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Energieeffiziente Kühlsysteme
Die Kühlung von Systemkomponenten im Serverraum oder Rechenzentren kann durch eine Vielzahl von Möglichkeiten energieeffizient und damit kostensparend umgesetzt werden.
- In kleinen oder dichtgepackten Serverräumen bietet sich vor allem der Einsatz von Klimaschränken oder -truhen an.
- Für größere Räume erfolgt die Zuführung der Kühlluft häufig über einen doppelten Fußboden via kleiner Lüfter in die Schaltanlagen und Serverschränke. Die erwärmte Abluft wird über abgehängte Decken oder Leuchten aus dem Raum abgesaugt.
Die Initiative EnergieEffizienz informiert Sie über die bestehenden Möglichkeiten energieeffizienter Kühlsysteme:
Klimaschränke und Klimatruhen (Closely Coupled Cooling)
Serverräume mit Bodenluftkühlung
Freie Kühlung
Good-Practise bei neuen Kühlsystemen und Klimaanlagen
Klimaschränke und Klimatruhen (Closely Coupled Cooling)
Das so genannte Closely Coupled Cooling zielt auf die Kühlung spezifischer Regionen. Gegenüber der Raumkühlung wird ausschließlich dort gekühlt, wo hohe Wärmelasten auftreten und die Kühlung und Abführung der Wärmelast tatsächlich erforderlich ist.
Mit dem richtigen Design und der energieoptimierten Betriebsweise stellt dieses Kühlsystem eine besonders energieeffiziente Lösung dar. Zusätzlich werden durch die Verkopplung von Wärmequelle und wärmelastanfallsnahe Klimatisierung Energiedichten von bis zu 25 kW möglich. Dies entspricht einer 4 mal höheren Kapazität einer raumbezogene Kühlarchitektur.
Mit dieser Architektur sind weitere Vorteile verbunden:
- signifikante Erhöhung der Energieeffizienz hinsichtlich der Versorgung mit Kühlluft und der Abführung der Wärmelasten
- Einschränkung oder Verhinderung der Vermischung von kühler und warmer Luft
- Geringere Ventilatorenleistung durch kürzere Luftpfade
- weniger Platzbedarf durch hohe Packungsdichten
Serverräume mit Bodenluftkühlung (EDP-Flooring)
- Beispiel für eine Bodenluftkühlung
Prinzip
Große Serverräume sind häufig mit einer Bodenluftkühlung ausgestattet. Die Klimatisierung systemkritischer Komponenten erfolgt über einen doppelten Fußboden mit belüfteten Bodenplatten. Der Kühlluftstrom wird über Düsen zwischen den Racks geführt.
Energieeffizienzpotenzial
Das Design und die Anordnung der belüfteten Bodenplatten haben einen großen Effekt auf die Energieeffizienz der Klimatisierung und Kühlung. Das Einsparpotenzial bei der Optimierung der Anordnung und der Anzahl der Belüftungsplatten sowie durch Einstellung optimaler Betriebsparameter (z.B. intelligente Steuerung des Öffnungsverhaltens der Lüftungsschlitze und der Kühllufttemperatur) beträgt bis zu 25 Prozent.
Fehlerquellen vermeiden
Eine gezielte Suche nach potenziellen Ursachen unnötigen Stromverbrauchs unterstützt bei der Erschließung der Energieeffizienzpotenziale und der energetisch optimierten Betriebsweise:
- Den Aufbau und die Betriebsweise der Bodenluftkühlung auf energetische Optimierung prüfen:
Häufig sind Lüftungsschlitze in zu hoher Anzahl installiert, defekt, verstopft oder ungünstig angeordnet. Im ungünstigsten Fall kommt es zu einer unerwünschten Vermischung kalter und warmer Luftströme bereits vor der zu kühlenden Wärmequelle. - Die Kühllufttemperaturen auf das optimale Temperaturniveau prüfen:
Häufig sind Kühllufttemperaturen zu niedrig eingestellt (Vorlauf 10-15°C). Das kann in einem 10 bis 15 Prozent höheren Stromverbrauch resultieren. Es sind jedoch Kühlluftstromtemperaturen von bis zu 25-30°C möglich. Diese Maßnahme verbessert nachhaltig die gesamte Kühleffizienz (Total Cooling Efficiency). Denn: pro Grad Raumtemperaturverringerung werden 1-3% mehr Energie benötigt. - Den Fluß des Kaltluftstroms im Racks prüfen und eventuelle Lücken im Rack durch Blenden blocken.
Durch diese Maßnahme wird keine Kühlluft vergeudet, da Kühlluft nicht durch das gesamte Rack sondern nur durch die zu kühlende Technik geleitet wird. - Die Abschirmung des Kaltlufstroms vom Rest des Raumes prüfen.
Energetisch optimiertes Design
Das energetisch optimierte Design beinhaltet warme und kalte Raumzonen mit geeigneter Verortung der Klimatisierung. Bei der Planung ist die Trennung warmer und kalter Lüftströmungen zu beachten. Im Idealfall wird die Kühlluft so direkt wie möglich zur Wärmequelle geführt.
Eine noch bessere Kühlleistung wird erreicht, wenn die Düsen bzw. der eintretende Kaltluftstrom vom Rest des Raumes abgeschirmt werden kann (z.B. über Klimaschränke).
Freie Kühlung
Die Kälteerzeugung für Kühlzwecke im Serverraum erfolgt in der Mehrzahl der Fälle kontinuierlich mit Hilfe von Kältemaschinen.
Eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs für die Kälteerzeugung kann durch freie Kühlung realisiert werden. Denn: Stromintensive Kältemaschinen kommen bei der freien Kühlung nur dann zum Einsatz, wenn die Außentemperatur einen bestimmten Wert überschreitet (z.B. 12°C). Oberhalb dieses Wertes erfolgt die energieeffiziente Kälteerzeugung durch einen Austausch mit der kalten Außenluft.
Die Initiative EnergieEffizienz stellt energieeffiziente Möglichkeiten der Serverraumklimatisierung durch die Nutzung freier Kühlung vor. Gängige Ausgestaltungsvarianten sind die direkte freie Kühlung mit Außenluft und die indirekte freie Kühlung mit einem Luft-Wasser-Wärmetauscher.
Direkte freie Kühlung
- Beispiel für freie Kühlung mit Außenluft
Prinzip
Bei der direkten freien Kühlung wird der Außenluftanteil am Kühlluftstrom durch Beimischung kalter Außenluft erhöht. Der Luftausstausch des Raumes erfolgt über einen Lüfter oder durch den Boden bzw. durch das Rack.
Energieeffizienzpotenzial
Die direkte freie Kühlung ist insbesondere bei geringen Außenlufttemperaturen ein sehr effizientes Mittel zur Kühlung.
Der klimatisierungsbedingte Stromverbrauch kann gegenüber dem ausschließlichen Einsatz elektischer Kältemaschinen bis zur Hälfte reduziert werden.
Vorteile direkter freier Kühlung
- Sehr hohe Gesamteffizienz des Kühlsystems.
- Die Nutzung energieintensiver Kältemaschinen ist nur bei Überschreitung einer bestimmten Außentemperatur (z.B. 12°C) notwendig.
- Die Abwärme des Serverraums (30-35°C) kann zum Vorheizen der Zuluft für übrige Räume genutzt werden.
Nachteile direkter freier Kühlung
- Erhöhter Aufwand für die Luftaufbereitung (Filteranlagen für die Außenluft) und den Brandschutz (Brandschutzklappen für Ansaug- und Abluftöffnung)
- Höherer Energieaufwand für die Befeuchtung, insbesondere im Winter.
- Aufgrund hoher Außertemperaturen im Sommer ist das gesamte Kühlsystem so zu konstruieren, dass die gesamte Wärmelast auch ohne freie Außenluftkühlung abgeführt werden kann.
Energetisch optimiertes Design und Betriebsweise
- Für den Ansaug- und Ablufttrakt ist auf den energieeffizienten Betrieb der Ventilatoren achten.
- Die Messfühler für Raumtemperatur und -feuchte mit ausreichendem Abstand zu Wärmequellen installieren. Ansonsten sind systemtische Fehlsteuerungen möglich.
- Die kalte Zuluft zum Raum immer von unten nach oben führen. Ansonsten ist ein 30-40 Prozent höherer Zuluftstrom erforderlich. Dies würde in einem höheren Energieverbrauch für die Ventilation und die Luftaufbereitung resultieren.
- Zusätzliche Wärmeinträge vermeiden (z.B. Beleuchtung, Außenfenster mit Sonneneinstrahlung)
Indirekte freie Kühlung
Prinzip
Bei der indirekt freien Kühlung werden Luft-Wasser-Wärmetauscher in den Kühlwasserkreislauf des Kühlsystems eingebunden. Die Wärmelast wird über die Wärmetauscher an die Außenluft abgeführt. Im optimalen Fall (geringe Außentemperaturen) kann das Gesamtsystem die notwendige Kühlleistung vollständig durch die indirekt freie Kühlung realisieren. Stromintensive Kältemaschinen werden nur bei zu hohen Außentemperaturen zugeschaltet.
Energieeffizienzpotenzial
Die indirekt freie Kühlung ist inbesondere bei geringen Außenlufttemperaturen ein sehr effizientes Mittel zur Kühlung.
Der klimatisierungsbedingte Stromverbrauch kann gegenüber dem ausschließlichen Einsatz elektischer Kältemaschinen bis zur Hälfte reduziert werden.
Vorteile indirekt freier Kühlung
- stromintensive Kältemaschinen sind nur bei Überschreitung einer bestimmten Außentemperatur notwendig
- Sehr hohe Energieeffizienz des gesamten Kühlsystems.
Nachteile indirekte freier Kühlung
- Aufgrund hoher Außentemperaturen im Sommer ist das gesamte Kühlsystem so zu konstruieren, dass die gesamte Wärmelast auch ohne indirekt freie Kühlung abgeführt werden kann.
Energetisch optimiertes Design und Betriebsweise
- Der Betrieb sollte mit einer möglichst hohe Kaltwassertemperatur erfolgen, um an möglichst vielen Tagen ein nutzbares Temperaturgefälle zwischen Außenluft und Kaltwasser aufrecht zu erhalten.
- Die Messfühler für Raumtemperatur und -feuchte mit ausreichendem Abstand zur Wärmequelle installieren. Ansonsten sind systematische Fehlsteuerungen möglich.
- Zusätzliche Wärmeeinträge vermeiden (z.B. Beleuchtung, Außenfenster mit Sonneneinstrahlung).
Good-Practise bei neuen Kühlsystemen und Klimaanlagen
Insgesamt sind die Kühlung und Klimatisierung für 30 bis 50 Prozent der Energiekosten im Serverraum verantwortlich. Gleichzeitig besitzen Kühlsysteme und Klimaanlagen eine lange Lebensdauer. Die Energiekosten über die Lebenszeit übersteigen schnell die Investitionskosten um ein Vielfaches.
Deshalb ist bei der Entscheidung für Ersatzinvestitionen neben der korrekten Installation und dem energieoptimierten Betrieb insbesondere die Auswahl des richtigen, energieeffizienten Systems wichtig.
Bei der Wahl eines neuen Kühlsystems sollten folgende Punkte besondere Beachtung finden:
- Prüfung, ob freie Kühlung möglich ist.
- Berückstichtigung der zu erwartenden Betriebskosten bei der Investitionsentscheidung und der Auswahl des wirtschaftlichsten Angebots. Die Lebenszykluskosten werden zu ca. 60-80% durch die Energiekosten im Betrieb bestimmt.
- Sicherstellen, dass Energieeffizienz einer Einzelanferigung für den bestehenden Raum nicht schlechter als eine Anlage "von der Stange" ist.
- Das Kühlsystem muss stufenlos einstellbar bzw. "multiadjustable" sein.
- Der Kondenser des Kühlsystems muss außerhalb des Serverraums eingebaut werden, vorzugsweise an einem gut belüfteten, schattigen Platz.
- Regelmäßige Wartung, Monitoring des Energieverbrauchs sowie regelmäßige Prüfung, ob Betriebsoptimierungen erforderlich sind unter der Berücksichtung klar geregelter Verantwortungsbereiche.