Betriebskostensenkung im Rechenzentrum - PowerBuilding

Betriebskostensenkung im Rechenzentrum 

Energieeinsparung durch innovative Rückkühlung 

Referent: Dipl.-Ing (FH) Joachim Weber 

JAEGGI Hybridtechnologie AG 

27.05.2010; Thomas Odrich; Jäggi/ Güntner (Schweiz) AG


Agenda 

‣ Grundlagen 

‣ Kühlverfahren in Rechenzentren 

‣ Funktion von Kälteanlagen 

‣ Leistungzahl COP bzw. neu EER 

‣ Hybridkühler 

‣ Funktionsweise und Eigenschaften 

‣ Beispielrechnung Kälteanlage mit Hybridkühler 

‣ Freie Kühlung (Free-Cooling) 

‣ Fallbeispiele: RZ-Kühlung ohne Kältemaschine 

‣ Fazit 

‣ Ausblick 

28.5.2013, DCC Zürich, Joachim Weber, JAEGGI Hybridtechnologie AG 

2


Ausgangssituation: Kühlung ist mit 25% zweitgrösster Stromverbraucher 

Ziel: 

PUE (Power Usage Effectiveness) so gering wie möglich 

Netzteile/ Licht etc. 

3% 

USV 

10% 

Luftverteilung 

12% 

IT Harware 

50% 

Kühlung 

25% 

Typische Anteile von IT-Hardware und Betriebstechnik am 

Stromverbrauch in einem neuen Rechenzentrum 

Quelle: DENA; Leistung steigern, Kosten senken: Energieeffizienz im Rechenzentrum 


3


Kühlverfahren in Rechenzentren 

Quelle: BITKOM-Leitfaden 2009, Betriebssichere Rechenzentren 


4


Funktionsschema einer Kälteanlage zur Raumluftkühlung 

1000 kW 

Energiezufuhr aus 

dem Serverraum 

1250 kW 

Energieabfuhr an 

die Umgebung 

Luftkühler 

20/15°C 

Kaltwasser 

Verdampfer 

Kältemaschine 

(Kaltwassersatz) 

Verflüssiger 

Rückkühler 

32/27°C 

Kühlwasser 

250 kW 

Energiezufuhr durch Verdichter der Kälteanlage, Pumpen, Gebläse, … 


5


Kälteprozess im h - log p - Diagramm 

je geringer der 

Temperaturhub bzw. die 

Druckdifferenz zwischen 

Verdampfer (1) und 

Verflüssiger (3), umso 

weniger Energie wird am 

Verdichter (2) benötigt: 

Hier liegt der Hebel für die 

Energieeinsparung bei der 

Kälteerzeugung. 


6


Leistungszahl COP ( neu EER =Energy Efficiency Ratio) 

COP 

 

Nutzen 

Aufwand 

 

Kälteleistung 

elektr.Leistungsaufnahme 

Q 

 

W 

0 

elektr . 

im Beispiel: 

1000 kW 

= = 4 

250 kW 

COP 

SIA382 

 

Kälteleistung 

elektr.Leistungsaufnahme der gesamten 

Anlage 

Luftkühler 

Rückkühler 

Verdampfer 

Verflüssiger 


7


Besondere Vorgaben in der Schweiz: SIA 382/1:2007 

5.6.1 Kälteerzeugung inklusive Rückkühlung und Kälteverteilung sind als 

Gesamtsystem zu betrachten und bezüglich Energieeffizienz zu 

optimieren. 

5.6.3 Die Anlage ist bedarfsgerecht zu betreiben. Der Sollwert der Kaltwassertemperatur 

soll bedarfsabhängig variiert werden. 

5.6.4 Bei konventioneller Kälteerzeugung muss die Vollast- und die Teillast- 

Leistungszahl (COP) der Kälteanlage inklusive Rückkühlung (Pumpen 

und Ventilatoren) die Anforderungen gemäss Tabelle 18 erfüllen. 

Tabelle 18 Leistungszahlen von Kälteanlagen inkl. Rückkühlung (Pumpen und Ventilatoren) 

Gesamtkälteleistung der Anlage in kW bei 100% 1 10 20 50 100 200 500 1000 

Minimale Leistungszahl 

Bei Teillast 50% (inkl. Rückkühlung) 

Grenzwert 

Zielwert 

Minimale Leistungszahl 

Grenzwert 

Bei Volllast 100% (inkl. Rückkühlung) Zielwert 

3.2 

4.0 

3.2 

4.0 

4.4 

5.2 

3.3 

4.1 

4.8 

5.8 

3.5 

4.3 

5.5 

6.6 

3.8 

4.6 

6.0 

7.3 

4.1 

4.9 

6.2 

8.0 

4.2 

5.0 

6.2 

8.2 

4.2 

5.0 

6.2 

8.2 

4.2 

5.0 

Quelle: SIA; SIA 382/1:2007 Lüftungs- und Kälteanlagen – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen 


8

Leistungszahl COP 


Leistungszahl COP eines modernen Turboverdichters 

7 

6 

5 

COP(30 / 35) 

COP(25/ 

30) 

 

 

5 

6 

4 

3 

W 

W 

Elektr . 

Elektr . 

(30 / 35) 

(25/ 30) 

 

 

200kW 

167 kW 

2 

1 

0 

33kW 

200kW 

16% 

 

5K 

3% 

 

1K 

25/30 30/35 35/40 40/45 45/50 50/55 

Kühlwassertemperaturen [°C] 

bei Kaltwassertemperaturen 12/6°C 

Strom sparen an der Kältemaschine durch niedrigere 

Verflüssigungstemperaturen: ca. 3% pro 1K 


9


Funktion und Vorteile des JAEGGI-Hybridkühlers 

Vorteile gegenüber 

Trockenkühlern: 

- viel niedrigere 

Wassertemperaturen 

- geringerer 

Stromverbrauch 

- geringerer Platzbedarf 

Vorteile gegenüber 

Kühltürmen: 

- viel geringerer 

Wasserverbrauch 

- schwadenfrei 

- Abluft ohne Aerosole 

- deutlich leiser 


10


Beispiel für Kälteanlage mit 1000 kW Kälteleistung 

Kälteleistung 1000 kW mit Kaltwasser 20/15°C: EER = 4 , somit Pel= 250 kW 

Rückkühlleistung 1250 kW mit Kühlwasser 32/27°C bei T f = 22°C: 

HTK 1.8/10.9 

m 

HTK 1.8/10.9: 4 Ventilatoren x 6,3 kW + 2 Pumpen x 0,9 kW = 

• free cooling 1000 kW, 20/15°C: trocken bis Umgebungstemp. 6,9°C 

• benetzt bis T f =9,4°C z.B. 15°C/49% rel. Feuchte 

27 kW 


11


R+I Schema Kälteanlage im Kältemaschinenbetrieb 

Kältemaschine KM 

Rückkühler RK 

32°C 

27°C 

20°C 

15°C 

Verbraucher/ 

Wärmelieferant 


12


R+I Schema Kälteanlage im Freikühl-/ Free-Cooling Betrieb 

19°C 

Rückkühler 

14°C 

20°C 

15°C 

Verbraucher/ 

Wärmelieferant 


13


Summenhäufigkeit Lufttemperatur / Feuchtkugeltemperatur 


14


Free-Cooling: Rückkühler ersetzt zeitweise die Kältemaschine 

Stromeinsparung durch „Free-Cooling“ 

in Kaltwassersystemen kann der Hybridkühler in der kälteren Jahreszeit die energieintensiven 

Kältemaschinen ersetzen: bei 1000 kW Kälteleistung und Wassertemperaturen 20/15°C sinkt 

der Leistungsbedarf von ca. 277 kW (KM+RK) auf ca. 27 kW für den Hybridkühler, d.h. -90%!!! 

100% 

80% 

60% 

40% 

20% 

0% 

2220 h/a 860 h/a 270 h/a 60 h/a 

20/15°C 23/18°C 26/21°C 29/24°C 

Freie Kühlung Trockenbetrieb 

Kältemaschinenbetrieb 

Freie Kühlung benetzter Betrieb 

Diagramm: Jahresbetriebsstunden Free-Cooling mit hybridem Trockenkühler bei steigenden Kaltwassertemperaturen, Standort Zürich 


15


Stromverbrauch des Beispiels mit 1000 kW ohne/mit Free-Cooling 

Vergleich Jahresstromverbrauch KM+RK 

2.500 

2261 

energy demand [MWh] 

2.000 

1.500 

1.000 

- 71% - 88% - 94% - 97% 

649 

500 

0 

280 

128 

75 

no freecooling 20/15°C 23/18°C 26/21°C 

29/24°C 

29/23°C 


16


Betriebskosten des Beispiels mit 1000 kW ohne/mit Free-Cooling 

Vergleich Jahresbetriebskosten KM + RK 

(0,1 Euro/kWh Strom, 4 Euro/m3 Wasser inkl. Abwasser) 

300.000 € 

operating costs [€] 

250.000 € 

249.609 € 

200.000 € 

150.000 € 

100.000 € 

- 64% - 78% - 85% - 91% 

90.078 € 

50.000 € 

55.948 € 36.821 € 

23.162 € 

- € 

29/24°C 

no freecooling 20/15°C 23/18°C 26/21°C 29/23°C 


17


Wie kalt muss es im Serverraum tatsächlich sein? 

Quelle: Weiss ITK Airconditioning, Vortrag Suisse Frio November 2011 


18


Wie kalt muss es im Serverraum tatsächlich sein? 

CCI, 10. Januar 2012, Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl 

Intel sagt: 100 °F im Rechenzentrum sind kein Problem 

"100 °Fahrenheit (fast 38 °C) stellen für den sicheren Betrieb eines 

Rechenzentrums kein Problem dar". Dies verkündete der Mikrochip- 

Hersteller Intel Ende 2011 und empfahl den Betreibern, zur Verringerung der 

Kosten zur Kühlung in ihren Rechenzentren deutlich höhere Temperaturen 

zuzulassen. 

Die Temperatur im Rechenzentrum könne durchaus auf Werte von deutlich über 

30 °C ansteigen, ohne dass dadurch die Betriebssicherheit der Server gefährdet 

wird. So könnten weltweit pro Jahr mehr als 2 Mrd. US-$ Betriebskosten 

eingespart werden. Hier verweist Intel auch auf ein eigenes Rechenzentrum in 

New Mexiko, bei dem die Temperatur auf 33 °C angehoben wurde. 

Ergebnis: Die Stromkosten sanken um 67 %. 


19


Fallbeispiel 1: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine 

Neubau ÖKK Landquart, Graubünden/CH 

Quelle: ÖKK / Architekten Bearth+Deplazes 


20



RZ-Kühlung mit 

Umluftkühlgerät, 

130 kW 

Hybridkühler 

JAEGGI HTK 1.2/3.0, 

mit 130 kW, 31/22°C 

bei T f =18,2°C 

(z.B. 30°C/33% oder 

32°C/27%) 

Quelle: Anlagenschema Amstein+Walthert AG 


21



hybrider 

Trockenkühler 

JAEGGI 

HTK 1.2/3.0 

aufgestellt auf 

dem Dach, aus 

architektonischen 

Gründen in einer 

Einhausung 

Quelle: Amstein+Walthert AG 


22



Hochschule Luzern, Modernisierung Serverraumkühlung Enterprise Lab 

Ersatz vorhandener Kältemaschine durch Hybridkühler, gefördert im Rahmen des 

PUEDA-Projekts (siehe www.pueda.ch) 

100% 

100% 

49.5 kW 

vorher 

100% 

100% 

49.5 kW 

nachher 

PUE = 1.64 

PUE = 1.15 

50% 

0 

IT 

Quelle: Hochschule Luzern 

Technik & Architektur 

32.7% 

16 kW 

24.8% 

12.3 kW 

6.5% 

3.2 kW 

Rückkühlung USV 


Wasserförderung 

50% 

0 

IT 

0% 

0 kW 



8.1% 

6.5% 

4 kW 3.2 kW 

Rückkühlung/FC 


Wasserförderung 

Kühlung: Faktor 7 effizienter! 

USV 


23



Umsetzung: 

Main Electrical Board 

MI 1 

TI 5 

EI 4 

EI 5 EI 6 

Kaltwasserpumpe 

EI 1 

FI 1 

EI 7 

TI 3 

TI 4 

TI 2 

TI 1 

USV 

Serverraum 

TI 7 

Beleuchtung 

TI 6 

GI 1 GI 2 GI 3 GI 4 GI 5 

EI 2 

EI 3 

Sec Electrical Board 

TI 11 

IT- 

Rack 

1 

TI 12 

TI 13 

IT- 

Rack 

2 

TI 14 

TI 15 

IT- 

Rack 

4 

TI 16 

TI 17 

IT- 

Rack 

5 

TI 18 

TI 19 

IT- 

Rack 

3 

IBM- 

Mainfr 

ame 

TI20 

Wasser- 

Aufbereit 

ung 

Quelle: Hochschule Luzern 

Technik & Architektur 


24



hybrider 

Trockenkühler 

JAEGGI HTK 1.2/2.4: 

Kühlleistung 80 kW, 

35/25/21,5°C, 

Motorleistung: 

Ventilator 2,2 kW + 

Benetzungspumpe 

0,7 kW = 2,9 kW 

aufgestellt auf dem 

Dach, Einbringung 

mit Helikopter 


25





26





27


Fazit 

‣ wassergekühlte Kältemaschinen mit hohem EER 

‣ energie- und wassersparende Rückkühler 

‣ Kühlwassertemperatur möglichst niedrig 

‣ Raumluftemperatur so hoch wie möglich (ASHRAE 2011: 

32°C) d.h. Kaltwassertemperatur so hoch wie möglich 

‣ maximale Zeit für freie Kühlung nutzen 

‣ ganz ohne Kältemaschine fahren 

Minimaler Energie- und Wasserverbrauch 


28


Ausblick - zukünftige Herausforderungen 

WUE = Water Usage Effectiveness 

WUE 

 

Annual SiteWater Usage 

IT Equipment Energy 

WUE 

Source 

 

Annual 

Source EnergyWater Usage 

Annual 

IT Equipment Energy 

SiteWater Usage 

neben dem Stromverbrauch muss auch der Wasserverbrauch 

im Rechenzentrum reduziert werden 


29


Wasser sparen mit JAEGGI-Hybridkühler, Beispiel: 1000 kW, 38/28/21°C 

Zustandsbereich 

(Betriebszustand) 

des Kühlers 

von bis Phi trok- be- (E = 3) 

Luft- Fahrw eise Ventilator Wasserverbrauch Energie- Betriebs- Kühl- 

Kühl- 

drehzahl Frisch- Ab- bedarf stunden leistung 

w asser w asser gesamt Ein Aus 

[°C] [°C] % ken netzt % [m³] [m³] [kWh] h [kW] 

w asser 

-29 -20 0 1 0 28 0 0 2 5 1000 38 28 

-20 -17 0 1 0 30 0 0 7 16 1000 38 28 

-17 -14 0 1 0 31 0 0 19 38 1000 38 28 

-14 -11 0 1 0 34 0 0 47 77 1000 38 28 

-11 -8 0 1 0 36 0 0 97 129 1000 38 28 

-8 -5 0 1 0 39 0 0 257 276 1000 38 28 

-5 -2 0 1 0 42 0 0 649 552 1000 38 28 

-2 1 0 1 0 45 0 0 1'911 1263 1000 38 28 

1 4 0 1 0 50 0 0 1'952 972 1000 38 28 

4 7 0 1 0 55 0 0 2'635 959 1000 38 28 

7 10 0 1 0 62 0 0 4'117 1038 1000 38 28 

10 13 0 1 0 72 0 0 6'894 1117 1000 38 28 

13 16 0 1 0 87 0 0 10'769 1005 1000 38 28 

16 18 0 1 0 100 0 0 7'289 446 1000 38 28 

18 19 66 1/2 1/2 77 187 63 1'430 175 1000 38 28 

19 22 60 1/2 1/2 89 456 153 4'518 374 1000 38 28 

22 24.1 56 1/2 1/2 99 223 74 2'768 165 1000 38 28 

24.1 25 55 0 1 53 100 33 201 53 1000 38 28 

25 28 48 0 1 56 176 59 357 84 1000 38 28 

28 31 41 0 1 59 59 20 123 26 1000 38 28 

31 33 36 0 1 61 9 3 18 4 1000 38 28 

1210 403 46060 8760 

[°C] 

Wasserverbrauch hybrider 

Trockenkühler bei 3- 

Schicht-Betrieb, 8760 h/a, 

Eindickung 3-fach: 

1.210 m 3 Frischwasser 

403 m 3 Abwasser 

vgl. mit Nasskühlturm: 15.060 m 3 Frischwasser, 5.020 m 3 Abwasser 

x 

12 

und entsprechend 

mehr 

Chemikalien/Biozid !! 

28.5.2013, DCC Zürich, Joachim Weber, JAEGGI Hybridtechnologie AG


Referenzen: über 200 JAEGGI-Kühler im RZ-Einsatz mit insgesamt ca.300 MW 

… einer von 30 JAEGGI- 

Hybridkühlern bei SAP, der dort 

zur Strom- und Wassereinsparung 

beiträgt 


31

Betriebskostensenkung im Rechenzentrum 


Vielen Dank für ihr 

Interesse. 

Haben Sie noch Fragen? 

JAEGGI Hybridtechnologie AG 

Hirschgässlein 11 

CH-4051 Basel 

Tel.: +41 61 560 91 45 

joachim.weber@jaeggi-hybrid.ch 

www.jaeggi-hybrid.ch 

27.05.2010; Thomas Odrich; Jäggi/ Güntner (Schweiz) AG

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