nutzung von Warm- und Kaltzone

Umluftkühlgerät

1. Verbesserungsvorschlag Abschottung

Kanal16oC30oC

20oC


Klimagerätjetzt hier als:

Präzisions-klimagerät

Nutzung von Warm- und Kaltzone bei Umluftkühlung (auch bei indirekter freier Kühlung)

IT

mit Innenlüfter

Warmbereich

Kalt-bereich


2. Verbesserungsvorschlag

20oC

30oC


Fortluft Ins Freie oder in NebenräumeIT

mit Innenlüfter

Warmbereich

Kalt-bereich

Klimagerät


Nutzung von Warm- und Kaltzone bei direkter freier Kühlung


18oC

32oC


Die für große Serverräume (Rechenzentren) entwickelte Kühltechnik

mit doppelter freier Kühlung und Teilstrombildung wird abgewandelt

nun auch in kleinen Räumen genutzt

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]

Kombinationskühlsystem von ECL [für kleine Serverräume]

4. Verbesserungsvorschlag [Hauptvorschlag]



IT

mit InnenlüfterWarm-

bereich

Kalt-bereich

Fortluft ins Freie oder in Nebenräume

RLT-Zusatzgerät

Klimagerät

Nutzung von Warm - und Kaltzone beim Kombinationskühlsystem ECL


RLT-Zusatzgerät

18oC

32oC


Grundriss

RLT-Gerät neu System ECL

Außenluft von oben

Fortluft ca. 55 bis 75 cmoben weg

unten

U S V

4 1 2 3 5

Umluftgerät 1 Bestand

Umluftgerät 2 Bestand

Abluft

Nutzung von Warm - und Kaltzone beim Kombinationskühlsystem ECL

Kaltzonen

Warmgang schaffen:



RLT-Zusatzgerät [ein Beispiel für Kühllast von 8 kW]

RLT-Gerät incl.fernbedienbarer

Schaltschrank

ca. 2,35 m

ca. 2,35 m

Gerätetiefe ca. 55 cm

Zuluft

Fortluft

Außenluft

Abluft


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 !

Doppelte Freie Kühlung mit Teilstrombildung


3 Kühlarten beim Kombinationskühlsystem von ECL

Kältemaschinennutzung vorhandene Umluftkühlgeräte an 535 h/a ~ 6 % / a


Nutzung der Außenluft an ca. 8.230 h/a

[94%]


Häufigkeiten der Paarung von Temperatur und absoluter Feuchte der Außenluft pro Jahr - gem. DIN 4710

Doppelte freie Kühlung an ca. 8.230 h/a Rest: Umluftkühlung

Behandlungsfelder der Außenluft beim Kombinationskühlsystem von ECL

Außenluft in h/a z.B. in Frankfurt t ↑ / x→

6 Behandlungsfelder – 3 Kühlarten


Kältemaschinennutzung vorhandene Umluftkühlgeräte an 535 h/a ~ 6 % / a

Nutzung der Außenluft an ca. 8.230 h/a

[94%]


Die Teilstrombildung im RLT-Zusatzgerät


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


21oC

28oC

Kühler

14oC

28oC

Teilluftstrom 50 bis 100%

Teilluftstrom 50 bis 0%

Mehrfachnutzung der Außenluft

► Doppelte Freikühlung

Energieeinsparpotentiale beim Kombinationskühlsystem von ECL

Zumeist Nutzung der

direkten freien Kühlung

Luftwechsel reicht zur Raumkühlung aus►kleine Ventilatorantriebsleistungen = geringer Strombedarf ◄

Hohe Temperaturdifferenz ∆t = T Abluft minus T Zuluft

► kleiner Kühlluftstrom

Nutzung der Teilstrombildung

► Luftwiderstandsreduktion im Gerät

Reduzierte Kühllasten wirken sich in 3.Potenz bei der Ventilatorleistung aus

Kältemaschinenbetrieb ganz selten

Somit entstehen häufig ganz kleineVolumenströme (Kühlluftmengen) ►kleine Ventilatorleistungen ◄


geeignet für Außenluftemperaturenvon +18 bis + 45oC

Außengerät 1reines Kühlgerät

(Kondensator und Verdichter)

Ganzjahresnutzung Verdampfer wird nur im Sommer bei

hohen Außentemperaturen genutzt

ggf. über die Fortluft Beheizung weiterer Räume

bei direkter freier Kühlung

RLT- Zusatzgerätfür den Serverraum

- System ECL -

Jetzt mit Direktverdampfer

Diverse Heizgeräte als Decken- oder Wandgeräte (Kondensatoren) als Ergänzung zu bestehenden Heizsystemen gedacht. - ggf. per Kondensator sogar WW-Erzeugung denkbar -

BWinter-

betriebszeit

RedundanzfallBetriebssicherheit

Außengerät 2reversible Wärmepumpe

(Kondensator / Verdampferund Verdichter)

Umluftgerät für Serverraum

z.B. Deckengerät

umschaltbar auf A oder B

ASommer-

betriebszeit

geeignet für Außenluftemperaturenvon -15 bis + 45oC

Zusatzvorschlag von ECL: Multifunktionskühlsystem für Neubauten


Istzustand

Umluftkühlsystem(Splitgerätesystem)

Altbestand

Kombinationssystem ECL

100 %

10 %

Reduktion von - Strom- Betriebskosten- CO2 - Emissionen

Energieeinsparpotential beim Kombinationskühlsystem von ECL


Nachhaltigkeitsgedanke beim Kombinationskühlsystem von ECL


Investitionskosten- Energieberatung- Nebenkosten für Ausführungsplanung, Bauleitung- Zusatzteile für Serverraum (Nutzungszeit 20 Jahre

z. B.40.000

Euro

Zuschüsse für- Energieberatung – Erstberatung- Energieberatung – Systemberatung (für mind. 2 Gewerke)- Umbau/Ergänzung Klimatechnik

z. B.12.600

Euro

Kapital-aufwand27.400

Euro

Stromkosten Istzustand

ca.7.900 Euro

Stromkosten Sollzustandca. 800 Euro

Einsparung pro Jahr

ca. 7.100 Euro

Bei Strompreis von 20 Ct/kWh (Gesamtpreis!)

Durch Geld ausgeben viel Geld sparen

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 !

http://www.bafa.de/bafa/de/energie/querschnittstechnologien/index.html/Siehe: http://www.datacenter-insider.de/rechenzentrum/klimatechnik/articles/458763/

Weiter Informationen zu kleinen Serverräumen siehe Sonderdruck von Data-Center-Insider von 2014(Verlag: Vogel Business Media) → „Vom umgebauten Abstellraum zum Hochleistungs-Datacenter“


http://www.bafa.de/bafa/de/energie/querschnittstechnologien/index.html

http://www.datacenter-insider.de/rechenzentrum/klimatechnik/articles/458763/

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