Energieeffiziente Rechenzentren
Integration von intelligenten Konzepten der Rückkühltechnik
Eine umweltverträgliche und nachhaltige IT ist angesichts des Klimawandels und ökologischer Herausforderungen ein zentrales Thema. Ziel ist es, Energieressourcen effizienter einzusetzen sowie den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Wichtigster Hebel gegen den hohen Stromverbrauch und für eine bessere Klimabilanz der Rechenzentren ist eine höhere Energieeffizienz. Da der Stromverbrauch für die Kühlung der Serverräume bei älteren Rechenzentren bis zu 45 % des gesamten Stromverbrauchs ausmacht, können hier durch innovative Technologien entsprechend große Einsparungen realisiert werden.
Nach einer aktuellen Untersuchung der DENA (Deutsche Energie-Agentur) ergeben sich für ein neueres Rechenzentrum die in Abbildung 1 gezeigten typischen Anteile von IT-Hardware und Betriebstechnik am Stromverbrauch.
Die Kühlung stellt also nach der IT-Hardware den zweitgrößten Stromverbraucher dar und ist damit sowohl bei der energetischen Sanierung bestehender Rechenzentren als auch bei der Planung von neuen Rechenzentren entsprechend zu beachten.
Rückkühlung mit Hybriden Trockenkühlern
Hybride Trockenkühler führen thermische Energie über große Bereiche des Jahres als reine Trockenkühler an die Umgebung ab. Bei hohen Lasten und Außentemperaturen werden die Lamellenwärmetauscher zusätzlich luftseitig mit Wasser benetzt. Die Wärme wird dann vorwiegend durch die Verdunstung des Benetzungswassers abgeführt.
In Abbildung 2 sind beispielhaft der Jahrestemperaturgang für Zürich und die Betriebsbereiche des Hybriden Trockenkühlers dargestellt. Im Übergangsbereich schaltet der Hybride Trockenkühler lastabhängig in den benetzten Betrieb um. Je höher die Anlagenlast, um so früher muss Energie durch die Verdunstung von Wasser abgeführt werden. Die Lage und Größe des Umschaltbereiches im Jahresgang ist abhängig von den Betriebsbedingungen und der Geräteauslegung.
Anwendung mit einer Absorptionskältemaschine
Anhand einer installierten Anlage in einem Rechenzentrum in Dresden soll diskutiert werden, welche Potentiale in der Anpassung der Temperaturniveaus bezüglich Effizienzsteigerung und Kostensenkung stecken.
Die Anlage wird im Sommerbetrieb mit einer Absorptionsanlage betrieben (siehe Abbildung 3). Der Austreiber der Absorptionskältemaschine wird mit Fernwärme (Abwärme) des lokalen Energieversorgers versorgt. Bei hohen Außentemperaturen steht die Abwärme kostengünstig zur Verfügung.
Bei niedrigen und mittleren Außentemperaturen wird die Anlage im Freikühlbetrieb mit direkter Wärmeabfuhr über den Hybriden Trockenkühler betrieben (siehe Abbildung 4). Dabei werden sowohl der trockene als auch der benetzte Betrieb des Kühlers genutzt, um die erforderlichen Systemtemperaturen sicherzustellen. Die Dauer, in der die Anlage im Freikühlbetrieb arbeiten kann, hängt im Wesentlichen vom eingestellten Kaltwasser-Temperaturniveau des Datencenters ab.
Einfluss verschiedener Temperaturniveaus
Im folgenden Abschnitt werden drei verschiedene Temperaturniveaus rechnerisch miteinander verglichen.
Wird die Anlage, wie im Anlagenschema gezeigt (Abbildung 3 und 4) mit den Kaltwassertemperaturen von 16 °C/ 10 °C betrieben, kann der Freikühlbetrieb im Trockenbetrieb bis zu einer Außentemperatur von -0,4 °C und im benetzten Betrieb bis 2,2 °C die volle Lastabfuhr sicherstellen. Oberhalb von 2,2 °C Außentemperatur ist der Betrieb der Kältemaschine für die Energieabfuhr erforderlich.
In Abbildung 5 ist die am Standort vorliegende Jahresstundenanzahl über der Temperatur dargestellt. Trägt man hier diejenige Temperatur in das Diagramm ein, bis zu der ein Freikühlbetrieb möglich ist, erhält man die Jahresstundenanzahl für den möglichen Freikühlbetrieb. Bei dem ersten untersuchten Temperaturniveau sind das 1978 h/a.
Besteht nun die Möglichkeit das Temperaturniveau des Datencenters auf 18 °C/12 °C zu erhöhen, verschieben sich die mögliche Stundenanzahl im Diagramm nach rechts hin zu höheren Stundenanzahlen. Bei der untersuchten Anlage kann bei diesem Temperaturniveau im Trockenbetrieb bis zu einer Außentemperatur von 2 °C und im benetzten Betrieb bis zu einer Außentemperatur von 5,2 °C der Freikühlbetrieb das Temperaturniveau sicherstellen. Die Anzahl der Betriebsstunden der Absorptionskältemaschine sinkt im Vergleich zum Temperaturniveau 16 °C/10 °C.
Die Steigerung der Stundenanzahl im Freikühlbetrieb bei Erhöhung des Temperaturniveaus um 2 K führt zu einer Verlängerung des Freikühlbetriebes um fast 1000 h oder 11 %. Die prozentuale Verteilung der Betriebsarten Kältemaschinenbetrieb, Freikühlbetrieb – trocken und benetzt – ist in den Abbildungen 6 und 8 dargestellt.
Eine weitere Steigerung des Temperaturniveaus im Datencenter hat wieder den gleichen Effekt mit Steigerung der Betriebsstundenanzahl im Freikühlbetrieb. Die Stundenanzahl im Freikühlbetrieb kann dadurch insgesamt auf etwa 4800 h/a gesteigert werden.
Ressourceneinsparung im Rechenzentrum in Dresden
Die vorgestellte Anlage wird seit 2006 betrieben. In dieser Zeit wurde die Leistung des Datencenters kontinuierlich ausgebaut. Mit baulichen Veränderungen und Optimierung der vorhandenen Rückkühlanlage und der Serverkühlung konnte die Effizienz der gesamten Anlage drastisch gesteigert werden. Ab 2009 wurde mit gleichbleibendem Temperaturniveau im Vergleich zu 2007 schon eine deutliche Verringerung des Wasserverbrauchs erzielt. Mit der Erhöhung des Temperaturniveaus auf 18 °C/ 12 °C konnte dann noch einmal eine deutliche Effizienzsteigerung realisiert werden. Der Fernwärmeverbrauch für die Absorptionskältemaschine konnte von 2009 auf 2010 um 27 % und der Wasserverbrauch für den Hybriden Trockenkühler um 35 % gesenkt werden. Durch die Optimierungsmaßnahmen werden jährlich 245 000 € Betriebskosten eingespart.
Fazit
Die Integration von intelligenten Konzepten der Rückkühltechnik lohnt sich aus Sicht der Effizienzsteigerung, Ressourceneinsparung und Betriebskostensenkung. Der Einsatz effizienter Anlagenkomponenten rechnet sich in vielen Fällen! Bei der Konzeptplanung sollten die Jahresbetriebskosten der Anlage ein wesentliches Entscheidungskriterium darstellen. Eine enge Zusammenarbeit von Komponentenherstellern, Planern, Anlagenbauern und -betreibern bildet dabei eine wichtige Basis, um verfügbare Technologien richtig und effizient einzusetzen. Im Betrieb von Anlagen sind die eingestellten Parameter wesentliche Optimierungsparameter, die genutzt werden sollten.
Die Inhalte des Beitrags wurden in Form eines Fachvortrags auf der VDMA-Kühlturmtagung vorgestellt.
