Ein Konzept zum Energie und Betriebskosten sparen mit Zusatzkühlung

Wirtschaftliche Kühlung von kleinen Server-Räumen

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Vorteile des vorgeschlagenen Kombinationskühlsystems mit doppelter freier Kühlung

Die meiste Zeit des Jahres wird der Server-Raum mit unterschiedlicher Nutzung der kühlen Außenluft alleine mit dem RLT-Zusatzgerät ausreichend gekühlt/klimatisiert:

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Bei kalter Außenluft bis etwa < 10 Grad findet die indirekte freie Kühlung statt.

Bei ansteigender, weiterhin ausreichend kühler Außenluft mit der dann automatisch (in der Außenluft) vorhandenen ausreichenden Feuchte X (g Wasser pro kg Luft) wird die direkte freie Kühlung durchgeführt.

Eine Kältemaschine oder eine andere maschinelle Kühlart wird dann nur noch ganz selten benötigt, wenn die Außenluft wärmer ist als die beim Kunden im Extremfall erlaubte Zulufttemperatur. Wenn schon – wie hier unterstellt – Umluftkühlgeräte vorhanden sind, werden diese jetzt (jedoch nur mehr ganz selten !) benutzt.

Die Meteorologie erlaubt es

Wie aus dem Bild 3 zu erkennen, wird beim Kombinationskühlsystem an Hand der für einen Anwendungsort bekannten Meteorologischen Daten (hier beispielsweise für München) und der aktuellen Außenluftzustände jeweils eine der 6 möglichen Betriebszustände (Kühlfälle) genutzt. Bei dem dargestellten Beispiel werden die Umluftkühlgeräte nur an etwa 535 Stunden/Jahr in der Betriebsart Nr. 6 (Feld 6) benötigt.

Wie aus dem Feld 5 in Bild 3 zu erkennen ist, kann das RLT-Zusatzgerät mit doppelter freier Kühlung - im Gegensatz zu anderen Klimasystemen, wo lediglich die indirekte freie Kühlung genutzt wird – bei steigender Außentemperatur solange Energie sparend genutzt werden, wie die Außentemperatur in etwa der individuell vom Kunden erlaubten, maximal zulässigen (!) Zulufttemperatur entspricht, also sehr häufig.

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Das Wichtigste in Kürze

Kleine Server-Räume werden zumeist rund um die Uhr mit Umluftkühlgeräten nach dem so genannten Splitgerätesystem gekühlt. Dieses besteht aus zumindest einem Innen- und einem Außengerät. Diese Geräte sind mittels Kältemittelleitungen verbunden. Dieses Kältemaschinen - Kühlsystem wird ganzjährig, unabhängig von der vor Ort gerade herrschenden Außenlufttemperatur benutzt, also auch im Winter!

Bei einfachen Raumkühlsystemen mit Deckengeräten muss wegen der automatisch entstehenden Mischung von Raumluft mit Zuluft eine sehr kühle Zuluft-Temperatur erzeugt werden. Wenn diese unter dem aktuellen Taupunkt der Zuluft liegt, beispielsweise bei 10 Grad, fällt neben der zur Raumkühlung erforderlichen sensiblen Kühlung noch Kälteleistung für die dann physikalisch bedingte latente Kühlung an. Damit erhöht sich die elektrische Leistungsaufnahme der Kältetechnik und es steigen die Stromkosten.

Die Betriebskosten

Doch auch ohne latente Kühlung entsteht häufig ein sehr hoher Jahresenergieverbrauch an Strom, was beim Nutzer der IT zu hohen Betriebskosten führt.

Mein 1. Vorschlag ist, Kalt- und Warmzonen zu schaffen, die für die folgenden Vorschläge wegen der dann möglichen Nutzung eines hohen delta t zwischen Zu- und Abluft besonders von Nutzen sind.

Mein 2. Vorschlag ist, das vorhandene Umluftkühlsystem durch ein raumlufttechnisches Zusatzgerät zu ergänzen. Dieses spezielle (geschützte) „ECL“ RLT-Gerät mit doppelter freier Kühlung und Teilstrombildung benötigt bei den beiden freien Kühlarten im Jahresmittel nur rund 8 Prozent so viel Energie (Strom) wie das übliche Umluftkühlsystem. Es nutzt die Außenluft auf zweierlei Arten und wird solange benutzt, wie die Außenluft bei der direkten freien Kühlung noch verwendbar ist. So wird - je nach Außenklima am Anwendungsort - das weiterhin für den Redundanz-Fall stets aktive Umluftkühlsystem nur an ganz wenigen Stunden des Jahres automatisch eingeschaltet.

Mein 3. Vorschlag, zum Beispiel für Neuanlagen, ist, im RLT-Gerät einen Direktverdampfer zu integrieren. Dieser wird von einem Außenkühlgerät aus versorgt, aber nur an den seltenen Stunden des Jahres genutzt, wo die d i r e k t e freie Kühlung nicht mehr möglich ist. Als Redundanz zu dem RLT-Gerät wird ein Umluftkühlgerät genutzt. Das dazu benötigte Außenkühlgerät ist als reversible Wärmepumpe/Kältemaschine ausgebildet, so dass von dort aus in der Winterzeit diverse Heizgeräte betrieben werden können. >>> Doppelnutzung einer notwendigen Investition.

Sparen, wenn ....

Mit den vorgeschlagenen Kombinationskühlsystemen werden umso mehr elektrische Arbeit (kWh) - laienhaft oft vereinfacht "Strom" genannt - und Betriebskosten eingespart, desto

  • niedriger die mittlere Außentemperatur am Anwendungsort gegenüber der maximale zulässigen Zulufttemperatur ist
  • höher die maximal abzuführende Raumkühllast (dort entstehende Wärme) ist
  • höher der Nutzer den Sollwert für das Einschalten der Umluftgeräte für die seltenen Extremfälle der hohen Außentemperatur noch weiter nach oben schiebt als wie angedacht: Bei 24 Grad Außentemperatur entstehen ~24 Grad in der Zuluft
  • höhere Raumluftfeuchten als wie vorgesehen von 65 Prozent in der Kaltzone zugelassen werden.
  • größer das vom Anwender gewählte - individuell dort machbare - delta t (= Differenz zwischen Abluft- und Zulufttemperatur) bei Nutzung der beiden freien Kühlarten ist.

Dabei wird solange wie möglich (siehe Feld 1, 2, 3 und in der Hauptzeit von Feld 4), eine relativ niedrige Zulufttemperatur von lediglich zirka 17 Grad genutzt. So kann der Raum an 8.230 Stunden pro Jahr mithilfe der Außenluft indirekt oder direkt ganz wirtschaftlich mit einem hohen delta t (Zuluft = 17 Grad, Abluft = 32 Grad: ► delta t = 15 K) gekühlt werden. Dabei werden die Server stets ordentlich gekühlt und es entstehen angenehme Raumtemperaturen in der hauptsächlichen Serverbedienzone, in der Kaltzone (siehe: Bild 2).

Angewandte Physik

Durch die bei diesem System mit doppelter freier Kühlung häufig mögliche kleine Zulufttemperatur und eine angestrebte möglichst hohe Ablufttemperatur kann zumeist ein kleiner Kühlluftstrom mit einer großen Temperaturdifferenz zwischen Zuluft in den Raum und Abluft (der Fachmann spricht von Nutzung eines hohen delta t) zur Raumkühlung benutzt werden. Dabei wird die Luft nicht auf den Taupunkt abgekühlt!

Entsprechend der angewandten Physik gilt: Desto kleiner der aktuelle Volumenstrom in einem raumlufttechnischen System ist, das hier für den Maximalfall bei kleinerem delta t für den maschinellen Kühlfall ausgelegt wird, desto höher ist die Einsparung bei der Antriebsleistung der Ventilatoren zur Luftförderung. Beispiel: Bereits bei 20 Prozent weniger Kühlluft sinkt die Antriebsleistung eines Ventilators theoretisch um 49 Prozent, praktisch etwa um etwa 40 Prozent, je nach Wirkungsgrad des verwendeten Motor/Ventilator Kombination.

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Über Jürgen Loose

Jürgen Loose, Diplom Ingenieur (FH), geboren 1940 ist Inhaber der Firma Energie.Controlling.Loose - ECL in Weilheim.

( Bild: Jürgen Loose )

  • 1986 Mitentwickler der „Telekom“-Energiespargeräte für die digtitale Vermittlungstechnik
  • 1991 Energiesparpeisträger der DESA
  • 1993 Fachbuchautor „Innovationen für Raumkühlung“
  • 1995 Im "Unruhestand": nach Gründung des Ing.-Büros ECL erfolgten mehrere Erfindungen für RLT-Geräte/Klimageräte
  • 2012 Deutscher Bundespreis
  • 2012 Deutscher Kältepreis

Wenn dann zudem nur ein Teilluftstrom über die aktuell benötigten Luftbehandlungsteile geführt wird, sinken – wiederum physikalisch bedingt – die Luftwiderstände im Klimagerät und infolgedessen die Antriebsleistung beider Ventilatoren nochmals ganz stark.

Die Einsatzzeit der Umluftkühlgeräte könnte übrigens noch weiter verkürzt werden, wenn der Kunde an den wenigen Stunden des Jahres mit besonders warmen Außentemperaturen (ganz selten) noch höhere Zulufttemperaturen als 24 Grad und eine Raumtemperatur bis etwa 37 Grad (diese wird oben an der Decke im Warmgang gemessen), also länger die direkte freie Kühlung, zulassen würde. Von AESHREA empfohlen werden bei großen Rechenzentren häufig Ablufttemperaturen bis zu 37 Grad verwendet.

Anordnung des RLT-Zusatzgerätes

Es ist angedacht, dass das RLT-Zusatzgerät direkt im Kaltgang (siehe: Bild 2) oder in diesen einblasend aufgestellt wird. Ein Doppelboden ist bei der von mir angedachten Lösung nicht nötig – siehe : analog zum Vorschlag beim erhaltenen Rechenzentrumspreis 2014 und dem dazu gehörenden Artikel " Mehrfach modulares Inroom-Cooling mit IT-Case" in der Zeitschrift Datacenter-Insider im März 2014.

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Fördermittel genehm?

Zurzeit ist das Ändern, Verbessern von Kühlung kleiner Server-Räume förderfähig. Voraussetzung für die Förderung durch die BAFA ist die Erstellung eines unternehmensindividuellen Energie-Einsparkonzeptes, eine so genannte Detailberatung durch einen externen Energieberater. Dieser muss nachweislich in der KfW- Beraterbörse für das Programm „Energieberatung im Mittelstand“ gelistet sein.

Wenn nach erfolgter Energie -Intensivberatung ein formgerechter Antrag auf Förderung für die Querschnittstechnologie „Lüftungsanlagen“ gestellt wird, gibt es bei üblichem positivem Bescheid einen Zuschuss von 30 Prozent auf die gesamten Investitionskosten.

Der maximale Zuschuss pro Objekt beträgt 100.000 Euro.

Wichtig: Mit dem Auftrag an eine ausführende Firma oder den Planer darf erst nach bestätigtem Eingang bei der BAFA (noch auf eigenes Risiko) begonnen werden!

Ein Beispiel: Der Umbau der Klimatechnik kostet mit Planung 40.000 Euro. Der Eigenanteil des Kunden beträgt dann lediglich 28.000 Euro.

Es empfiehlt sich, die Energieberatung mit dem Gewerk Elektrotechnik/Beleuchtungstechnik zu koppeln, weil beispielsweise durch eine moderne LED-Beleuchtungstechnik auch locker die förderfähige Mindestmenge an Strom (30 Prozent) eingespart werden kann. Die aus mindestens zwei Gewerken bestehende - bei der KfW zu beantragende – Energieberatung wird zu 60 Prozent bezuschusst.

Ein Beispiel: Die umfangreiche Energieberatung mit abschließendem Bericht für 6 Tage Aufwand kostet rund 4.800 Euro. Davon beträgt der Eigenanteil des Kunden 1.920 Euro. Der höchstmögliche Zuschuss beträgt sogar 4.800 Euro.

Mit einem Aufwand von rund 30.000 Euro kann bei dem genannten Beispiel über die lange Nutzungsdauer der Technik ein mehrfacher Profit erzielt werden, zusätzlich zu der möglichen Abschreibung.

Übrigens: Vor der Detailberatung könnte noch eine Initialberatung durch einen Energieberater der KfW durchgeführt werden, die sogar mit 80 Prozent bezuschusst wird. Dafür genügt zumeist ein Besuchstag.

Das hier vorgesehene RLT-Gerät könnte auch im Warmgang oder in einer warmen Zone aufgestellt werden, wenn die Zuluft in den Kaltgang hinüber geführt wird. Wichtig ist, dass die Abluft direkt aus dem Warmgang, möglichst ganz oben unter der Decke, beim dort entstehenden Wärmepolster, abgesaugt wird.

Falls die Möglichkeit besteht, das RLT- Zusatzgerät im Nachbarraum (daneben, darüber, darunter) unter zu bringen, könnte mithilfe einer im Gerät nachrüstbaren Verdunstungskühlung die Nutzungszeit der Kältemaschine nochmals reduziert werden. Das lohnt sich m. E. bei doppelter freier Kühlung und auch bei alleiniger direkter freier Kühlung aber nur in Klimazonen, wo es häufig wärmer ist als in München.

Durch Nutzung eines Fortluftventilators (zusätzlich zum Zuluftventilator) kann der Raum so versorgt werden, dass durch Drehzahlregelung am Fortluftventilator stets ein leichter Überdruck erzeugt wird, so dass kein Staub aus benachbarten Räumen angesaugt werden kann. So kann es auch keinen störenden Über- oder Unterdruck für evtl. dort anwesende Personen geben.

Controlling des Betriebes

Mit dem im RLT-Zusatzgerät integrierten Energiemanager und Fernbedienungsmodul kann der Kunde den täglichen, wöchentlichen und jährlichen Stromverbrauch vor Ort und/oder aus der Ferne kontrollieren. Dabei kann er auch jederzeit seine Sollwerte bedarfsgerecht verändern und natürlich die aktuellen und zurück liegenden im Prozess entstandenen Raumkonditionen (Istwerte für Temperatur, Feuchte und Volumenströme) kontrollieren. Durch eine regelmäßige Kontrollmöglichkeit kann er langfristig betrachtet, viel Geld sparen.

Mit vielen interssanten Vorträgen findet am 21. Oktober in Würzburg der "DataCenter-Tag" der Cooling Days statt. DataCenter-Insider ist Medienpartner.
Mit vielen interssanten Vorträgen findet am 21. Oktober in Würzburg der "DataCenter-Tag" der Cooling Days statt. DataCenter-Insider ist Medienpartner.
(Bild: VBM-Archiv)

Veranstaltungstipp: DataCenter-Tag auf den Cooling-Days

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