Stromkosten sparen und die Energieeffizienz in kleinen Serverräumen steigern

1. Stromkosten sparenund die Energieeffizienzin kleinen Serverräumen steigern Vortrag von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. (FH) am 11.11.2014 bei IT2Industry Conference auf der electronica Fachmesse in München Energie.Controlling.Loose – ECL D 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

2. Vortragsinhalt 1. Istzustand: Hoher Energiebedarf für Kühlung bei IT-Räumen►►►► Hohe Betriebskosten ◄◄◄◄ 2. Das Kühlpotential der Außenluft → freie Kühlung 3. Unterschied Indirekte freie Kühlung ◄► direktefreie Kühlung 4. Anforderungen an die Raumluftfeuchte ? 5. Warmzone (Warmgang) – Kaltzone (Kaltgang) 6. Verbesserungsvorschläge für kleine Serverräume 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

3. Klimatechnik verursacht hohen Strombedarf → hohe Stromkosten [sehr viel CO2-Emissionen] Benötigter Strombedarf - Gesamtenergie im Serverraum (oder RZ) 100% ! Beleuchtung USV IT selbst Klima Altbestand Altbestand 30% 45% 7% 18% Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 3

4. Istzustand: Umluftkühlung Splitgeräte - Kühlsystem Zuluft Zuluft (Redundanz) Abluft IT Klimageräte Beispiel eines kleinen Serverraumes Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 4

5. Umluftkühlung ► Splitgerätekühlsystem ► auch „Komfortkühlsystem“ genannt eigentlich für Büroräume entwickelt Weltweit häufigste Kühlart: Außenteile einer Splitgeräte - 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 …. • Diese Geräte laufen auch im Winter • wenn auch manchmal • nur intermittierend [Ein – Aus] Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 5

6. Nutzung der zumeist kühlen Außenluft Energiespargrundlage: Das „Klimagebirge“ T Zuluft = 20oC Häufigkeit der Paarung T→ / X↓ [h/a] Außenluft –Temperatur T Absolute Feuchte X Riesiges Kühlpotential der Außenluft r.H. = 100% relative Feuchte Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 6

7. Übliche Kühlung eines IT- Raumes per Umluftkühlung Raum wird mit der wieder verwendeten (gekühlten) Abluft = also per Umluft gekühlt Abluft 30oC Luftkühler ∆t = 10 K Umluft Zuluft 20oC Kühlenergie kommt von einer Kältemaschine Ventilator Luftumwälzung Strombedarf = hoch ► Aufwand für Ventilator und vorwiegend durch die Kältemaschine Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 7

8. Kühlung eines IT- Raumes per indirekter freier Kühlung (Umluftkühlung) Raum wird mit der wieder verwendeten (gekühlten) Abluft = also per Umluft gekühlt 30oC Abluft Pumpe Luftkühler ∆t = 10 K Umluft 20oC Zuluft Kühlenergie kommt von einemFreecooler oder von der Kältemaschine Ventilator Luftumwälzung Strombedarf ca. 60% gegenüber einer reinen Umluftkühlung per Kältemaschine ► Aufwand entsteht durch Ventilator, Pumpen; jedoch vorwiegend durch die Kältemaschine Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 8

9. Kühlung eines IT- Raumes per direkter freier Kühlung Ventilator Raum wird mit einem variablem Teil von Außenluft, - gemischt mit warmer Umluft - gekühlt Fortluft Abluft 32oC ∆t = 14 K Umluft Zuluft 18oC Außenluft Kühlenergie = Außenluft Ventilator Kühle Luft rein – warme Luft raus Strombedarf < 8% gegenüber einer Umluftkühlung per Kältemaschine ► Aufwand entsteht nur durch die Ventilatoren(Fortluft ganz gering!) Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 9

10. Kühlung eines IT- Raumes per direkter freier Kühlung Die direkte freie Kühlung ist eine Umsetzung der Fensterlüftung mithilfe von Ventilatoren zur gezielten und mengenregulierbaren Luftförderung 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. Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 10

11. HäufigkeitenIndirektefreie Kühlung [Werte für Frankfurt/Main] T Zuluft = 20oC T Abluft = 32oC T Abluft = 32oC Umluftkühlung ∆t = 12 K 13,4oC Indirekte Nutzung der Außenluft an ca. 4.307 h/a [49,1%] Kältemaschinennutzung an 4.457 h/a = 50,9 % /a Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 11

12. HäufigkeitenDirekte freie Kühlung [Werte für Frankfurt/Main] T Zuluft = 20oC T Abluft = 32oC T Abluft = 32oC Verdrängungsluftkühlung ∆t = 12 K 19oC Direkte Nutzung der Außenluft an ca. 7.466 h/a [85,2%] Kältemaschinennutzung an 1.298 h/a = 14,8 % / a Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 12

13. Einsparmöglichkeit bei Direkter Freier Kühlung ohne Be- und Entfeuchtung; z.B. bei Telekom Vermittlungsstellen Umluftkühlung Faktor ca. 1 : 5 bis 1 : 10 Direkte Freie Kühlung Stromverbrauch kWh/a pro Grad C Außenluft Auszug aus Fachbuch: „Innovationen für Raumkühlung“ von Jürgen Loose – 1993 AUL Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 13

14. Kühlung eines IT- Raumes per direkter freier Kühlung Weiterer Vorteil Nutzung der „Abwärme“ in Nebenräumen Ventilator Raum wird mit einem variablem Teil von Außenluft gekühlt Abluft ≥ 32oC Umluft Außenluft Zuluft 20oC Ventilator Kühle Luft rein – warme Luft raus Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 14

15. 1. Bei einer üblichen indirekten freien Kühlung wird mittels „Freecooler“ (z.B. auf dem 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 unterstützende maschinelle Kühlung stattfinden; beispielsweise bei einer Zulufttemperatur von 20oC über 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 direktenfreien Kühlung wesentlich seltener eine maschinelle Kühlung benötigt wirdals 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 erlaubtehöhere 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 … Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 15

16. Bei Rechenzentren gibt es häufig ► Forderungen an die Raumluftfeuchte ◄ 20oC angestrebte Raumkonditionen: Zuluft bis Abluft direkte freie Kühlung hier ist die Außenluft viel zu trocken hier ist die Außenluft zu feucht Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 16

17. Beachtung der Raumluftfeuchte 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 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 - Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 17

18. Beispiel für doppelte freie Kühlung (großer Raum) Abluft Fortluft Außenluft Siehe: www.future-thinking.de Deutscher Rechenzentrumspreis 2014 Kategorie 7 - 3. Preis an ECL / Huber & Ranner Zuluft Fortluft Längsschnitt durch einen IT - Raum Energiesparkompaktgerät Delta t Abluft IT-Case IT - Gestelle Außenluft Zuluft – ohne Doppelboden Zuluft – ohne Doppelboden z.B.: IT-Case Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 18

19. Luftströmungen im Serverraum Nachteil: Mischung von warmer mit kalter Luft Zuluft Ansaugluft für die Server 10oC 28oC Umluftkühlgerät IT mit Innenlüfter Abluft Hier entsteht die Wärme, die von den Servern - über ihre Lüfter - abgegeben wird. „Kaltbereich“ „Warmbereich“ 18oC Querschnitt durch einen IT - Raum Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 19

20. Umluftkühlung Es entsteht eine unnötige Entfeuchtung►►►sog. latente Kühlung ◄◄◄ Zuluft = 10oC „mitgerissene“ warme Luft 28oC Damit stark erhöhte Kälteleistung und hoher Stromverbrauch ► hohe Betriebskosten ◄ Eines von vielen schlechten Beispielen Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 20

21. Nutzung von Warm – und Kaltzonen Nutzung von Warm- und Kaltzone 1. Verbesserungsvorschlag Abschottung Kaltbereich Hier wird die kalte Luft eingeführt Umluftkühlgerät 30oC 16oC Warmbereich IT mit Innenlüfter Aus dieser Zone wird die warme Luft abgesaugt und ● Entweder gekühlt und als Umluft (Zuluft) wieder verwendet ● oder als Fortluft abgeführt 20oC Kanal Querschnitt durch einen IT - Raum Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 21

22. Nutzung von Warm- und Kaltzone bei Umluftkühlung (auch bei indirekter freier Kühlung) 2. Verbesserungsvorschlag 30oC Warmbereich IT mit Innenlüfter Kalt- bereich Klimagerät jetzt hier als: Präzisions- klimagerät 20oC Querschnitt durch einen IT - Raum Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 22

23. Nutzung von Warm- und Kaltzone bei direkter freier Kühlung 3. Verbesserungsvorschlag 32oC Warmbereich IT mit Innenlüfter Fortluft Ins Freie oder in Nebenräume Kalt- bereich Klimagerät 18oC Querschnitt durch einen IT - Raum Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 23

24. Kombinationskühlsystem von ECL [für kleine Serverräume] Die für große Serverräume (Rechenzentren) entwickelte Kühltechnik mit doppelter freier Kühlung und Teilstrombildung wird abgewandelt nun auch in kleinen Räumen genutzt 4. Verbesserungsvorschlag [Hauptvorschlag] Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 24

25. Kombinationskühlsystem von ECL [für kleine Serverräume] 4. Verbesserungsvorschlag [Hauptvorschlag] Um die gewünschten Raumfeuchtebedingungeneinzuhalten, 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] Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 25

26. Nutzung von Warm - und Kaltzone beim Kombinationskühlsystem ECL 4. Verbesserungsvorschlag 32oC Klimagerät IT mit Innenlüfter Fortluft ins Freie oder in Nebenräume Kalt- bereich RLT-Zusatzgerät Warm- bereich RLT-Zusatzgerät 18oC Querschnitt durch einen IT - Raum Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 26

27. Nutzung von Warm - und Kaltzone beim Kombinationskühlsystem ECL 4 2 1 3 5 Umluftgerät 1 Bestand Umluftgerät 2Bestand 4. Verbesserungsvorschlag Fortluft RLT-Gerät neu System ECL oben weg ca. 55 bis 75 cm Kaltzonen unten Außenluft von oben U S V Abluft Grundriss Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 27 Warmgangschaffen:

28. RLT-Zusatzgerät [ein Beispiel für Kühllast von 8 kW] 4. Verbesserungsvorschlag Abluft Doppelte Freie Kühlung mit Teilstrombildung Fortluft RLT-Gerät incl. fernbedienbarer Schaltschrank ca. 2,35 m Außenluft Gerätetiefe ca. 55 cm Zuluft 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 ! ca. 2,35 m Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 28

29. 3 Kühlarten beim Kombinationskühlsystem von ECL 4. Verbesserungsvorschlag Kältemaschinennutzung vorhandene Umluftkühlgeräte an 535 h/a ~ 6 % / a Nutzung der Außenluft an ca. 8.230 h/a [94%] Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 29

30. Behandlungsfelder der Außenluft beim Kombinationskühlsystem von ECL Häufigkeiten der Paarung von Temperatur und absoluter Feuchte der Außenluft pro Jahr - gem. DIN 4710 6 Behandlungsfelder – 3 Kühlarten 4. Verbesserungsvorschlag Kältemaschinennutzung vorhandene Umluftkühlgeräte an 535 h/a ~ 6 % / a Doppelte freie Kühlung an ca. 8.230 h/a Rest: Umluftkühlung Nutzung der Außenluft an ca. 8.230 h/a [94%] Außenluft in h/a z.B. in Frankfurt t ↑ / x→ Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 30

31. Die Teilstrombildung im RLT-Zusatzgerät 5. Verbesserungsvorschlag Teilluftstrom 50 bis 0% 21oC 28oC 28oC Kühler 14oC Teilluftstrom 50 bis 100% 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 Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 31

32. Energieeinsparpotentiale beim Kombinationskühlsystem von ECL Mehrfachnutzung der Außenluft ► Doppelte Freikühlung Zumeist Nutzung der direkten freien Kühlung Somit entstehen häufig ganz kleineVolumenströme (Kühlluftmengen) ►kleine Ventilatorleistungen◄ Hohe Temperaturdifferenz ∆t= T Abluft minus T Zuluft ► kleiner Kühlluftstrom Kältemaschinenbetrieb ganz selten Nutzung der Teilstrombildung ► Luftwiderstandsreduktion im Gerät Reduzierte Kühllasten wirken sich in 3.Potenz bei der Ventilatorleistung aus Luftwechsel reicht zur Raumkühlung aus ►kleine Ventilatorantriebsleistungen = geringer Strombedarf ◄ Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 32

33. Zusatzvorschlag von ECL: Multifunktionskühlsystem für Neubauten RLT- Zusatzgerätfür den Serverraum - System ECL - Jetzt mit Direktverdampfer Außengerät 1 reines Kühlgerät (Kondensator und Verdichter) Außengerät 2 reversible Wärmepumpe (Kondensator / Verdampferund Verdichter) geeignet für Außenluftemperaturenvon -15 bis + 45oC geeignet für Außenluftemperaturenvon +18 bis + 45oC umschaltbarauf A oder B ASommer-betriebszeit Umluftgerätfür Serverraum z.B. Deckengerät BWinter-betriebszeit Ganzjahresnutzung Verdampfer wird nur im Sommer bei hohen Außentemperaturen genutzt ggf. über die Fortluft Beheizung weiterer Räume bei direkter freier Kühlung Diverse Heizgeräte als Decken- oder Wandgeräte (Kondensatoren) • als Ergänzung zu bestehenden Heizsystemen gedacht. • - ggf. per Kondensator sogar WW-Erzeugung denkbar - RedundanzfallBetriebssicherheit Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 33

34. Energieeinsparpotential beim Kombinationskühlsystem von ECL 100 % • Reduktion von • Strom • Betriebskosten • CO2 - Emissionen Istzustand Umluftkühlsystem (Splitgerätesystem) Altbestand 10 % Kombinationssystem ECL Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 34

35. Nachhaltigkeitsgedanke beim Kombinationskühlsystem von ECL Durch Geld ausgeben viel Geld sparen • Investitionskosten • Energieberatung • Nebenkosten für Ausführungsplanung, Bauleitung • Zusatzteile für Serverraum • (Nutzungszeit 20 Jahre z. B. 40.000 Euro Kapital-aufwand 27.400 Euro • Zuschüsse für • Energieberatung – Erstberatung • Energieberatung – Systemberatung (für mind. 2 Gewerke) • Umbau/Ergänzung Klimatechnik z. B. 12.600 Euro Einsparung pro Jahr ca. 7.100 Euro Stromkosten Istzustand ca.7.900 Euro Stromkosten Sollzustand ca. 800 Euro Bei Strompreis von 20 Ct/kWh (Gesamtpreis!) Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 35

36. 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“ Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 36