Direkte, indirekte Freie Kühlung im Datacenter Wie zentrale Raumluft kühlt, ohne zusätzliche Mechanik

Autor / Redakteur: Boris Wollscheid, Maria Swiderek, Christoph Kaup* / Ulrike Ostler

Rechenzentren brauchen trotz schrumpfender spezifischer Verlustleistung der IT nach wie vor Rückkühler. Denn auf geringerem Raum wird mehr Rechnerleistung installiert - bis 2 Kilowatt pro Quadratmeter. Große Rechenzentren benötigen daher nicht selten Kühlleistungen von über 1 Megawatt. Dabei ist der kostenbestimmende Faktor die meist elektrisch erzeugte Kälteleistung, für 24 Stunden pro Tag.

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Das Howatherm-System "CrossXflow" auf der Kongressmesse "Future Thinking 2016"
Das Howatherm-System "CrossXflow" auf der Kongressmesse "Future Thinking 2016"
(Bild: Vogel IT-Medien GmbH)

Grundsätzlich kann jedoch die Außenluft als Wärmesenke zur Kühlung herangezogen werden. Denn die Außenluft ist im Jahresverlauf meistens kälter als 23 Grad, so dass in nur zirka 600 Stunden pro Jahr eine zusätzliche Kühlung erforderlich wird. Somit besteht hierzulande im Prinzip entweder die Möglichkeit, die Außenluft ohne Umwege zu verwenden, also das Rechenzentrum direkt mit Außenluft zu belüften und damit zu kühlen, oder aber die Außenluft über einen Wärmeüberträger zu entkoppeln, also indirekt zur Kühlung zu nutzen.

Die direkte Kühlung eines Rechenzentrums mit Außenluft ist von verschiedenen Bedingungen abhängig. Gelangt Außenluft direkt in das Rechenzentrum, ist ihre Qualität für die Rechnertechnik von großer Bedeutung. Liegt standortbedingt belastete Außenluft vor, wird grundsätzlich von einer direkten Nutzung abgeraten. Dies trifft nahezu in alle Fällen bei zu hoher oder zu niedriger Feuchte der Außenluft zu, da die Feuchte im Jahres- und im Tagesverlauf stark schwankt.

Die direkte freie Kühlung hat somit den großen Vorteil, dass der Wärmewiderstand und der Druckabfall eines sonst notwendigen Wärmeüberträgers nicht berücksichtigt werden muss. Sie hat aber auch den Nachteil, dass die Zuluft im Winter befeuchtet und im Sommer entfeuchtet werden muss.

Tabelle 1: Häufigkeit der Außenluftzustände nach VDI 4710 am Beispiel von Mannheim und beispielhafte Nutzung der Freien Kühlung/ VDI 4710 Blatt 3 Meteorologische Grundlagen für die Technische Gebäudeausrüstung - t,x-Korrelationen der Jahre 1991 bis 2005 für 15 Klimazonen in Deutschland, 03-2011
Tabelle 1: Häufigkeit der Außenluftzustände nach VDI 4710 am Beispiel von Mannheim und beispielhafte Nutzung der Freien Kühlung/ VDI 4710 Blatt 3 Meteorologische Grundlagen für die Technische Gebäudeausrüstung - t,x-Korrelationen der Jahre 1991 bis 2005 für 15 Klimazonen in Deutschland, 03-2011
(Bild: Howatherm)

Gemäß „ASHRAE TC 9.9“ werden als Grenzwerte für die relative Feuchte bei 30 bis 60 Prozent bei Umgebungsstemperaturen von 18 bis 27 Grad empfohlen (zulässig sind 20 bis 80 Prozent bei 15 bis 32 Grad, Klasse A1). In der Praxis werden häufig Grenzwerte für die absolute Feuchte der Zuluft von 4 bis 6 Gramm pro Kilogramm im Winter als unterer Grenzwert und 10 bis 12 Gramm pro Kilogramm im Sommer als oberer Grenzwert akzeptiert. Die Zuluft darf nicht zu trocken werden, da ansonsten elektrostatische Ladungseffekte zum Problem der IT-Systeme werden können, sie darf aber auch nicht zu feucht werden, da es dann die Möglichkeit gibt, dass ebenfalls Probleme beispielsweise durch lokale Kondensation an den IT-Systemen entstehen.

In Abhängigkeit der Außenluftfeuchte ist eine Kombination aus der direkten und der indirekten freien Kühlung anzustreben. Bei zu hoher und bei zu niedriger Feuchte, oder bei belasteter Außenluft könnte die indirekte freie Kühlung genutzt werden, während bei zulässigen Feuchten und unbelasteter Außenluft die direkte freie Kühlung verwendet werden kann. Damit entfällt sowohl die Zuluftbefeuchtung im Winter, als auch eine Entfeuchtung der Zuluft im Sommer.

Bereich Anlagenzustand
h/a %
1
RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung mit Verdunstungskühlung
2 0,0
2a RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung mit Verdunstungskühlung 247
2,8
2b WRG AUL-Betrieb indirekte ABL-Kühlung mit Verdunstungskühlung
6 0,11
3 RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung mit Verdunstungskühlung
68
0,8
4 RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung mit Verdunstungskühlung
27 0,3
5 isotherme direkte AUL-Kühlung
1.111 12,7
6 RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung mit Verdunstungskühlung 389 4,4
7 RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung
1.990 22,7
8 Mischbetrieb direkte AUL-Kühlung
4.851 55,3
9 RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung
75 0,9

Freie Kühlung unterstützt durch indirekte Verdunstungskühlung

Im Folgenden wird nun die Freie Kühlung betrachtet, die durch eine indirekte Verdunstungskühlung unterstützt wird, um die benötigte Kühlleistung mittels Rückkühlwerk zur Verfügung zu stellen (siehe: Abbildung 1).

Abbildung 1: Indirekte Freie Kühlung mit einer indirekten Verdunstungskühlung mittels Rückkühlwerk (RKW)
Abbildung 1: Indirekte Freie Kühlung mit einer indirekten Verdunstungskühlung mittels Rückkühlwerk (RKW)
(Bild: Howatherm)

Die benötigte Kühlleistung hängt bei Verwendung der Außenluft als Wärmesenke vom Standort des Rechenzentrums ab. In den meisten Gebieten in Deutschland kann im Bereich zwischen 19 und 26 Grad sowie zwischen 4,5 und 10,5 Gramm pro Kilogramm (g/kg) die Außenluft ohne eine Luftbehandlungsfunktion in zirka 1.111 Stunden pro Jahr direkt verwendet werden (siehe: Bild 2 und Tabelle 1 weißer Bereich).

Abbildung 2: Indirekte Freie Kühlung mittels Rückkühlwerk (RKW) bei x < 4,5 g/kg
Abbildung 2: Indirekte Freie Kühlung mittels Rückkühlwerk (RKW) bei x < 4,5 g/kg
(Bild: Howatherm)

Unterhalb einer Außenlufttemperatur von 18,5 Grad und einer absoluten Feuchte unter 4,5 Gramm pro Kilogramm wird in rund 1.990 Stunden pro Jahr (h/a) durch Nutzung der indirekten freien Kühlung und ohne zusätzliche thermodynamische Luftaufbereitung die geforderte Zulufttemperatur erreicht (siehe: Abbildung 2 und Tabelle 1 türkiser Bereich).

Abbildung 3: Bypass- und Mischbetrieb ohne Luftbehandlung
Abbildung 3: Bypass- und Mischbetrieb ohne Luftbehandlung
(Bild: Howatherm)

Unterhalb von 18,5 Grad und über 4,5 g/kg (bis 10,5 g/kg) kann in 4.851 h/a die minimale Zulufttemperatur durch Mischen von Außenluft mit Abluft energetisch effizient gewährleistet werden, da keine Luftbehandlungsfunktionen erforderlich sind (siehe: Abbildung 3, Tabelle 1 beige-farbener Bereich). Alternativ kann auch mittels WRG die Zulufttemperatur erreicht werden (ähnlich Bild 5 ohne Befeuchtung). Dann ist eine Be- oder Entfeuchtung der Zuluft ebenfalls unnötig.

Abbildung 4: Direkte Freie Kühlung mit einer indirekten Verdunstungskühlung mittels Wärmerückgewinnung (WRG)
Abbildung 4: Direkte Freie Kühlung mit einer indirekten Verdunstungskühlung mittels Wärmerückgewinnung (WRG)
(Bild: Howatherm)

Im Bereich über 26,5 Grad Außenluft und bis zu einer Außenluftfeuchte von 10,5 g/kg kann durch trockene, sensible Kühlung die geforderte Zulufttemperatur in rund 250 h/a sichergestellt werden (siehe: Abbildung 1 und Tabelle 1 ocker-farbener, blauer und hellblauer Bereich). Die notwendige Kühlung wird dann durch ein Rückkühlwerk (RKW) auf Basis eines Wärmeüberträgers mit indirekter Verdunstungskühlung (siehe: Abbildung 1) bereitgestellt.

Durch die Verwendung eines Rückkühlwerkes, das mit Außenluft betrieben wird, wird die Temperatur nach dem Rückkühlwerk je nach Außen- und Abluftluftkondition auf zirka 18 bis 24 Grad reduziert, ohne dass eine zusätzliche Kältemaschine benötigt wird.

Liegt der Energieinhalt der Abluft niedriger als der Energieinhalt der Außenluft, kann auch das Verfahren der Wärmerückgewinnung (WRG) gemäß Abbildung 4 zum Einsatz kommen. Dies setzt allerdings voraus, dass die Außenluft direkt dem Rechenzentrum zu-geführt werden kann.

Abbildung 5: Indirekte Freie Kühlung mit einer indirekten Verdunstungskühlung mittels Wärmerückgewinnung (WRG) und Außenluft
Abbildung 5: Indirekte Freie Kühlung mit einer indirekten Verdunstungskühlung mittels Wärmerückgewinnung (WRG) und Außenluft
(Bild: Howatherm)

Wenn die Summenhäufigkeiten der einzelnen Betriebszustände (siehe: Abbildung 1) addiert werden, so ergibt sich für die direkte freie Kühlung (weißer und beige-farbener Bereich) eine Summenhäufigkeit von rund 5.962 Stunden, also 68 Prozent der Jahresnutzungszeit, während 2.798 Stunden, also 32 Grad auf die indirekte Nutzung der Außenluft fallen (beispielsweise 4,5 g und 10,5 g als Feuchtegrenzwerte). Bei anderen Feuchtegrenzwerten verschieben sich Laufzeiten für die einzelnen Betriebszustände entsprechend.

Aber auch bei der Indirekten Freien Kühlung kann Außenluft zur indirekten Verdunstungskühlung (RKW) verwendet werden, wenn beide Stränge mit Außenluft betrieben werden (siehe: Abbildung 5). Dies setzt jedoch voraus, dass der Fortluftventilator mit doppelter Luftmenge betrieben werden kann und für diesen Betriebsfall ausgelegt ist.

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Leistungssteigerung der indirekten Verdunstungskühlung

Um auf eine Kältemaschine verzichten zu können, ist eine Optimierung der Leistungsdaten (RKW und Verdunstungskühlung) zwingend erforderlich. Hierzu sind Wärmeüberträger notwendig, die trockene Temperaturübertragungsgrade von mehr als 75 Prozent aufweisen. Gleichzeitig ist der Platzbedarf der benötigten und entsprechend dimensionierten Wärmeüberträger enorm und daher schwer zu realisieren.

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Die Abbildungen 6 und 7 (Bildergalerie) zeigen eine neuartige und platzsparende Lösungen auf, bei der ein Plattenwärmeüberträger im Kreuz-Gegenstrom am Ende des RLT-Gerätes eingesetzt wird. In diesem Fall wird der Wärmeüberträger gleichzeitig als Umlenkkammer für die beiden Luftströme verwendet.

Das System CrossXflow

Mittels der vor dem Wärmeüberträger integrierten Umlenk- und Mischkammer des Systems „CrossXflow“ von Howatherm lassen sich die Lüftströme innerhalb des RLT-Gerätes umschalten (siehe: Abbildungen 8 und 9 der Bildergalerie). Hierdurch wird die Abluft mit der Zuluft zu einem Umluftsystem verbunden. Die Außenluft dient nun zum Betrieb des RKW, das mit oder ohne Verdunstungskühlung betrieben werden kann. Wird der Wärmeübertrager nicht benötigt, kann der Plattenwärmeübertrager durch integrierte Bypassklappen umgangen werden (siehe: Abbildung 10 der Bildergalerie).

Durch die Umschalt- und Mischbox kann im Mischbetrieb warme Abluft der kalten Außenluft beigemischt werden, um die geforderte Zulufttemperatur zu erreichen (siehe: Abbildung 11 der Bildergalerie).

Neben dem trockenen Temperaturübertragungsgrad des Wärmeüberträgers spielt die Verdunstungskühlung eine weitere und entscheidende Rolle. Neben der bekannten einstufigen Befeuchtung wurde zur Steigerung des Befeuchtungsgrades eine zweite Befeuchterstufe eingesetzt, womit ein Befeuchtungsgrad von 1 erreicht wird. Der Wärmeüberträger wird dann als Hybridsystem verwendet.

Abbildung 12: Plattenwärmeübertrager Hybridbefeuchtung System Hydroplus von Howatherm
Abbildung 12: Plattenwärmeübertrager Hybridbefeuchtung System Hydroplus von Howatherm
(Bild: Howatherm)

Dabei wird der Wärmeüberträger sowohl als Wärme- als auch als Stoffüberträger eingesetzt (siehe: Abbildung 12). Die indirekte Befeuchtung erfolgt somit nicht nur vor dem Wärmeüberträger, sondern auch direkt im Wärmeüberträger (System „Hydroplus“ von Howatherm).

Eine weitere Leistungssteigerung kann nur durch die Steigerung des Befeuchtungsgrades erfolgen. Howatherm hat den Wärmeüberträger weiterentwickelt, so dass eine besonders große Hydrophilie der Oberfläche erreicht wird. Der damit verbundene größere Nachverdunstungseffekt des Befeuchtungswassers erlaubt einen Befeuchtungsgrad, der bei üblichen Betriebsbedingungen mit 1,6 äquivalent ist. Durch das Verfahren lässt sich zudem der Befeuchtungsgrad zwischen 80 bis 160 Prozent stufenlos regeln.

Zusatzkälte ist überflüssig

Mit dieser Entwicklung wird selbst bei 32 Grad und 40 Prozent Außenluftkondition und 35 Grad und 30 Prozent Abluftkondition eine Zulufttemperatur von 19 Grad erreicht. Dies haben Validierungsmessungen der Dekra bestätigt. Letztlich wird erst damit eine zusätzliche Kälte-Erzeugung obsolet.

Weiterhin kann durch die sehr niedrige Zulufttemperatur die Luftmenge des Kühlsystems gesenkt werden, da die Kühlleistung proportional dem Produkt aus Temperaturdifferenz der Kühlung mit der Luftmenge steigt. Ein konventionelles System, das von 32 Grad auf 24 Grad kühlt, hat mit einer Temperaturdifferenz von 8 Kelvin ein um 38 Prozent niedrigeres Potenzial als eine leistungsgesteigerte Verdunstungskühlung mit einer Temperaturdifferenz von 13 Kelvin (+ 62 Prozent). Mit der Leistungssteigerung kann daher die Luftmenge in diesen Betriebsfällen analog um 38 Prozent reduziert werden.

Zusätzliche Kühlung bei erforderlichem Mindestaußenluftanteil

Rechenzentren sind üblicherweise Maschinenäume, in denen sich bestimmungsgemäß Personen nicht mehr als 30 Tage pro Jahr oder regelmäßig länger als zwei Stunden je Tag aufhalten. Daher gilt die NormVDI 6022“ nicht .

Falls ein Rechenzentrum nichtsdestotrotz mit einem Mindestaußenluftanteil betrieben werden soll, kann das aufgezeigte Verfahren nicht unverändert verwendet werden, da bei indirekter Kühlung zwingend eine vollständige Umschaltung zwischen Außen- und Umluftbetrieb erfolgt. Außenluft wird im beschriebenen Verfahren nur bei direkter Nutzung der Freien Kälte dem Raum zugeführt.

Abbildung 13: Freie Kühlung mit zusätzlicher mechanischer Kühlung zur Entfeuchtung
Abbildung 13: Freie Kühlung mit zusätzlicher mechanischer Kühlung zur Entfeuchtung
(Bild: Howatherm)

In den Zeiten mit zu hoher Außenluftfeuchte wird bei der Nutzung eines Mindestaußenluftanteils eine Entfeuchtung der Zuluft im Sommer zwingend erforderlich, da ansonsten im Raum sukzessive die Feuchte ansteigt. Eine Möglichkeit zur Nutzung der Außenluftbeimischung bei indirekter Verdunstungskühlung zeigt Abbildung 13 auf.

Man erkennt sofort, dass in diesem Fall ein wesentlich höherer apparativer Aufwand notwendig wird. Insbesondere ist nun eine mechanische Kältererzeugung unumgänglich. Es ergeben sich folgende Prozessschritte im HX-Diagramm (siehe: Abbildung 15). Wird beispielsweise im Sommer über einer Außenluftfeuchte von 10,5 g/kg ein Mindestaußenluftanteil beigemischt (Prozess 1) und soll gleichzeitig eine absolute Feuchte von maximal 10,5 g/kg in der Zuluft eingehalten werden, muss die Mischluft unter den Taupunkt auf eine Temperatur von 13,3 Grad gekühlt werden.

Abbildung 14: HX-Prozess der direkten Freien Kühlung (3) mit mechanischer Kühlung (4) und Mischprozess zur Nacherwärmung (5) sowie einer indirekten Verdunstungskühlung (2)
Abbildung 14: HX-Prozess der direkten Freien Kühlung (3) mit mechanischer Kühlung (4) und Mischprozess zur Nacherwärmung (5) sowie einer indirekten Verdunstungskühlung (2)
(Abbildung Howatherm)

Nach der Entfeuchtungskühlung wird dann durch weiteres Mischen der Abluft mit dem entfeuchteten Luftstrom die benötigte Zulufttemperatur erreicht (siehe Bild 14, Prozess 5). Da der Mischluftanteil der Abluft (zum Beispiel 45 Prozent) nicht gekühlt werden muss, reduziert sich allerdings die Entfeuchtungskühlleistung, da nur noch 55 Prozent des gesamten Volumenstroms unter den Taupunkt gekühlt werden müssen (siehe: Abbildung 15, Prozess 3 und 4).

Die Entfeuchtungskälteleistung wird in etwa 460 h/a, also in rund 5,3 Prozent der Laufzeit der Anlage, benötigt. Problematisch ist dabei der hohe Anteil der benötigten Entfeuchtungsleistung zu bewerten, der gegenüber der sonst rein sensiblen Kühlung nur in rund 5 Prozent der Jahresnutzungsdauer vorgehalten werden muss.

Dies ist zwar nicht unbedingt energetisch kritisch, aber im Hinblick auf die höherer Investitionskosten und den größeren Platzbedarf der Ablagen einschließlich der Kälte-Erzeugung nachteilig zu bewerten. Gleichzeitig wird bei Nutzung eines Mindestaußenluftanteils im Winter zwingend eine Befeuchtung der Zuluft unumgänglich, die ebenfalls die Kosten deutlich erhöht. Aus diesem Grund ist von der Nutzung eines Mindestaußenluftanteils abzuraten, oder sie wird durch ein eigens dafür optimiertes RLT-Gerät vorgehalten, welches lediglich den Außenluftanteil fördert.

*Die Autoren

Maria Swiderek studiert derzeit „Umweltorientierte Energietechnik“ an der Hochschule Trier, Umwelt-Campus Birkenfeld mit dem Abschkuss Master.

Boris Wollscheid ist Entwicklungsingenieur bei der Howatherm Klimatechnik GmbH.

Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup ist Honorarprofessor der Hochschule Trier, Umweltcampus Birkenfeld für Energieeffizienz und Wärmerückgewinnung. Er ist außerdem geschäftsführender Gesellschafter der Howatherm Klimatechnik GmbH und Mitglied in verschiedenen Normungsgremien wie EN 16798, EN 13779, EN 13053, EN 308 und EN 1886 sowie Richtlinienausschüssen, beispielsweise VDI 6022 und VDI 3803.

(ID:44032046)