Serverräume effizienter kühlen

K l i m a
Serverräume effizienter
kühlen
Präzisionsklimageräte mit Freikühlung senken Betriebskosten
Kort-Hinrich Heumann*
Oftmals werden direktverdampfende Klimageräte einer Kühlung mit wasserführenden
Systemen vorgezogen, ohne dabei an die Optimierung der Betriebskosten zu denken. Präzisionsklimageräte
mit einem Glykol-Wasser-Kreislauf und Freikühlung ermöglichen eine
energieeffizientere Kühlung der Server. So können bis zu 30 % des elektrischen Stroms für
den Verdichterantrieb eingespart werden, da der Verdichter aufgrund des Freikühlprinzips
an kühlen Tagen abgeschaltet bleiben kann oder im Teillastbetrieb arbeitet.
*) Kort-Hinrich Heumann, GEA
Happel Klimatechnik GmbH,
Herne
Die elektronische Datenverarbeitung
nimmt an Bedeutung
zu: Papierlose Belegverwaltung,
die elektronische
Patientenakte, Internet-Shopping,
moderne Kommunikationstechnik
und vieles mehr
bewirken, dass immer mehr
und immer leistungsfähigere
Rechnertechnik gefragt
ist. Trotz der massiven Fortschritte
bei der Entwicklung
sparsamer Prozessoren und
genügsamer Peripherie gehört
die Informations- und
Kommunikationstechnik heute
zu den großen Stromverbrauchern.
Und ihr Hunger
nach Elektrizität steigt weiter
an. Auf jede kWh Strom
für den Serverbetrieb muss in
einem Rechenzentrum eine
weitere zum Kühlen aufgewendet
werden, um die hohen
inneren Kühllasten abzuführen.
Anschlussleistungen
von mehreren kW pro
Rack sind heute keine Seltenheit,
sodass selbst kleine Serverräume
mittelständischer
Unternehmen bereits Kühllasten
im zweistelligen Kilowattbereich
abführen müssen.
Wer die Betriebskosten
seines Serverparks minimieren
will, braucht daher nicht
nur eine sparsame Rechnertechnik,
sondern auch eine effiziente
Klimatisierung.
Die Wahl eines geeigneten
Klimagerätes hängt neben
der Kühlleistung von weiteren
Faktoren ab. So sollte es
∑ für den ganzjährigen Betrieb
bei hoher Last geeignet
sein,
∑ eine extrem hohe Verfügbarkeit
bieten,
∑ ein enges Toleranzband bei
Temperatur und Feuchte
einhalten (+/- 1 °C; +/-5 %
rel. Feuchte)
∑ und eine hohe sensible
Kühlleistung bei geringem
Verbrauch erbringen.
Klimatisierung beeinflusst
Datensicherheit
Dieses Eigenschaftsprofil
ist wichtig, weil der sichere
Betrieb eines Rechenzentrums
nicht nur von der
Ausfallsicherheit der Rechnertechnik
und der kontinuierlichen
Stromversorgung
abhängt, sondern auch maßgeblich
von der Klimaanlage
beeinflusst wird. Der Ausfall
oder eine Leistungsreduzierung
der Klimaanlage kann
insbesondere im Sommer zur
Überhitzung der Server führen
und ihre Zwangsabschaltung
erfordern. Präzisionsklimageräte
sind speziell für das
Kühlen von Servern oder für
die wärmesensible Fertigung
konstruiert und bieten eine
Fülle von Optionen, aus denen
Investoren die zur Anwendung
passende Technik
wählen können. So fertigt
die GEA Happel Klimatechnik
GmbH innerhalb einer
Geräteserie Modelle für die Innen-
und Außenaufstellung,
Varianten für den Betrieb im
Serverraum und zur Aufstellung
im benachbarten Technikraum
sowie für verschiedene
Richtungen der Luftführung
als kältemittel- oder
wasserbasierte Systeme.
Wenn die erforderliche
Kühlleistung, die Luftfüh-
∂ Das wasserbasierte System der „T“-Range „C“-Version verfügt über einen
außen aufstellbaren, luftgekühlten Kaltwassersatz, in dem sich Verdichter und
Verdampfer befinden.
∂ Geräte mit Freikühlfunktion („F“-Version) enthalten einen Verdichter-Verdampfer-Kreislauf
mit Kältemittel, dessen Verflüssiger die Wärme an einen
Wasser-Glykol-Kreislauf abgibt.
22 IKZ-FACHPLANER · Heft 5 /2008

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rung und der Aufstellort feststehen,
stellt sich oft die Frage
nach dem effektivsten Funktionsprinzip.
Um eine Gefährdung
durch Wasser auszuschließen,
bevorzugen viele
Anwender kältemittelbasierte
Systeme. Diese Entscheidung
geht allerdings mit dem
Verzicht auf mehrere Vorteile
einher. So sind eventuelle Leckagen
im Kaltwasserkreislauf
leichter zu entdecken
als solche in einem Kältemittelkreislauf,
da austretendes
Kältemittel sofort verdampft.
Außerdem gestatten Kaltwassernetze
ein Rohrsystem, das
lange Leitungswege zulässt
und in das sich leicht weitere
Geräte einbeziehen lassen.
Schließlich eröffnet ein Glykol-Wasser-System
die Möglichkeit,
den Rückkühler an
beliebiger Stelle zu platzieren
und diesen zur Freikühlung zu
nutzen. Um dem Risiko eines
Wasseraustritts vorzubeugen,
genügt es, im üblichen Doppelboden
eine Auffangwanne
einzubauen.
Freikühlfunktion reduziert
Betriebskosten
Insbesondere für Anwendungen,
in denen eine hohe
innere Kühllast abzuführen
ist, lohnt sich ein Blick
auf Klimageräte mit Wasser-
Glykol-Kreisläufen und Freikühl-Funktion.
Welches Energieeinsparpotenzial
dies eröffnet,
macht der Vergleich
zweier GEA-Geräte aus der Serie
„T-Range“ mit identischer
Kühlleistung in Tabelle 1 deutlich:
In beiden Gerätevarianten,
der „C“- und „F“-Version, ist
ein Kältemittelkreislauf im
Innern des Präzisionsklimageräts
installiert, der die abzuführende
Wärme über einen
Wärmetauscher an einen
Wasser-Glykol-Kreislauf
abgibt. Dieser wiederum bindet
einen außen aufgestellten
Luft-Wasser-Kühler ein.
Bei der F-Version wird die anfallende
Wärme bei niedrigen
Außentemperaturen unterstützend
über einen zusätzlichen
innen liegenden Luft-
Wasser-Wärmetauscher abgeführt.
Im günstigsten Fall
genügt die Freikühlung ohne
Zuhilfenahme des Kompressors,
um die richtige Lufttemperatur
bereitzustellen. In der
Übergangszeit kann der Kompressor
modellabhängig bei
geringerer Last zugeschaltet
werden. Beide Betriebsfälle
minimieren die Laufzeit bzw.
Auslastung des Verdichters
und sparen somit elektrische
Antriebsenergie.
∂ Tabelle 1: Systemvergleich wasserbasiertes Präzisionsklimagerät mit und
ohne Freikühlung.
Kaltwasser-
System C-Version
Freikühl-System
F-Version
Kälteleistung 19,2 kW 19,2 kW
Elektrische Leistungsaufnahme 2,01 kW 2,01 kW
Ventilator
Elektrische Leistungsaufnahme
0,22 kW 0,2 kW
Pumpe
Elektrische Leistungsaufnahme 0,79 kW 0,79 kW
Rückkühlerventilator
Elektrische Leistungsaufnahme 6,4 kW 5,93 kW
Kompressor
Summe maximale Leistungsaufnahme
9,42 kW 8,93 kW
Stromverbrauch in kWh/a 82.548 51.409
(für Standort Wien)
Ersparnis Stromkosten bei ganzjährigem
Betrieb (12 ct/kWh)
– 3740,- €/a
∂ Mit Freikühlung ausgestattete Präzisionsklimageräte kühlen bei ausreichend
niedrigen Außentemperaturen ohne Verdichtereinsatz oder nutzen diesen
nur im Teillastbetrieb, sodass gegenüber herkömmlichen Lösungen etwa
ein Drittel an elektrischer Antriebsenergie eingespart werden kann.
Wirtschaftlich ist die
Mehrinvestition in ein Gerät
mit Freikühlung immer dann,
wenn hohe innere Kühllasten
existieren und die Außentemperatur
für eine möglichst
hohe Anzahl von Jahresstunden
unter der gewünschten
Zulufttemperatur liegt. Dies
ist in Mittel- und Nordeuropa
in der Regel der Fall, wie ein
Blick in die Statistik der meteorologischen
Daten zur Berechnung
des Energiebedarfs
von heiz- und raumlufttechnischen
Anlagen (DIN 4710
Bbl. 1) zeigt. So liegt beispielsweise
für den Standort Essen
lediglich an 2900 h im Jahr
die Außentemperatur oberhalb
von 12 °C.
Das Rechenbeispiel in Tabelle
1 zeigt das Einsparpotenzial
auf: Angenommen wird
ein Strompreis von 12 ct/kWh.
Bei der „F“-Version kann der
Verdichter etwa ein Drittel des
Jahres abgeschaltet bleiben,
sodass der Verbrauch etwa
51 400 kWh pro Jahr beträgt.
Gegenüber der „C“-Version,
die etwa 82 500 kWh jährlich
benötigt, werden demnach
3740 Euro jährliche Betriebskosten
eingespart. Die Mehrkosten
für die „F“-Version machen
sich damit in weniger als
zwei Jahren bezahlt. Gleichzeitig
wird die Umwelt entlastet:
Eine Stromerzeugung
im deutschen Kraftwerksmix
vorausgesetzt, vermeidet eine
Freikühlung dieser Größenordung
fast 20 t CO₂ jährlich.
Auch den Vergleich mit einer
kältemittelbasierten Variante
braucht die Klimaanlage
mit Freikühlung nicht
zu scheuen: Gegenüber einer
Ausführung als Split-System
gleicher Leistung spart
die Freikühlung mehr als
20 000 kWh Strom und bietet
zugleich die mit einem wasserbasierten
System verbundenen
konstruktiven Vorteile.
Modernisierung mit
„Ambicool“
Ein Beispiel für die erfolgreiche
Anwendung der Freikühlung
liefert die Häcker
Küchen GmbH & Co. KG, Rödinghausen.
Seit dem Bezug
des Verwaltungsneubaus ist
die IT-Zentrale des mittelständischen
Produzenten im dritten
Obergeschoss angesiedelt.
In dem fensterlosen Raum befindet
sich seitdem das datentechnische
Rückgrat des Unternehmens.
In den letzten Jahren
wuchs die Anzahl der Serverschränke.
So sind heute fast
zehn voll bestückte Racks dort
in Betrieb. Sie benötigen eine
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∂ Die Präzisionsklimageräte der GEA-Baureihe „T-Range“ sind in verschiedenen
Versionen und Leistungen erhältlich und eignen sich für Einsatzgebiete,
in denen eine hohe Temperatur- und Feuchtigkeitskonstanz gewünscht ist.
elektrische Leistung von bis
zu 25 kW. Die resultierende
Abwärme abzuführen war bis
Sommer 2007 Aufgabe eines
redundant ausgelegten Split-
Systems. Die Kälte wurde über
vier Kassetten-Geräte in den
Raumecken im Umluftbetrieb
an die Luft übergeben. Die jeweils
diagonal gegenüberliegenden
Kassettengeräte gehörten
zu einem Kältekreis.
Der Ausfall eines Kreises
im vorigen Jahr zeigte, dass
diese Anlagenkonfiguration
keine Redundanz mehr bot.
Die defekte Anlage wurde zunächst
repariert, doch langfristig
sollte eine andere Lösung
her. Statt einen dritten
Kältekreis zu installieren,
wählten die Verantwortlichen
eine neue, energiesparende
Technik: ein Präzisionsklimagerät
mit Freikühlung. Es
kann am Standort in Westfalen
zwei Drittel der Betriebszeit
zur Deckung des Kühlbedarfs
beitragen und so den
durchschnittlichen Stromverbrauch
des Kompressors deutlich
senken. Die Mehrinvestition
des Gerätes gegenüber einer
Version ohne Freikühlung
wird sich in weniger als drei
Jahren rentiert haben.
Seit Sommer 2007 kühlt ein
GEA-Klimaschrank der Baureihe
„T-Range Ambicool“ die
IT-Zentrale. Er verfügt über
zwei Verdichter in Twin-Anordnung.
Bei Volllast arbeiten
beide Kompressoren, bei Teillast
liefert einer alleine bis zu
60 % der Nennkälteleistung.
Die Twin-Anordnung bietet
eine interne Redundanz und
ermöglicht außerdem einen
niedrigen Einschaltstrom.
Das neu installierte Präzisionsklimagerät
kühlt die
Luft auf etwa 12 °C herunter
und führt sie dem Raum wieder
zu. Die Regelung nutzt die
Austrittstemperatur als Führungsgröße
und stellt das Gerät
so ein, dass sie auf +/-1 K
eingehalten wird. Die relative
Feuchtigkeit darf dabei lediglich
im Bereich von +/-5 %
schwanken. Die Regelung ist
in die Gebäudeleittechnik eingebunden,
sodass bei einer
eventuellen Störung die als
Reserve vorgehaltenen Split-
Geräte automatisch in Betrieb
gehen würden.
Bester Wirkungsgrad im
Teillastbetrieb
Das verwendete Modell liefert
maximal 33 kW Kühlleistung
und ist somit um 25 %
überdimensioniert. Das verschafft
Häcker zum einen
Spielraum für die weitere Installation
von Servern und
verringert andererseits die
Betriebskosten. So erreichen
die meisten Präzisionsklimageräte
ihren besten Wirkungsgrad
nicht bei Volllast, sondern
oft bei zwei Drittel oder
drei Viertel der Nennleistung.
Auch um Redundanz zu schaffen,
lohnt es sich, mehrere Geräte
in Teillast zu betreiben.
Bei einem sogenannten n+1-
System steht darüber hinaus
bei Störungen oder Wartungsarbeiten
genügend Leistung
bereit. Durch die geschickte
Wahl des Betriebspunktes
kann darüber hinaus im Normalbetrieb
das bestmögliche
Verhältnis aus eingesetzter
Energie und Kälteleistung erzielt
werden.
∂
B i l d e r : GEA-Happel Klimatechnik,
Herne
@ Internetinformationen:
www.gea-happel.de
∂ Seit Sommer 2007 wird die IT-Zentrale bei Häcker-Küchen mithilfe eines Präzisionsklimagerätes mit Freikühlfunktion
gekühlt.
Bild: Häcker Küchen GmbH
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