Modul 7 F reie Kühlung und Abwärmenutzung

1. Modul 7Freie Kühlung und Abwärmenutzung Version 1.022. September 2011

2. Freie Kühlung, freie Luftkühlung, freie Flüssigkühlung Freie Kühlung und geographische Voraussetzungen

3. Freie Kühlung • "Freie Kühlung" ist eine Technik, mit der die Kühlung durch Ausnutzen von niedrigeren Außentemperaturen von Luft/Wasser, verglichen mit den Innentemperaturen, gewährleistet wird; • Je niedriger die durchschnittlichen Außentemperaturen, desto besser sind die Möglichkeiten für freie Kühlung und Effizienzsteigerungen • Die Strategie der freien Kühlung bietet grundsätzlich zwei Möglichkeiten, die keiner Kühltechnik bedürfen: • Kühlung mit Umgebungsluft; • Kühlung mit Wasser auf Umgebungstemperatur.

4. Freie Luftkühlung • Das Potenzial von "freier Luftkühlung" wird von einigen Autoren höher eingeschätzt, da Luft unbegrenzt und bei höheren Temperaturen verfügbar ist; • Andere Autoren wiederum weisen darauf hin, dass "freie Luftkühlung" mit Vorsicht angewendet werden sollte; • Es wird nicht empfohlen, Standard-Economizer zu nutzen ohne die Klimabedingungen vor Ort zu analysieren (Temperatur- und Feuchtigkeitsfluktuation) und mögliche Schadstoffe in der Luft; • Allerdings wird die Verwendung von wasserbasierten Wärmetauschern (Wasser/Luft) für Klimabedingungen, bei denen die Kühlgrenztemperatur für etwa 3000 Stunden pro Jahr unter 13 °C liegt, grundsätzlich empfohlen.

5. Freie Flüssigkühlung • Freie Flüssigkühlung ist mit einem Wärmetauscher-System verbunden; • Der Kompressor wird über einen Flüssigkreislauf mit einem externen Wärmetauscher gekühlt; • Ein zusätzlicher Wärmetauscher ist an einen Verdunster angeschlossen, der ebenfalls mit dem Flüssigkreislauf verbunden ist; • Die Anlage kann als Standard-Kühlsystem oder, bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen, als freie Kühlung betrieben werden; • Kombinierte Kühlung mit freier Kühlung und Kompressorkühlung ist möglich.

6. Geographische Voraussetzungen für freie Kühlung Quelle: http://cooling.thegreengrid.org/europe/WEB_APP/calc_index_EU.html

7. Geographische Voraussetzungen für freie Kühlung Quelle: http://cooling.thegreengrid.org/europe/WEB_APP/calc_index_EU.html

8. Freie Luftkühlung • Direkte Verwendung von Frischluft wenn die Außentemperaturen unter einem definierten Niveau liegen • Ein Rezirkulationssystem wird eingesetzt, um die Außenluft zu vermischen und diese zu konditionieren • Die Außenluft muss analysiert und konditioniert werden (z. B. gefiltert), da Luftverschmutzung, Feuchtigkeit und Kondensation problematisch für die IT-Ausstattung wären. HP Ventilator für freie Luftkühlung in Rechenzentren Quelle: www.datacenterknowledge.com

9. Freie Luftkühlung HP freie Luftkühlung, aus: Cooling strategies for IT equipment - HP

10. Freie LuftkühlungSchadstoffkonzentration • Die Abbildung zeigt eine Karte der Schadstoffkonzentrationen für Europa 2008; • Die Schadstoffkonzentration wird mancherorts als Hindernis für die Verwendung von freier Luftkühlung gesehen: Einsatz und Wartung von Filtern sind häufig unumgänglich;

11. Freie Wasserkühlung (direkte Verwendung von Wasser) Indirekte freie Kühlung unter direkter Verwendung von wasserbasierten Economizern Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

12. Freie Wasserkühlung (direkte Verwendung von Wasser) • Freie Wasserkühlung nutzt die Außenluft für die direkte Kühlung der Kühlflüssigkeit • Üblicherweise sind Kühltürme bei diesem Ansatz das Hauptelement; • Ein zusätzlicher Wärmetauscher / Rückkühler ist direkt oder indirekt angeschlossen • Der Ansatz erfordert häufig direkte on-board oder Rack-Kühlung. Dabei erlauben höhere Temperaturen der Flüssigkeiten und ein kleineres Delta T große Einsparungen, da in den meisten Fällen die Kühlaggregate nicht benötigt werden; • In einem direkten System zirkuliert Kondensatorwasser direkt durch die Kühlschlange. Die am weitesten verbreiteten Systeme mit direkten Wasser-Economizern nutzen unabhängige Kühlschlangen innerhalb der CRAC-Einheit, um eine Kühlung aus einer der beiden Quellen zu gewährleisten (freie Kühlung oder DX-Kühlung).

13. Freie Wasserkühlung (indirekte Verwendung von Wasser) Indirekte Freie Kühlung unter indirekter Verwendung von wasserbasierten Economizern und einem Wärmetauscher Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

14. Freie Wasserkühlung (indirekte Verwendung von Wasser) • In einem indirekten System wird ein Wärmetauscher hinzugefügt um die Kondenswasser- und Kühlwasserkreisläufe zu trennen; • Dieses System wird häufig in Verbindung mit wassergekühlten Kühlaggregaten eingesetzt; • Zusätzliche Energie wird genutzt um das Wasser durch den Wärmetauscher zu pumpen.

15. Abwärmenutzung

16. Abwärmenutzung • Auch wenn die Abwärme eines Rechenzentrums im Vergleich mit anderen Industrieprozessen niedrige Temperaturen aufweist (Lufttemperatur: Maximal 40-45 °C ), ist der Einsatz von Wärmerückgewinnung möglich und maximiert die Effizienz des gesamten Systems; • Abhängig von der installierten Kühlleistung ist es möglich, die Abwärme aus der Wasserkühlung zum Vorwärmen von anderen Medien zu nutzen (Wasser für Büroheizungssysteme oder Sanitärwasser, Wärmepumpensystem); • Wenn kein externer Bedarf erschlossen werden kann, kann ein Wärmesystem auch für das Rechenzentrum selbst eingesetzt werden, wobei die Abwärme aus den Kühlaggregaten mit einer Absorptionskältemaschine kombiniertwird.

17. Abwärmenutzung Intel advanced heat recovery system (Quelle: Intel)

18. Ansätze für modulare Kühlung Technologie für Wasserkühlung von Serverinstallationen hoher Dichte Aus dem HP Modular-Kühlssystem

19. Ansätze für modulare Kühlung • Nach der letzten Entwicklung des modularen Ansatzes für IT und Stromversorgung werden modulare Kühlkonzepte häufig bei der Sanierung von Rechenzentren eingesetzt; • In bestehenden Rechenzentren kombiniert die Kühlung verschiedene Techniken, wie rack-basierte und luftbasierte Kühlung; • Das modulare System: • Hotspots verhindern (Rack mit einheitlichen Temperaturgradienten); • Ermöglicht hohe Dichte (bis zu 35 kW / rack) – mit kleinem Fußabdruck; • die geforderten Umweltbedingungen strikt einhalten (Präzisionskühlung). • Die Technologie kann eingesetzt werden, um den Bedarf an zusätzlichen Kühlsystemen bei der Sanierung von Rechenzentren zu eliminieren und ermöglicht eine höhere spezifische Last pro Rack.

20. Einsatz von Wärmespeichern • Wärmespeicher können in das Kühlsystem integriert werden, um mit besonderen Bedingungen umgehen zu können (Spitzenlasten, Unterbrechungen), den Energieverbrauch zu senken und zusätzliche Kühlaggregate zu eliminieren. Quelle: Intel

21. Einsatz von Wärmespeichern • Ein Wärmespeichersystem ermöglicht die Eliminierung eines zusätzlichen Kühlaggregats. Es wird üblicherweise so dimensioniert, dass die Spitzenlasten genau abgedeckt werden und gestattet dem Aggregat zu funktionieren, wenn die Außentemperatur niedrig ist, und zwar mit einem höheren COP. Kältespeicherung kann für einen begrenzten Betriebszeitraum zur Verfügung gestellt werden, z. B. im Falle eines Systemversagens; • Mit dem Konzept lassen sich Energieverbrauch reduzieren und Systemredundanz und –verlässlichkeit erhöhen. Für gewöhnlich wird Wasser als Flüssigkeit verwendet. In manchen Fällen kommen Systeme mit Aggregatzustandswechseln zum Einsatz, mit Eis oder anderem Material, das seinen Zustand bei höheren oder niedrigeren Temperaturen ändert; • Speichersysteme erfordern höhere Investitionskosten und Platz-verfügbarkeit, aber führen auch zu niedrigeren Betriebskosten. Ein thermales Speicherkonzept kann im Kühlsystem des Rechenzentrums auch zur Abwärmenutzung genutzt werden (für Heizung oder Wärmepumpe).

22. Best Practice Beispiele und Erfahrungen Video zur freien Kühlung des Intel IT-Rechenzentrums

23. Video zur freien Kühlung des Intel IT-Rechenzentrums • Video zur freien Kühlung des Intel IT-Rechenzentrums (5 Minuten) • http://www.youtube.com/watch?v=SRn_xW7VtWc

24. Reduzierung der Rechenzentrumskosten mit einem Luft-Economizer (Quelle: Intel) Der Gesamtenergieverbrauch des Trailers lag ungefähr bei 500 Kilowatt (KW), bei laufender Klimatisierung in beiden Abteilen. Mit dem Economizer wurde die DX-Kühllast in dem Economizer-Abteil von 111,78 KW auf 28,6 KW verringert, was einer Einsparung von 74% entspricht.

25. Reduzierung der Rechenzentrumskosten mit einem Luft-Economizer Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsunterschiede im Fach des Luft-Economizers von Januar bis Mai 2008 (Quelle: Intel)

26. Diskussion Fragen im Zusammenhang mit dem Modul

27. Fragen/Diskussion im Zusammenhang mit dem Modul • Denken Sie, dass in Ihrer Stadt "freie Kühlung" eine gute Maßnahme zur Steigerung der Energieeffizienz ist, die berücksichtigt werden sollte? • Was ist ihrer Meinung nach die adäquatere Lösung – Luft- oder Flüssigkühlung? • Warum fallen im indirekten Modus höhere Betriebskosten an?

28. Literaturempfehlungen Weißbücher Internet-Veröffentlichungen Sonstiges

29. Literaturempfehlungen • Abwärmenutzung im Rechenzentrum hilft Intel dabei eine grüne Anlage zu schaffen • www.intel.com/it/pdf/Data-Center-Heat-Recovery.pdf • Europäisches Tool für freie Kühlung (The Green Grid) • http://www.thegreengrid.org/en/Global/Content/Tools/EuropeanFreeCoolingTool • Reduzieren der Rechenzentrumskosten mit einem Luft-Economizer • http://www.intel.com/content/www/us/en/data-center-efficiency/data-center-efficiency-xeon-reducing-data-center-cost-with-air-economizer-brief.html • Freie Kühlung mit Economizer-Lösungen für Rechenzentren • http://www.42u.com/cooling/economizers/economizers.htm