Modul 6 Gestaltung von energieeffizienten Kühlsystemen

1. Modul 6Gestaltung von energieeffizienten Kühlsystemen Version 1.022. September 2011

2. Grundlegende Herausforderungen und Kühlmöglichkeiten für zentrale IT

3. Entwicklung der Kühllast von IT-Systemen Aufschlüsselung zur Entwicklung der Wärmelasten von IT-Geräten. Quelle: [ASHR2005]

4. Adäquate Ausgestaltung des Kühlsystems • Die Auswahl der passenden Ausführung für ein bestimmtes Kühlsystem wird beeinflusst durch • bestehende Anlageninfrastruktur; • Gesamtleistungsaufnahme der Installation; • geographische Lage; • physikalische Beschränkungen durch das Gebäude(Form, Größe, Ausrichtung, Zugänglichkeit)

5. Adäquate Ausgestaltung des Kühlsystems • Die typischen Möglichkeiten für die Ausgestaltung von Kühlsystemen sind direkt von der klassischen Raumkühlung abgeleitet, obwohl das Equipment meistens speziell für Rechenzentren und IT entwickelt wird. • Die Kühlausrüstung für Rechenzentren wird normalerweise speziell entwickelt: • Die im Rechenzentrum erzeugte Wärmelast ist üblicherweise spürbar (erfordert die Verringerung der Trockenkugeltemperatur für die Kühlung), während sie in Büroflächen sowohl spürbar als auch latent ist (erfordert die Verringerung der Luftfeuchtigkeit aufgrund der menschlichen Präsenz)

6. Kategorisierung von Rechenzentren • Parameter: • Fläche des Raums; • installierte IT-Ausstattung (Anzahl der Racks oder der Server); • Gesamtenergieverbrauch der IT-Ausstattung; • installierte Kühlinfrastruktur.

7. Kategorisierung nach GrößeAbhängig von der Anzahl der Racks und der installierten Gesamtleistung Quelle: (APC White Paper #59, 2004)

8. Kategorisierung nach Größe Standort, Infrastruktur und Systemeigenschaften

9. Die richtige Kühlausrüstung • Evaluierung des Kühlbedarfs: • Für IT-Ausrüstung ist die thermische Last gleich der absorbierten elektrischen Energie: Die richtige Dimensionierung der IT-Hardware ist für eine IT-Anlage daher der erste Schritt zur Effizienz • Für die USV variiert sie zwischen minimalem und maximalem Lastbereich • Für Beleuchtung und menschliche Präsenz können Standard-Referenzwerte genommen werden • Anzahl und Größe der benötigten Systeme hängen auch stark mit der TIER-Kategorisierung des Rechenzentrums zusammen.

10. Elemente in einem Kühlsystem • Elemente eines Kühlsystems: • Wärmeabfuhr; • Kühlausrüstung; • Terminal-Ausstattung (Vorrichtung zur Innenwärmeabfuhr); • Wärmelast (IT-Equipment, Dienstleistungen, Betreiber). Quelle: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

11. Elemente in einem Kühlsystem Wichtig, effiziente Ausrüstung auszuwählen • Kühl-Equipment wird 24/7, üblicherweise bei 50% Auslastung betrieben, was nicht energieeffizient ist; • Die Auswahl von energieeffizienter Ausstattung ist ein entscheidender Schritt um Nachhaltigkeit zu erreichen: • CRAC & CRAH Geräte; • Ventilatoren und ander Lüftunsgeräte; • Pumpen; • Kühlaggregate (luft- & wassergekühlt); • Kühltürme, Trockenkühler & luftgekühlte Kondensatoren; • Luftbefeuchter.

12. Terminal, Kühlung und Wärmeabfuhr Herkömmliche Kühlsysteme für das Terminal-Equipment in Rechenzentren werden entweder decken- oder bodenmontiert. Alle anderen Systeme, wie z. B. wandbefestigte Kühlung, sind ähnlich zum deckenmontierten Konzept. Quelle: APC White Paper #59

13. Typische Kombination aus Terminal, Kühlung und Wärmeabfuhr Quelle: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

14. Rechenzentrumsgröße und mögliche Auswahl und Einrichtung des Kühlsystems

15. ASHRAE Klassifikation • Klasse A1: IKT-Anlage mit streng kontrollierten Umweltparametern (Taupunkt, Temperatur und realtive Luftfeuchtigkeit) und geschäftskritische Anwendungen. Produkttypen, die normalerweise für eine derartige Umgebung entwickelt werden, beinhalten Enterprise-Server und Speicherprodukte. • Klasse A2: IKT-Fläche, Büro- oder Laborumgebungen mit einer gewissen Kontrolle der Umweltparameter (Taupunkt, Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit). Für eine derartige Umgebung entwickelte Produkttypen beinhalten kleine Server, Speicherprodukte, PCs und Workstations. ……Klasse A3/A4, Klasse B, Klasse C • Die Klassen A1 und A2 sind in erster Linie für zentrale IT-Ausstattung entwickelte Umgebungen.

16. ASHRAE Klassifikation: Beschaffenheit der Zuluft

17. ASHRAE Klassifikation: Beschaffenheit der Zuluft

18. EU-Verhaltenskodex für Rechenzentren: Umweltbedingungen

19. Energieeffiziente Kühllösungen für Rechenzentren

20. Verbesserungsmöglichkeiten für kleine IT-SystemeBestehende Serverräume

21. Verbesserungsmöglichkeiten für kleine IT-SystemeNeue Serverräume

22. Raumlüfter – Typen, Wirkungsgrade und Kosten von Split-Systemen • Split-Systeme bestehen aus: • einem außen installierten Kondensator; • und einer Lüftungsanlage innen. • Mobile Split-Lüfter besitzen: • ein tragbares Indoor-Gerät mit einem Kompressor, was zu einer geringeren Effizienz führt. • Kleine tragbare Gerätewerden häufig in größeren Serverräumen installiert um Hotspots zu verhindern, oder um die Klimaanlage des Gebäudes im Netzwerkkasten zur ergänzen; • Diese kleinen portablen Geräte sind nicht effizient! Üblicherweise haben sie ein Abwärmerohr das die Stelle erwärmt!

23. Beschaffung energieeffizienter Technik Je nach Kühlleistung: < 12 kW: EU-Energielabel > 12 kW: Eurovent-Zertifizierungsprogramm www.eurovent-certification.com

24. Bestehendes und vorgeschlagenes EU-Energielabel für kleine Klimaanlagen (<12 kW) Da die Effizienz unterschiedlich berechnet wird, lassen sich die EER- (altes Programm) und die SEER-Werte nicht direkt miteinander vergleichen Als Faustregel gilt: SEER ≈ EER + 3.0

25. Effizienzwert des Kühlsystems • EER - Verhältnis der gesamten Kühlkapazität zu der effektiven Leistungsaufnahme der Anlage, ausgedrückt in Watt/Watt; • SEER (Seasonal energy efficiency ratio): In Europa definiert und angewendet; • IPLV (Seasonal energy efficiency ratio): In Nordamerika definiert und angewendet; • Die IPLV- und SEER-Werte erhält man durch den gewichteten Mittelwert der Wirkungsgrade der Kälteanlagen (EER) bei unterschiedlicher nomineller Auslastung (25%, 50%, 75% und 100%).

26. Split-Systeme mit Inverter Die Technology der Split-Systeme wurde in mehreren Punkten verbessert. Es ist nun möglich, Kühlwassersysteme zu adaptieren oder verschiedene Umgebungstemperaturen für mehrere Lüftungsanlagen zu kombinieren, sind diese mit dem gleichen Kondensator verbunden. Die Verwendung von Invertern in Motoren und intelligenter Steuerung haben die Kühleffizienz beträchtlich erhöht.

27. Rack-basierte Kühlung in Serverräumen • Der Betrieb von freier Kühlung unterliegt bei kleinen IT-Systemen und Serverräumen einer Vielzahl von Einschränkungen; • Die Beschränkung ist hauptsächlich technischer Art: • kleine Serverräume oder –abteile befinden sich häufig an Stellen im Gebäude, bei denen der Zugang zur Außenluft schwierig ist; • für Serverräume in neuen Gebäuden ist die Anwendung von freier Kühlung möglich, wenn sie vom Gebäude- und Raumkonzept berücksichtigt wird. • Raumstandort, Möglichkeiten zum Verlegen von Leitungen / Rohren und die daraus resultierenden Kosten sind die Hauptfaktoren, die die Verwendung von freier Kühlung beeinflussen; • Für die Sanierung von bestehenden Systemen sind Schwierigkeiten und Kosten üblicherweise hoch und eine Kosten/Nutzenanalyse ist erforderlich.

28. Herausforderungen und Möglichkeiten für Rechenzentren und größere Systeme

29. Auswahl von Kühlgeräten und Effizienz Wassergekühlte Kältemaschinen sind eine bessere Wahl als luftgekühlte Systeme und DX: Mehr thermodynamische Effizienz Quelle: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

30. Typische Ausführung in mittleren und großen Rechenzentren Aus: Cooling strategies for IT equipment - HP

31. Luftkühlung: Steuerung des Luftstroms, Kalt-/Warmgang, Doppelboden/Rückluft-Konzepte In größeren Rechenzentren wird das IT-Equipment in Reihen angeordnet, wobei die Lufteinzüge auf den Kaltgang gerichtet sind. Die Frischluft wird in den Kaltgang geschickt, passiert das Equipment und wird über den Warmgang entlassen Aufbau von Kalt- und Warmgang im Rechenzentrum Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

32. Luftkühlung: Steuerung des Luftstroms, Kalt-/Warmgang, Doppelboden/Rückluft-Konzepte Die Luftströmungseigenschaften sind wichtige Elemente, die berücksichtigt werden müssen. Die empfohlenen Strömungsrichtungen verlaufen von der Front- zur Rückseite (F-R), von der Front zur Oberseite (F-T) oder von der Front- zur Ober- und Rückseite (F-T/R). Richtungen der Luftströme in Racks mit Kalt-/Warmgangaufbau Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

33. Vertikale Unterbodenverteilung Um die Versorgung mit Frischluft zu gewährleisten, wird in den Räumen üblicherweise ein Doppelboden eingezogen. Dieser Aufbau ist einer der am weitesten verbreiteten in Rechenzentren; die Kühlluft wird über ein Unterbodenleitungssystem, das mit den CRAC-Einheiten verbunden ist, geführt, während die warme Abluft von Natur aus von den Racks an die Decke und von dort zurück zur CRAC geht. Führt üblicherweise zu suboptimalen Temperaturgradienten innerhalb der Racks, kühler in den unteren und wärmer in den oberen Bereichen Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

34. Vertikaler Deckenkanal Bei der Ausführung mit vertikalem Deckenkanal wird die Frischluft über Deckenleitungen zu den IT-Racks gebracht und kehrt von selbst (ohne Leitungen) zum Kühlsystem zurück - ohne einen Doppelboden und mit einem einheitlichen Temperaturgradienten innerhalb der Racks. Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

35. Lokale Deckenkühlgeräte in einem VUF-System • Üblicherweise zur ergänzenden Kühlung eingesetzt, um Hotspots in Racks mit hoher Dichte zu verhindern; • Wenn keine gute Verteilung des Luftstroms durch die Racks erreicht werden kann, oder wenn Lasten mit hoher Dichte auftreten; • Lokale Deckenkühlgeräte können über dem Warmgang platziert werden, während an den Racks montierte Wärmetauscher entweder die warme Abluft aus dem Rack oder die Frischluft vorkühlen können. Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

36. Steigerung der Effizienz innerhalb desKalt-/Warmgangkonzepts Rückführen der Abluft über einen Abluftschacht Die Frischluftversorgung (perforierte Bodenplatten oder Diffusor) nur im Warmgang platzieren Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

37. Steigerung der Effizienz innerhalb des Kalt-/Warmgangkonzepts Lufstrombarrieren wie Kalt-/ Warmgangeinhausung installieren An allen offen Stellen Abdeckplatten montieren

38. Optimierung der Verkabelung

39. Steigerung der Effizienz innerhalb desKalt-/Warmgangkonzepts • CRAC Standort: • der optimale CRAC-Standort befindet sich am Ende des Warmgangs; die Geräte sollten senkrecht zum Warmgang platziert werden: Dies verkürzt den Weg der Rückluft und reduziert die direkte Rezirkulation der Frischluft aus dem Kaltgang

40. (Quelle: HP) Steuerung und Monitoring von Kühlsystemen – Managementbelange

41. Luft-Management • Temperatur und Geschwindigkeit der Einzugsluft können die Effizienz eines Systems stark beeinflussen und sollten kontinuierlich überwacht werden; • Hotspots und Ineffizienzen sind mit einer thermografischen Analyse oder einem kabellosen Sensorennetzwerk relativ leicht in einem bestehenden Rechen-zentrum zu entdecken. Infrarotbild, von: http://www.datacentir.com/

42. Aspekte der Luftstromsteuerung • Aufbau und Optimierung des Kühlprozesses können von der Simulationssoftware Computational Fluid Dynamics (CFD) unterstützt werden, um thermische/flüssigkeitsbezogene Phänomene in Rechenzentren vorherzusagen; • Physikalische Messungen und Feldversuche sind nicht nur zeit- und arbeitsintensiv, sondern manchmal schlicht unmöglich. CFD-Muster, von: http://emersonnetworkpower.com

43. Einstellungen für Temperatur und Luftfeuchtigkeit in mittleren und großen Rechenzentren Soll-Wert und Kühlkapazität eines Split-Systems (Quelle: P. Riviere et al., Preparatory study on the environmental performance of residential room conditioning appliances) • Eine höhere Zuluftstemperatur resultiert normalerweise in mehr Economizer-Stunden und einer effizienteren mechanischen Kühlung, allerdings mit einem niedrigeren "Sicherheitsfaktor" bezüglich der Einzugsbedingungen der IT; • Für DX und Kühlwassersysteme steigert eine höhere Temperatureinstellung üblicherweise Kapazität und Effizienz des Kühlsystems

44. Lösungen für räumliche und zeitliche Inhomogenität • Räumliche Inhomogenitäten: • IT-Lasten bzw. Wärmelasten voneinander entfernen und Freiräume in den Racks lassen. • Zeitliche Inhomogenitäten: • Speichersysteme für Kühlwasser verwenden; • Für Rechenzentren mit einer hohen Energiedichte (z. B. mehr als 15 kW pro Rack): • neue Kühlsysteme könnten in die Racks integriert und unabhängig betrieben werden (rack-basierte Kühlsysteme)

45. Rack-basierte Kühlung • Rack-basierte Kühlung ist in der Lage, ca. 20 kW Wärme abzuführen und wird abgedichtet, um eine kontinuierliche Zirkulation der Kühlluft zu gewährleisten. Rack-basierte Kühlung wird häufig zusammen mit einem Flüssigkühlsystem eingesetzt, um hohe Energiedichten zu bewältigen. Quelle: highdensityrackcooling.com

46. In-row Kühlung Aufbau eines Rechenzentrums mit in-row Kühlung.Quelle: APC by Schneider Electric, 2010; White Paper #139 rev.0

47. In-row Kühlung im Teillastbetrieb Aus : APC White paper #126, rev. 1.

48. Flüssigkühlsystem • Die Effizienz von Wasserkühlung ist 14 Mal höher als die der Luftkühlung Aus: S. Novotny, Green field data center design – water cooling for maximum efficiency

49. Struktur eines Flüssigkühlsystems Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

50. Flüssigkühlung auf Rack-Basis mit zentralem Wärmetauscher Aus: ASHRAE Save energy now presentation, 2009