Serverraumkühlung

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Serverraumkühlung
Ohne Informations- und Kommunikationstechnik
funktioniert in einem Unternehmen der betriebliche
Alltag nicht mehr. Berechnungen, Datenbanken oder
die schriftliche Korrespondenz laufen ebenso über die elektronische Datenverarbeitung (EDV) wie Konstruktions- und
Planungsarbeiten. Hinzu kommen Internet, Telefon und Telefax.
D
Bild 1:
Spezifische
Kühllasten.
ie dafür notwendige Infrastruktur, wie z. B. Server, Großrechner und Datennetze, befindet sich meist in einem EDV- oder
Serverraum bzw. in einem Rechenzentrum.
Bei dem Begriff „Datensicherheit“
denken die meisten Unternehmen an
Backup-Server, Spam-Filter und Firewall. Doch neben den Anforderungen an die Hard- und Software sind in
den letzten Jahren auch jene an die
Klimatisierung gestiegen. Zur Datensicherheit gehört eben auch die Klimatechnik.
Der Wert interner Unternehmensdaten steigt ständig und als Basis einer
Firma sollten diese Daten ständig verfügbar sein. Die Auswirkungen eines
Serverausfalles oder gar der Verlust
von Daten werden immer gravierender. Serverräume stellen für die Gebäudetechnik eine große Herausforderung dar, da es gilt, das Ausfallsrisiko zu minimieren.
Bild 2: Elektrischer Jahresenergiebedarf.
Eine der Aufgaben der Gebäudetechnik ist es, für Serverräume und Rechenzentren geeignete Raumluftbedingungen zu schaffen. Da Rechenzentren ganzjährig in Betrieb und
deswegen auch ganzjährig zu kühlen
sind, sollte versucht werden, die Systeme so auszubilden, dass energetisch und wirtschaftlich sinnvolle Betriebsvarianten genutzt werden können. Bei der Planung von Rechenzentren oder Serverräumen muss nicht
nur die sichere Stromversorgung beachtet werden. Da immer höhere
CPU-Leistungen erreicht werden und
sich gleichzeitig die Packungsdichte
der Racks erhöht, steigen auch die
Anforderungen an die Infrastruktur
für die Energiezufuhr und für die
Kühlung.
Die Einhaltung der Parameter Temperatur und Feuchte sind entscheidend
für die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der IT-Strukturen. Bei Halbleitern
gilt die Faustregel, dass eine Steigerung der Umgebungstemperatur um
10°C, bezogen auf die maximal zulässige Betriebstemperatur, die Lebensdauer dieser Bauteile halbiert. Laut
IT-Anbieter darf die maximale Temperatur, welche nur kurzfristig auftreten
darf, nicht über 35°C liegen. Ab diesem Wert muss mit Störungen gerechnet werden.
Server- und Rechenzentren sind in
der Regel Räume, welche für den Geschäftsbetrieb in Unternehmen unerlässlich sind. Das heißt, dass der Ausfall bzw. Stillstand von Servern großen
wirtschaftlichen Schaden verursachen würde.
Es ist aus diesen Gründen auf eine redundante Systemausbildung zu achten. Auch die Wartung von Serverräumen soll ohne Betriebsunterbrechung
erfolgen können. Diese redundante
Ausbildung hat als durchgängiges
Prinzip von der Kälteerzeugung bis zu
den Klimaschränken (oder Inneneinheiten) zu erfolgen.
Wichtig für den einwandfreien Betrieb ist auch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Sollte
die Stromversorgung vollständig aus-
fallen, muss die USV weiterhin Spannung für die Systeme liefern, so dass
ausreichend Zeit bleibt, um Daten zu
sichern und Systeme herunterzufahren. Die USV springt nicht nur im Falle eines Stromausfalles ein, sondern
Filter verhindern auch Spannungsprobleme, wie z. B. Spannungsschwankungen, Hochspannungsspitzen, Schaltspitzen, Frequenzabweichungen, Leitungsrauschen und harmonische Oberwellen.
Definition spezifischer
Kühllasten
Der Anteil der äußeren Kühllast bei
Serverräumen ist sehr gering, bzw.
nicht vorhanden, da Serverräume
meist so angeordnet werden, dass keine bzw. nur geringe äußere Raumumschließungsflächen vorhanden sind.
Den größten Anteil der Wärmequellen
stellen die jeweiligen Racks (Prozessoren, Festplatten, Netzteile etc.) dar.
Die auftretenden Maschinenlasten
müssen im Detail nach den jeweiligen
Leistungsangaben der Hersteller ermittelt werden. Da in der Vorprojektierung meist keine genauen Aussagen bezüglich der zu erwartenden
Maschinenlasten getätigt werden
können, soll Bild einen Überblick
über zu erwartende auftretende spez.
Lasten geben, bezogen auf die mögliche Gebäudenutzung. Eine genaue
projektbezogene Ermittlung sollte
aber bei bekanntem Equipment unbedingt erfolgen, um eventuelle Unter- oder Überdimensionierungen zu
vermeiden.
Bild 1 stellt eine Übersicht auftretender spezifischer Lasten in Abhängigkeit der jeweiligen Gebäudenutzung
dar. Die angeführten Bereiche sind als
Richtwerte zu verstehen. Diese beruhen auf Erfahrungswerten von Serverproduzenten sowie aus verschiedenen Literaturquellen. Eine genaue
Eruierung der Lasten ist nur möglich,
wenn die Ausstattungen der jeweiligen Räume bekannt sind. Bei Rechenzentren können, je nach Ausrüstungsstand, sehr hohe Lasten auftreten.
Technische und
wirtschaftliche Analyse
Im Folgenden werden verschiedene
Systemvarianten zur Serverraumkühlung hinsichtlich ihres energetischen
Bedarfs und ihrer Wirtschaftlichkeit
untersucht und bewertet.
Die nachstehenden Systemvarianten
wurden untersucht:
– Variante 1: Split-Anlage, Direktverdampfung.
– Variante 2: Umluftkühlung über
einen Kaltwassersatz mit luftgekühltem Kondensator.
– Variante 3: Umluftkühlung über
einen Kaltwassersatz, Rückkühlung
mittels Kühlturm.
Österreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für
die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik
Heizung Lüftung Klimatechnik – 10/2005
Heizung
Lüftung
Klimatechnik
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Weiters wurden die genannten Anlagenvarianten in verschiedene Betriebsvarianten unterteilt, wobei unter anderem auch die Möglichkeit zur
Nutzung der freien Kühlung untersucht wurde. Die Tabelle 1 zeigt die
untersuchten Anlagen- und Betriebsvarianten.
Für die folgenden Berechnungen wurden Randbedingungen und Annahmen getroffen, um die verschiedenen
Systeme vergleichbar zu machen. Es
wurde ein Serverraum mit einer abzuführenden konstanten Last von 50 kW
festgelegt. Der Serverraum sei ein innen liegender Raum. Aufgrund von
anliegenden Nebenräumen werden
äußere Lasten nicht berücksichtigt.
Um die einzelnen Varianten sinnvoll
bezüglich ihres elektrischen Energiebedarfs und der daraus resultierenden Energiekosten zu vergleichen,
wurden sämtliche Anlagenvarianten
über eine Jahressimulation berechnet.
Die Berechnungen erfolgten mit einem Klimadatensatz der Stadt Wien.
Das Betriebsverhalten der Anlagen
wurde in Stundenschritten berechnet.
Da Serverräume und Rechenzentren
ständig in Betrieb sind, wurde ein 24
Stunden Betrieb angenommen, das
würde bedeuten, dass die Anlage
8.760 h/a in Betrieb ist.
Für alle Varianten wurde von einer
Raumtemperatur von 23°C ausgegangen (Zulufttemperatur 18°C). Die Betriebskosten wurden mit einem spezifischen Strompreis der Stadt Wien
(13,78 Cent/kWh) ermittelt.
Für die verschiedenen Anlagenvarianten wurden folgende Parameter ermittelt: Der elektrische Jahresenergiebedarf in kWh/a, daraus folgend die
Jahresenergiekosten in EUR/a, in weiterer Folge wurden spezifische Betriebskosten in EUR/kW,a ermittelt.
Weiters wurden Jahresarbeitszahlen
der verschiedenen Systemvarianten
ermittelt. In weiterer Folge wurde
auch die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Varianten nach der Annuitätenmethode der VDI 2067 unter-
Version
Variante 2-1
Variante 2-1-FC
Variante 2-2
Variante 2-2-FC
Variante 2-3
Variante 2-3-FC
Variante 3-1
Variante 3-1-FC
Variante 3-2
Variante 3-2-FC
Variante 3-3
Variante 3-3-FC
Beschreibung
Es ist eine Anlage mit ganzjähriger Bereitstellung von Kaltwasser (6/12°C); die Kühlung des IT Raumes erfolgt mit einem
Kaltwasserkreis (12/18°C) – diese Temperaturen werden durch
Zumischung erreicht.
Wie Variante 2-1; im Kaltwasserkreis des IT Raumes wird zur
Nutzung der freien Kühlung ein Luftrückkühler eingebunden.
Anlage mit Bereitstellung von Kaltwasser 6/12°C; da diese
Temperaturen nur zur Humanklimatisierung benötigt werden,
wird, wenn diese nicht mehr erforderlich ist, die Anlage auf
Kaltwasser 12/18°C umgestellt.
Wie Variante 2-2; der Free Cooling Betrieb erfolgt analog
zur Variante 2-1-FC.
Für die Kühlung des Serverraumes wird eine eigene unabhängige Anlage konzipiert.
Die freie Kühlung wird wieder über einen Luftrückkühler genutzt.
Es handelt sich um eine Anlage mit ganzjähriger Bereitstellung
von Kaltwasser (6/12°C); die Kühlung des IT Raumes erfolgt mit
einem Kaltwasserkreis (12/18°C) – diese Temperaturen werden
durch Zumischung erreicht.
Wie Variante 3-1; im Kaltwasserkreis des IT Raumes wird ein
Luftrückkühler zur Nutzung der freien Kühlung eingebunden.
Anlage mit Bereitstellung von Kaltwasser 6/12°C; da diese
Temperaturen nur zur Humanklimatisierung benötigt werden,
wird, wenn diese nicht mehr erforderlich ist, die Anlage auf
Kaltwasser 12/18°C umgestellt.
Wie Variante 3-2; der Free Cooling Betrieb erfolgt analog zur
Variante 3-1-FC.
Für die Kühlung des Serverraumes wird eine eigene unabhängige Anlage konzipiert.
Die freie Kühlung wird wieder über einen Luftrückkühler genutzt.
sucht. Es wurden die Gesamtannuitäten in EUR/a ermittelt.
Hinsichtlich des elektrischen Energiebedarfs wurden die Hauptkomponenten untersucht: Diese wären bei der
Variante 1 die Splitanlage als Gesamteinheit, bei der Variante 2 (Kaltwassersatz mit luftgekühltem Kondensator) der Kaltwassersatz, der Ventilator des Umluftkühlers, die Pumpe,
bei Nutzung der freien Kühlung (FC)
der Rückkühler sowie ein zusätzliches
Pumpenaggregat. Bei der Variante 3
(Rückkühlung über einen Kühlturm)
wurden weiters die anfallenden Kosten für die Nachspeisung von Frisch-
wasser und die Abwasserkosten
berücksichtigt. Für die Berechnungen
wurden typische Anlagenparameter
gewählt.
Ergebnisse
Die Variante 1, die Variante 2-3 und
die Variante 3-3 können direkt miteinander verglichen werden, da für diese
Varianten die gleichen Bedingungen
gelten (autarkes System, 50 kW Kühllast). Die Nutzung der freien Kühlung
ist bei der Variante 1 nicht möglich,
sehr wohl aber bei den Varianten 2-3
und 3-3. Im Bild 2 ist der elektrische
Jahresenergiebedarf der verschiede-
Tabelle 1:
Zusammenstellung der
untersuchten
Varianten.
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Bild 3: Spezifische Betriebskosten.
nen Varianten dargestellt. Beim Vergleich der Variante 1 (Direktverdampfung, Splitanlage) und der Varianten
2-3 (luftgekühlter Kondensator) und
3-3 (Rückkühlung über Kühlturm)
zeigt sich das die Variante 3-3 den geringsten Energiebedarf von rund
90.710 kWh/a hat. Die Variante 2-3
hat den höchsten Energiebedarf (siehe Bild 2). Vergleicht man jedoch die
Variante 1 mit jenen wo zusätzlich die
freie Kühlung (FC) genutzt wurde
zeigt sich bei den Varianten 2-3-FC
und 3-3-FC ein deutlich geringerer
Energiebedarf. Bei der Variante 2-3 ergibt sich durch die Nutzung der freien
Kühlung (FC) eine Einsparung des
Energiebedarfs von ca. 30%.
Bild 3 zeigt die spezifischen Betriebskosten in EUR/kW,a. Wie zu erwarten
hat die Variante 2-3 die höchsten spezifischen Betriebskosten. Bei Vergleich der Variante 3-3 und der Variante 1 zeigt sich eine Differenz der
spez. Betriebskosten von ca. 4 EUR/
kW,a, dieser geringer Unterschied ist
damit begründbar, da bei der Variante
3-3 die zusätzlich, anfallenden Betriebskosten von Frisch- und Abwasser berücksichtigt wurden. Bei Nutzung der freien Kühlung können die
Betriebskosten jedoch deutlich reduziert werden.
Mittels
der
Annuitätenmethode
gemäß der VDI 2067 wurden die Gesamtannuitäten der verschiedenen
Systemvarianten ermittelt. Es zeigt
sich bei jenen Varianten, wo die freie
Kühlung (FC) genutzt wird, trotz der
höheren Investitionskosten durch die
zusätzlichen Bauteile wie Luftkühler
und Pumpe, dass diese Varianten
trotzdem wirtschaftlicher sind als jene wo die freie Kühlung nicht genutzt
wurde (sieh Bild 4).
Schlussfolgerungen
Die Wahl des richtigen Systems hängt
von der abzuführenden Last und von
den örtlichen bzw. von den vorhandenen Ressourcen ab. Folgende Überlegungen sollten zur Systemwahl angestellt werden:
Bild 4: Gesamtannuitäten nach VDI 2067.
– Erfolgt eine alleinige Kühlung des
Serverraumes,
– besteht ein zusätzlicher Kältebedarf
(z. B. zur Humanklimatisierung) und
– Wichtigkeit der Betriebs- und
Ausfallssicherheit für den Nutzer
des Serverraumes.
Da die Leistungsgrenzen von Splitgeräten rasch erreicht sind, empfiehlt
es sich für größere Server- und Rechenzentren indirekte Systeme einzusetzen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich
aus der Nutzung der freien Kühlung,
da Serverräume ganzjährig in Betrieb
sind. Der FC-Betrieb ergibt unabhängig von der jeweiligen Systemvariante
ein deutliches Einsparungspotential.
Auch wenn durch den FC-Betrieb
höhere Investitionskosten entstehen,
die sich durch den zusätzlichen Luftrückkühler, durch die Pumpe und
den höheren Installationsaufwand ergeben, so zeigt sich dennoch, dass die
Gesamtannuität günstiger ausfällt als
bei jenen Anlagen, bei denen die freie
Kühlung nicht genutzt wurde. Je nach
Lage der Kälteerzeugung und des zu
versorgenden Serverraumes können
die Kosten für den Installationsaufwand jedoch deutlich steigen. Nach
Möglichkeit sollte versucht werden,
die Distanzen zwischen Kälteerzeuger
und Kälteverbraucher so kurz wie
möglich zu halten.
Die Varianten des Typs 3 (KWS, Rückkühlung über einen Kühlturm) liefern
bezüglich ihres elektrischen Energiebedarfs und ihrer Jahresarbeitszahlen
gute Ergebnisse. Durch den zusätzlichen Wasserverbrauch des Kühlturmes und des daraus resultierenden Abwasseranfalls erhöhen sich die Betriebskosten. Durch den FC-Betrieb
sind die Varianten 3-1-FC und 3-2-FC
annähernd gleich effektiv wie die Varianten 2-1-FC und 2-2-FC. Die Variante 3-3-FC, bei der ein autarkes System zur Kühlung ausgeführt wurde
(Rückkühlung über Kühlturm und
FC-Betrieb), ist die günstigste aller Varianten. Dies lässt sich damit begründen, dass diese Maschine die beste
Leistungszahl aufweisen konnte. Prin-
zipiell sind jene Varianten, welche
über einen Kühlturm rückgekühlt
werden (Varianten Type 3), die aufwendigsten. Das liegt daran, dass
mindestens zwei Pumpen erforderlich
sind, auch das Frischwasser für den
Kühlturmbetrieb muss dementsprechend aufbereitet werden. Aufgrund
der hohen Komplexität der Variante 3
ist eine Ausfallsicherheit von 100% jedoch nur schwer zu gewährleisten.
Zusammenfassend kann man sagen,
dass die Varianten des Typs zwei mit
FC-Nutzung am wirtschaftlichsten
sind, da sie sehr kompakt ausgeführt
werden können. Die Variante 1, Splitanlage mit Direktverdampfung, eignet
sich ideal für kleine Serverräume, z. B.
in Bürogebäuden. Natürlich können
unterschiedliche Varianten aus Gründen der Betriebs- und Ausfallssicherheit kombiniert werden.
Literatur:
Kindermann, G.: Serverraumkühlung,
Diplomarbeit an der FHS-Burgenland
Ges.m.b.H., Pinkafeld, 2005
VDI 2067: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen, Grundlagen und
Kostenberechnung, September 2000
Österreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für
die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik
Heizung Lüftung Klimatechnik – 10/2005
Heizung
Lüftung
Klimatechnik
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