Serverräume effizienter kühlen
Serverräume effizienter kühlen
Serverräume effizienter kühlen
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
K l i m a<br />
Serverräume <strong>effizienter</strong><br />
kühlen<br />
Präzisionsklimageräte mit Freikühlung senken Betriebskosten<br />
Kort-Hinrich Heumann*<br />
Oftmals werden direktverdampfende Klimageräte einer Kühlung mit wasserführenden<br />
Systemen vorgezogen, ohne dabei an die Optimierung der Betriebskosten zu denken. Präzisionsklimageräte<br />
mit einem Glykol-Wasser-Kreislauf und Freikühlung ermöglichen eine<br />
energie<strong>effizienter</strong>e Kühlung der Server. So können bis zu 30 % des elektrischen Stroms für<br />
den Verdichterantrieb eingespart werden, da der Verdichter aufgrund des Freikühlprinzips<br />
an kühlen Tagen abgeschaltet bleiben kann oder im Teillastbetrieb arbeitet.<br />
*) Kort-Hinrich Heumann, GEA<br />
Happel Klimatechnik GmbH,<br />
Herne<br />
Die elektronische Datenverarbeitung<br />
nimmt an Bedeutung<br />
zu: Papierlose Belegverwaltung,<br />
die elektronische<br />
Patientenakte, Internet-Shopping,<br />
moderne Kommunikationstechnik<br />
und vieles mehr<br />
bewirken, dass immer mehr<br />
und immer leistungsfähigere<br />
Rechnertechnik gefragt<br />
ist. Trotz der massiven Fortschritte<br />
bei der Entwicklung<br />
sparsamer Prozessoren und<br />
genügsamer Peripherie gehört<br />
die Informations- und<br />
Kommunikationstechnik heute<br />
zu den großen Stromverbrauchern.<br />
Und ihr Hunger<br />
nach Elektrizität steigt weiter<br />
an. Auf jede kWh Strom<br />
für den Serverbetrieb muss in<br />
einem Rechenzentrum eine<br />
weitere zum Kühlen aufgewendet<br />
werden, um die hohen<br />
inneren Kühllasten abzuführen.<br />
Anschlussleistungen<br />
von mehreren kW pro<br />
Rack sind heute keine Seltenheit,<br />
sodass selbst kleine Serverräume<br />
mittelständischer<br />
Unternehmen bereits Kühllasten<br />
im zweistelligen Kilowattbereich<br />
abführen müssen.<br />
Wer die Betriebskosten<br />
seines Serverparks minimieren<br />
will, braucht daher nicht<br />
nur eine sparsame Rechnertechnik,<br />
sondern auch eine effiziente<br />
Klimatisierung.<br />
Die Wahl eines geeigneten<br />
Klimagerätes hängt neben<br />
der Kühlleistung von weiteren<br />
Faktoren ab. So sollte es<br />
∑ für den ganzjährigen Betrieb<br />
bei hoher Last geeignet<br />
sein,<br />
∑ eine extrem hohe Verfügbarkeit<br />
bieten,<br />
∑ ein enges Toleranzband bei<br />
Temperatur und Feuchte<br />
einhalten (+/- 1 °C; +/-5 %<br />
rel. Feuchte)<br />
∑ und eine hohe sensible<br />
Kühlleistung bei geringem<br />
Verbrauch erbringen.<br />
Klimatisierung beeinflusst<br />
Datensicherheit<br />
Dieses Eigenschaftsprofil<br />
ist wichtig, weil der sichere<br />
Betrieb eines Rechenzentrums<br />
nicht nur von der<br />
Ausfallsicherheit der Rechnertechnik<br />
und der kontinuierlichen<br />
Stromversorgung<br />
abhängt, sondern auch maßgeblich<br />
von der Klimaanlage<br />
beeinflusst wird. Der Ausfall<br />
oder eine Leistungsreduzierung<br />
der Klimaanlage kann<br />
insbesondere im Sommer zur<br />
Überhitzung der Server führen<br />
und ihre Zwangsabschaltung<br />
erfordern. Präzisionsklimageräte<br />
sind speziell für das<br />
Kühlen von Servern oder für<br />
die wärmesensible Fertigung<br />
konstruiert und bieten eine<br />
Fülle von Optionen, aus denen<br />
Investoren die zur Anwendung<br />
passende Technik<br />
wählen können. So fertigt<br />
die GEA Happel Klimatechnik<br />
GmbH innerhalb einer<br />
Geräteserie Modelle für die Innen-<br />
und Außenaufstellung,<br />
Varianten für den Betrieb im<br />
Serverraum und zur Aufstellung<br />
im benachbarten Technikraum<br />
sowie für verschiedene<br />
Richtungen der Luftführung<br />
als kältemittel- oder<br />
wasserbasierte Systeme.<br />
Wenn die erforderliche<br />
Kühlleistung, die Luftfüh-<br />
∂ Das wasserbasierte System der „T“-Range „C“-Version verfügt über einen<br />
außen aufstellbaren, luftgekühlten Kaltwassersatz, in dem sich Verdichter und<br />
Verdampfer befinden.<br />
∂ Geräte mit Freikühlfunktion („F“-Version) enthalten einen Verdichter-Verdampfer-Kreislauf<br />
mit Kältemittel, dessen Verflüssiger die Wärme an einen<br />
Wasser-Glykol-Kreislauf abgibt.<br />
22 IKZ-FACHPLANER · Heft 5 /2008
K l i m a<br />
rung und der Aufstellort feststehen,<br />
stellt sich oft die Frage<br />
nach dem effektivsten Funktionsprinzip.<br />
Um eine Gefährdung<br />
durch Wasser auszuschließen,<br />
bevorzugen viele<br />
Anwender kältemittelbasierte<br />
Systeme. Diese Entscheidung<br />
geht allerdings mit dem<br />
Verzicht auf mehrere Vorteile<br />
einher. So sind eventuelle Leckagen<br />
im Kaltwasserkreislauf<br />
leichter zu entdecken<br />
als solche in einem Kältemittelkreislauf,<br />
da austretendes<br />
Kältemittel sofort verdampft.<br />
Außerdem gestatten Kaltwassernetze<br />
ein Rohrsystem, das<br />
lange Leitungswege zulässt<br />
und in das sich leicht weitere<br />
Geräte einbeziehen lassen.<br />
Schließlich eröffnet ein Glykol-Wasser-System<br />
die Möglichkeit,<br />
den Rückkühler an<br />
beliebiger Stelle zu platzieren<br />
und diesen zur Freikühlung zu<br />
nutzen. Um dem Risiko eines<br />
Wasseraustritts vorzubeugen,<br />
genügt es, im üblichen Doppelboden<br />
eine Auffangwanne<br />
einzubauen.<br />
Freikühlfunktion reduziert<br />
Betriebskosten<br />
Insbesondere für Anwendungen,<br />
in denen eine hohe<br />
innere Kühllast abzuführen<br />
ist, lohnt sich ein Blick<br />
auf Klimageräte mit Wasser-<br />
Glykol-Kreisläufen und Freikühl-Funktion.<br />
Welches Energieeinsparpotenzial<br />
dies eröffnet,<br />
macht der Vergleich<br />
zweier GEA-Geräte aus der Serie<br />
„T-Range“ mit identischer<br />
Kühlleistung in Tabelle 1 deutlich:<br />
In beiden Gerätevarianten,<br />
der „C“- und „F“-Version, ist<br />
ein Kältemittelkreislauf im<br />
Innern des Präzisionsklimageräts<br />
installiert, der die abzuführende<br />
Wärme über einen<br />
Wärmetauscher an einen<br />
Wasser-Glykol-Kreislauf<br />
abgibt. Dieser wiederum bindet<br />
einen außen aufgestellten<br />
Luft-Wasser-Kühler ein.<br />
Bei der F-Version wird die anfallende<br />
Wärme bei niedrigen<br />
Außentemperaturen unterstützend<br />
über einen zusätzlichen<br />
innen liegenden Luft-<br />
Wasser-Wärmetauscher abgeführt.<br />
Im günstigsten Fall<br />
genügt die Freikühlung ohne<br />
Zuhilfenahme des Kompressors,<br />
um die richtige Lufttemperatur<br />
bereitzustellen. In der<br />
Übergangszeit kann der Kompressor<br />
modellabhängig bei<br />
geringerer Last zugeschaltet<br />
werden. Beide Betriebsfälle<br />
minimieren die Laufzeit bzw.<br />
Auslastung des Verdichters<br />
und sparen somit elektrische<br />
Antriebsenergie.<br />
∂ Tabelle 1: Systemvergleich wasserbasiertes Präzisionsklimagerät mit und<br />
ohne Freikühlung.<br />
Kaltwasser-<br />
System C-Version<br />
Freikühl-System<br />
F-Version<br />
Kälteleistung 19,2 kW 19,2 kW<br />
Elektrische Leistungsaufnahme 2,01 kW 2,01 kW<br />
Ventilator<br />
Elektrische Leistungsaufnahme<br />
0,22 kW 0,2 kW<br />
Pumpe<br />
Elektrische Leistungsaufnahme 0,79 kW 0,79 kW<br />
Rückkühlerventilator<br />
Elektrische Leistungsaufnahme 6,4 kW 5,93 kW<br />
Kompressor<br />
Summe maximale Leistungsaufnahme<br />
9,42 kW 8,93 kW<br />
Stromverbrauch in kWh/a 82.548 51.409<br />
(für Standort Wien)<br />
Ersparnis Stromkosten bei ganzjährigem<br />
Betrieb (12 ct/kWh)<br />
– 3740,- €/a<br />
∂ Mit Freikühlung ausgestattete Präzisionsklimageräte kühlen bei ausreichend<br />
niedrigen Außentemperaturen ohne Verdichtereinsatz oder nutzen diesen<br />
nur im Teillastbetrieb, sodass gegenüber herkömmlichen Lösungen etwa<br />
ein Drittel an elektrischer Antriebsenergie eingespart werden kann.<br />
Wirtschaftlich ist die<br />
Mehrinvestition in ein Gerät<br />
mit Freikühlung immer dann,<br />
wenn hohe innere Kühllasten<br />
existieren und die Außentemperatur<br />
für eine möglichst<br />
hohe Anzahl von Jahresstunden<br />
unter der gewünschten<br />
Zulufttemperatur liegt. Dies<br />
ist in Mittel- und Nordeuropa<br />
in der Regel der Fall, wie ein<br />
Blick in die Statistik der meteorologischen<br />
Daten zur Berechnung<br />
des Energiebedarfs<br />
von heiz- und raumlufttechnischen<br />
Anlagen (DIN 4710<br />
Bbl. 1) zeigt. So liegt beispielsweise<br />
für den Standort Essen<br />
lediglich an 2900 h im Jahr<br />
die Außentemperatur oberhalb<br />
von 12 °C.<br />
Das Rechenbeispiel in Tabelle<br />
1 zeigt das Einsparpotenzial<br />
auf: Angenommen wird<br />
ein Strompreis von 12 ct/kWh.<br />
Bei der „F“-Version kann der<br />
Verdichter etwa ein Drittel des<br />
Jahres abgeschaltet bleiben,<br />
sodass der Verbrauch etwa<br />
51 400 kWh pro Jahr beträgt.<br />
Gegenüber der „C“-Version,<br />
die etwa 82 500 kWh jährlich<br />
benötigt, werden demnach<br />
3740 Euro jährliche Betriebskosten<br />
eingespart. Die Mehrkosten<br />
für die „F“-Version machen<br />
sich damit in weniger als<br />
zwei Jahren bezahlt. Gleichzeitig<br />
wird die Umwelt entlastet:<br />
Eine Stromerzeugung<br />
im deutschen Kraftwerksmix<br />
vorausgesetzt, vermeidet eine<br />
Freikühlung dieser Größenordung<br />
fast 20 t CO₂ jährlich.<br />
Auch den Vergleich mit einer<br />
kältemittelbasierten Variante<br />
braucht die Klimaanlage<br />
mit Freikühlung nicht<br />
zu scheuen: Gegenüber einer<br />
Ausführung als Split-System<br />
gleicher Leistung spart<br />
die Freikühlung mehr als<br />
20 000 kWh Strom und bietet<br />
zugleich die mit einem wasserbasierten<br />
System verbundenen<br />
konstruktiven Vorteile.<br />
Modernisierung mit<br />
„Ambicool“<br />
Ein Beispiel für die erfolgreiche<br />
Anwendung der Freikühlung<br />
liefert die Häcker<br />
Küchen GmbH & Co. KG, Rödinghausen.<br />
Seit dem Bezug<br />
des Verwaltungsneubaus ist<br />
die IT-Zentrale des mittelständischen<br />
Produzenten im dritten<br />
Obergeschoss angesiedelt.<br />
In dem fensterlosen Raum befindet<br />
sich seitdem das datentechnische<br />
Rückgrat des Unternehmens.<br />
In den letzten Jahren<br />
wuchs die Anzahl der Serverschränke.<br />
So sind heute fast<br />
zehn voll bestückte Racks dort<br />
in Betrieb. Sie benötigen eine<br />
Heft 5 /2008 · IKZ-FACHPLANER 23
K l i m a<br />
∂ Die Präzisionsklimageräte der GEA-Baureihe „T-Range“ sind in verschiedenen<br />
Versionen und Leistungen erhältlich und eignen sich für Einsatzgebiete,<br />
in denen eine hohe Temperatur- und Feuchtigkeitskonstanz gewünscht ist.<br />
elektrische Leistung von bis<br />
zu 25 kW. Die resultierende<br />
Abwärme abzuführen war bis<br />
Sommer 2007 Aufgabe eines<br />
redundant ausgelegten Split-<br />
Systems. Die Kälte wurde über<br />
vier Kassetten-Geräte in den<br />
Raumecken im Umluftbetrieb<br />
an die Luft übergeben. Die jeweils<br />
diagonal gegenüberliegenden<br />
Kassettengeräte gehörten<br />
zu einem Kältekreis.<br />
Der Ausfall eines Kreises<br />
im vorigen Jahr zeigte, dass<br />
diese Anlagenkonfiguration<br />
keine Redundanz mehr bot.<br />
Die defekte Anlage wurde zunächst<br />
repariert, doch langfristig<br />
sollte eine andere Lösung<br />
her. Statt einen dritten<br />
Kältekreis zu installieren,<br />
wählten die Verantwortlichen<br />
eine neue, energiesparende<br />
Technik: ein Präzisionsklimagerät<br />
mit Freikühlung. Es<br />
kann am Standort in Westfalen<br />
zwei Drittel der Betriebszeit<br />
zur Deckung des Kühlbedarfs<br />
beitragen und so den<br />
durchschnittlichen Stromverbrauch<br />
des Kompressors deutlich<br />
senken. Die Mehrinvestition<br />
des Gerätes gegenüber einer<br />
Version ohne Freikühlung<br />
wird sich in weniger als drei<br />
Jahren rentiert haben.<br />
Seit Sommer 2007 kühlt ein<br />
GEA-Klimaschrank der Baureihe<br />
„T-Range Ambicool“ die<br />
IT-Zentrale. Er verfügt über<br />
zwei Verdichter in Twin-Anordnung.<br />
Bei Volllast arbeiten<br />
beide Kompressoren, bei Teillast<br />
liefert einer alleine bis zu<br />
60 % der Nennkälteleistung.<br />
Die Twin-Anordnung bietet<br />
eine interne Redundanz und<br />
ermöglicht außerdem einen<br />
niedrigen Einschaltstrom.<br />
Das neu installierte Präzisionsklimagerät<br />
kühlt die<br />
Luft auf etwa 12 °C herunter<br />
und führt sie dem Raum wieder<br />
zu. Die Regelung nutzt die<br />
Austrittstemperatur als Führungsgröße<br />
und stellt das Gerät<br />
so ein, dass sie auf +/-1 K<br />
eingehalten wird. Die relative<br />
Feuchtigkeit darf dabei lediglich<br />
im Bereich von +/-5 %<br />
schwanken. Die Regelung ist<br />
in die Gebäudeleittechnik eingebunden,<br />
sodass bei einer<br />
eventuellen Störung die als<br />
Reserve vorgehaltenen Split-<br />
Geräte automatisch in Betrieb<br />
gehen würden.<br />
Bester Wirkungsgrad im<br />
Teillastbetrieb<br />
Das verwendete Modell liefert<br />
maximal 33 kW Kühlleistung<br />
und ist somit um 25 %<br />
überdimensioniert. Das verschafft<br />
Häcker zum einen<br />
Spielraum für die weitere Installation<br />
von Servern und<br />
verringert andererseits die<br />
Betriebskosten. So erreichen<br />
die meisten Präzisionsklimageräte<br />
ihren besten Wirkungsgrad<br />
nicht bei Volllast, sondern<br />
oft bei zwei Drittel oder<br />
drei Viertel der Nennleistung.<br />
Auch um Redundanz zu schaffen,<br />
lohnt es sich, mehrere Geräte<br />
in Teillast zu betreiben.<br />
Bei einem sogenannten n+1-<br />
System steht darüber hinaus<br />
bei Störungen oder Wartungsarbeiten<br />
genügend Leistung<br />
bereit. Durch die geschickte<br />
Wahl des Betriebspunktes<br />
kann darüber hinaus im Normalbetrieb<br />
das bestmögliche<br />
Verhältnis aus eingesetzter<br />
Energie und Kälteleistung erzielt<br />
werden.<br />
∂<br />
B i l d e r : GEA-Happel Klimatechnik,<br />
Herne<br />
@ Internetinformationen: <br />
www.gea-happel.de<br />
∂ Seit Sommer 2007 wird die IT-Zentrale bei Häcker-Küchen mithilfe eines Präzisionsklimagerätes mit Freikühlfunktion<br />
gekühlt. <br />
Bild: Häcker Küchen GmbH<br />
24 IKZ-FACHPLANER · Heft 5 /2008