Stromkosten sparen

und die Energieeffizienz in kleinen Serverräumen steigern

Vortrag von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. (FH) am 11.11.2014

bei IT2Industry Conference

auf der electronica Fachmesse in München Energie.Controlling.Loose – ECL D 82362 Weilheim Jürgen Loose: Mehrere Erfindungen für die Klimatechnik seit 1984 / Mitentwickler der Kühlgeräte für die Telekom Vermittlungsstellen Umweltpreis 1991 / Fachbuch „Innovationen für Raumkühlung“ aus 1993 / Deutscher Kältepreis 2012 / Deutscher Bundespreis 2012 / Deutscher Rechenzentrumspreis 2014 → Innovationen und Forschung - 3. Preis

Vortragsinhalt 1. Istzustand: Hoher Energiebedarf für Kühlung bei IT-Räumen ►►►►

Hohe Betriebskosten ◄◄◄◄

2. Das Kühlpotential der Außenluft → freie Kühlung 3. Unterschied Indirekte freie Kühlung ◄►

direkte freie Kühlung

4. Anforderungen an die Raumluftfeuchte ? 5. Warmzone (Warmgang) – Kaltzone (Kaltgang) 6. Verbesserungsvorschläge für kleine Serverräume 7. ►►►► ►►►►►►►►► ►►

E i n s p a r u n g : 90 %!

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 2

Klimatechnik verursacht hohen Strombedarf → hohe Stromkosten [sehr viel CO 2 -Emissionen]

Benötigter Strombedarf - Gesamtenergie im Serverraum (oder RZ) 100%

7% 18% 30% 45%

Beleuchtung USV IT selbst Klima

Altbestand Altbestand !

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 3

Istzustand: Umluftkühlung

Splitgeräte - Kühlsystem

Zuluft Zuluft (Redundanz)

Abluft

Klimageräte

IT Beispiel eines kleinen Serverraumes Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 4

Umluftkühlung

Weltweit häufigste Kühlart: ► ► Splitgerätekühlsystem auch „Komfortkühlsystem“ genannt eigentlich für Büroräume entwickelt

Außenteile einer Splitgeräte - Kühlanlage Hier wird die Wärme des Serverraumes (über die Kältetechnik) an die Umgebung abgegeben, wenn sie nicht - in Ausnahmefällen woanders im Gebäude genutzt werden kann ….

Diese Geräte laufen auch im Winter - wenn auch manchmal nur intermittierend [Ein – Aus] Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 5

Nutzung der zumeist kühlen Außenluft

Energiespargrundlage: Das „Klimagebirge“

T Zuluft = 20 o C Häufigkeit der Paarung T→ / X↓ [h/a] Außenluft –Temperatur

T

Absolute Feuchte

X

r.H. = 100% relative Feuchte Riesiges Kühlpotential der Außenluft Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 6

Übliche Kühlung eines IT- Raumes per Umluftkühlung 30 o C Abluft

Raum

Luftkühler ∆t = 10 K wird mit der wieder verwendeten (gekühlten) Abluft = also per Umluft

gekühlt

Kühlenergie kommt von einer

Kältemaschine

Zuluft 20 o C

Ventilator

Luftumwälzung Strombedarf =

hoch

► Aufwand für Ventilator und vorwiegend durch die Kältemaschine Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 7

Kühlung eines IT- Raumes per

indirekter

freier Kühlung (Umluftkühlung)

Pumpe

Kühlenergie kommt von einem

Freecooler

oder von der

Kältemaschine

30 o C Abluft Luftkühler Zuluft ∆t = 10 K 20 o C

Raum

wird mit der wieder verwendeten (gekühlten) Abluft = also per Umluft

gekühlt

Ventilator

Luftumwälzung Strombedarf

ca. 60%

gegenüber einer reinen Umluftkühlung per Kältemaschine ► Aufwand entsteht durch Ventilator, Pumpen; jedoch vorwiegend durch die Kältemaschine Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 8

Kühlung eines IT- Raumes per

direkter

freier Kühlung

Ventilator

Fortluft = Kühlenergie

Außenluft

32 o C Abluft Zuluft ∆t = 14 K 18 o C

Raum

wird mit einem variablem Teil von Außenluft, - gemischt mit warmer Umluft -

gekühlt

Ventilator

Kühle Luft rein – warme Luft raus Strombedarf

< 8%

gegenüber einer Umluftkühlung per Kältemaschine ► Aufwand entsteht nur durch die Ventilatoren (Fortluft ganz gering!) Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 9

Kühlung eines IT- Raumes per

direkter

freier Kühlung Die direkte freie Kühlung ist eine Umsetzung der

Fensterlüftung

mithilfe von Ventilatoren zur gezielten und mengenregulierbaren Luftförderung mit ausreichender Filterung kalte Luft rein ◄► warme Luft raus So kann man in gemäßigten Klimazonen die meiste Zeit des Jahres auf den Einsatz einer x – beliebigen Kältetechnik verzichten.

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 10

Häufigkeiten Indirekte

freie Kühlung [Werte für Frankfurt/Main] Umluftkühlung T Zuluft = 20 o C T Abluft = 32 o C

13,4 o C

∆t = 12 K

Indirekte Nutzung der Außenluft an ca. 4.307 h/a [49,1%]

Kältemaschinennutzung an 4.457 h/a = 50,9 % /a Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 11

Häufigkeiten Direkte freie Kühlung [Werte für Frankfurt/Main] Verdrängungsluftkühlung T Zuluft = 20 o C T Abluft = 32 ∆t = 12 K o C

19 o C Direkte Nutzung der Außenluft an ca. 7.466 h/a [85,2%]

Kältemaschinennutzung an 1.298 h/a = 14,8 % / a Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 12

Einsparmöglichkeit bei Direkter Freier Kühlung ohne Be- und Entfeuchtung; z.B. bei Telekom Vermittlungsstellen

Umluftkühlung

Faktor ca. 1 : 5 bis 1 : 10

Stromverbrauch kWh/a pro Grad C Außenluft

Direkte Freie Kühlung

AUL

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 13

Kühlung eines IT- Raumes per

direkter

freier Kühlung

Weiterer Vorteil Nutzung der „Abwärme“ in Nebenräumen Ventilator

≥ 32 o C Abluft 20 o C

Raum

wird mit einem variablem Teil von Außenluft

gekühlt

Außenluft

Zuluft

Ventilator

Kühle Luft rein – warme Luft raus Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 14

1.

2.

Vorteile der Außenluftnutzung Bei einer üblichen indirekten freien Kühlung wird mittels „Freecooler“ (z.B. auf dem Dach angebracht) durch die dortige kalte Luft ein kaltes Wasser erzeugt. Mit diesem zum Kühlgerät gepumpten kalten Wasser wird die Umluft gekühlt und als kalte Zuluft in den zu kühlenden Raum gefördert. (delta t z.B. = ca. 10 K)

Hierbei finden 2 Wärmeübergänge statt.

Im Raum wird die Luft umgewälzt. Deshalb muss, je nach gewünschter Zulufttemperatur häufig eine unterstützende maschinelle Kühlung stattfinden; beispielsweise bei einer Zulufttemperatur von 20 o C über eine Kältemaschine (oder Brunnen) an über 50% der Jahreszeit. Bei einer üblichen direkten freien Kühlung wird die kalte oder noch ausreichend kühle Außenluft (bis 24 o C) bei Bedarf mit warmer Umluft gemischt und als Zuluft in den Raum geführt. Die überschüssige Raumwärme wird als Fortluft ins Freie abgeführt oder kann anderweitig genutzt werden. Im Raum wird die Luft erneuert.

3.

Die vorgezeigten Folien zeigen ganz deutlich, dass bei einer direkten freien Kühlung wesentlich seltener eine maschinelle Kühlung benötigt wird als bei der indirekten. 4. Zudem muss bei der direkten freien Kühlung nicht ständig die warme Abluft (Umluft) auf die Zulufttemperatur abgekühlt werden. (siehe oben: um 10 K) Es muss lediglich für die im Sommer erlaubte höhere Zulufttemperatur die dann zu 100% genutzte Außenluft etwas abgekühlt werden.

(Ø delta t lediglich ca. 2,5 K)

Aber Achtung: Evtl. Raumfeuchtevorgaben beachten ! → s. weiter hinten … Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 15

Bei Rechenzentren gibt es häufig ► Forderungen an die Raumluftfeuchte ◄

20

o

C

angestrebte Raumkonditionen: Zuluft bis Abluft hier ist die Außenluft viel zu trocken

direkte freie Kühlung

hier ist die Außenluft zu feucht Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 16

Beachtung der Raumluftfeuchte

Dafür wurden weitere - besonders viel Energie (Strom) sparende Kühlverfahren eingeführt: 1. Umluftkühlung mit indirekter freier Kühlung

und Unterstützung durch eine Verdunstungskühlung (auch adiabate Kühlung genannt).

z.B. von Fa. Hoval, Munters, Menerga - aber nur bei sehr großen Räumen wirtschaftlich -

2. Die doppelte freie Kühlung

Derzeit nur von Fa. Huber und Ranner - aber nur bei großen Räumen wirtschaftlich Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 17

Fortluft Abluft Beispiel für doppelte freie Kühlung (großer Raum) Außenluft Siehe: www.future-thinking.de

Deutscher Rechenzentrumspreis 2014 Kategorie 7 - 3. Preis an ECL / Huber & Ranner Zuluft z.B.: IT-Case Energiesparkompaktgerät

Längsschnitt durch einen IT - Raum

Fortluft Abluft IT-Case Delta t

IT - Gestelle

Außenluft Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 18

28 o C Luftströmungen im Serverraum

Nachteil: Mischung von warmer mit kalter Luft

Zuluft 10 o C Umluftkühlgerät Abluft Hier entsteht die Wärme, die von den Servern - über ihre Lüfter abgegeben wird.

„Warmbereich“

IT

mit Innenlüfter

„Kaltbereich“

Ansaugluft für die Server 18 o C

Querschnitt durch einen IT - Raum

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 19

Umluftkühlung Es entsteht eine unnötige Entfeuchtung ►►► sog. latente Kühlung ◄◄◄ Zuluft = 10 o C 28 o C „mitgerissene“ warme Luft Damit stark erhöhte Kälteleistung und hoher Stromverbrauch ► hohe Betriebskosten ◄ Eines von vielen schlechten Beispielen Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 20

1. Verbesserungsvorschlag

30 o C Umluftkühlgerät

Warmbereich

Aus dieser Zone wird die warme Luft abgesaugt und ● Entweder gekühlt und als Umluft (Zuluft) wieder verwendet ● oder als Fortluft abgeführt

IT

16 o C

mit Innenlüfter

Kaltbereich

Hier wird die kalte Luft eingeführt 20 o C Kanal Abschottung

Querschnitt durch einen IT - Raum

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 21

Nutzung von Warm- und Kaltzone bei Umluftkühlung (auch bei indirekter freier Kühlung)

2. Verbesserungsvorschlag

30 o C

Warmbereich

IT

mit Innenlüfter

Kalt bereich

Klimagerät jetzt hier als:

Präzisions klimagerät

20 o C

Querschnitt durch einen IT - Raum

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 22

Nutzung von Warm- und Kaltzone bei direkter freier Kühlung

3. Verbesserungsvorschlag

32 o C

Warmbereich

IT

Kalt bereich

Fortluft Ins Freie oder in Nebenräume

mit Innenlüfter

Klimagerät 18 o C

Querschnitt durch einen IT - Raum

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 23

Kombinationskühlsystem von ECL [für kleine Serverräume]

Die für große Serverräume (Rechenzentren) entwickelte Kühltechnik mit doppelter freier Kühlung und Teilstrombildung wird abgewandelt nun auch in kleinen Räumen genutzt

4. Verbesserungsvorschlag [Hauptvorschlag]

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 24

Kombinationskühlsystem von ECL [für kleine Serverräume]

4. Verbesserungsvorschlag [Hauptvorschlag]

Um die gewünschten

Raumfeuchtebedingungen

einzuhalten,

wird bei kleinen Serverräumen

das vorhandene Umluftkühlsystem - zeitweise - weiter genutzt.

Es wird jedoch nur noch dann benutzt,

wenn mit dem RLT- Zusatzgerät keine der beiden freien Kühlarten möglich ist

Dabei muss nicht befeuchtet werden.

[Ähnliches könnte übrigens auch bei größeren Räumen gemacht werden] Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 25

32 o C Nutzung von Warm - und Kaltzone beim Kombinationskühlsystem ECL

4. Verbesserungsvorschlag

Klimagerät

IT

Kalt bereich

Fortluft ins Freie oder in Nebenräume

Warm bereich

mit Innenlüfter

18 o C

Querschnitt durch einen IT - Raum

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 26

Nutzung von Warm - und Kaltzone beim Kombinationskühlsystem ECL

4. Verbesserungsvorschlag

Fortluft

oben weg RLT-Gerät neu System ECL ca. 55 bis 75 cm unten

Kaltzonen Außenluft

von oben 5 4 Umluftgerät 2

Bestand Abluft

3 2 1 Umluftgerät 1

Bestand

U S V

Warmgang

schaffen:

Grundriss

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 27

Fortluft RLT-Zusatzgerät [ein Beispiel für Kühllast von 8 kW]

4. Verbesserungsvorschlag

Abluft Doppelte Freie Kühlung mit Teilstrombildung Außenluft RLT-Gerät incl.

fernbedienbarer Schaltschrank Gerätetiefe ca. 55 cm Zuluft ca. 2,35 m ca. 2,35 m Das raumlufttechnische Gerät (RLT-Gerät) ist

bewusst sehr groß

, damit im Inneren fast kein Luftwiderstand entsteht. Damit gibt es während der Hauptnutzungszeit für die ständig notwendige Raumkühlung (an mind. 94% des Jahres)

einen extrem niedrigen Strombedarf. Durch etwas mehr Geld ausgeben kann man viel Geld sparen !

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 28

3 Kühlarten beim Kombinationskühlsystem von ECL

4. Verbesserungsvorschlag

Kältemaschinennutzung vorhandene Umluftkühlgeräte an 535 h/a ~ 6 % / a

Nutzung der Außenluft an ca. 8.230 h/a [94%]

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 29

Behandlungsfelder der Außenluft beim Kombinationskühlsystem von ECL 6 Behandlungsfelder – 3 Kühlarten Häufigkeiten der Paarung von Temperatur und absoluter Feuchte der Außenluft pro Jahr - gem. DIN 4710

4. Verbesserungsvorschlag

Kältemaschinennutzung vorhandene Umluftkühlgeräte an 535 h/a ~ 6 % / a

Doppelte freie Kühlung an ca. 8.230 h/a Rest: Umluftkühlung Nutzung der Außenluft an ca. 8.230 h/a [94%]

Außenluft in h/a z.B. in Frankfurt t ↑ / x→ Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 30

Die Teilstrombildung im RLT-Zusatzgerät

5. Verbesserungsvorschlag

Teilluftstrom 50 bis 0% 28 o C 28 o C 21 o C 14 o C Kühler Teilluftstrom 50 bis 100% Die aktuell notwendige Kühlluft wird nur mehr ganz selten voll über das jeweils genutzte Luftbehandlungsteil (hier Kühler) geführt. Solange wie möglich werden Teilströme mit 50% gebildet. Danach wird die Luft gemischt.

Das spart gewaltig an Luftwiderstand und letztendlich Antriebsleistung beim Ventilator!

Kälteleistung gleich: 100 % Luft abkühlen um 7 K = 50% Luft abkühlen um 14 K

Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 31

Energieeinsparpotentiale beim Kombinationskühlsystem von ECL Somit entstehen häufig ganz kleine Volumenströme (Kühlluftmengen) ► ► der Außenluft

Doppelte Freikühlung

kleine Ventilatorleistungen ◄

Hohe Temperaturdifferenz ∆t

= T Abluft minus T Zuluft ► kleiner Kühlluftstrom Kältemaschinenbetrieb ganz selten Nutzung der Teilstrombildung ► Luftwiderstandsreduktion im Gerät Reduzierte Kühllasten wirken sich in 3.Potenz bei der Ventilatorleistung aus Luftwechsel reicht zur Raumkühlung aus ► kleine Ventilatorantriebsleistungen = geringer Strombedarf ◄ Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 32

Zusatzvorschlag von ECL: Multifunktionskühlsystem für Neubauten geeignet für Außenluftemperaturen von -15 bis + 45 o C

Außengerät 2

reversible Wärmepumpe (Kondensator / Verdampfer und Verdichter)

Außengerät 1

reines Kühlgerät (Kondensator und Verdichter) geeignet für Außenluftemperaturen von +18 bis + 45 o C umschaltbar

A Sommer betriebszeit

auf A

Umluftgerät

für Serverraum z.B. Deckengerät oder B Redundanzfall Betriebssicherheit

RLT- Zusatzgerät für den Serverraum - System ECL Jetzt mit Direktverdampfer B Winter betriebszeit

Diverse Heizgeräte als Decken- oder Wandgeräte (Kondensatoren) als Ergänzung zu bestehenden Heizsystemen gedacht. - ggf. per Kondensator sogar WW-Erzeugung denkbar -

Ganzjahresnutzung

Verdampfer wird nur im Sommer bei hohen Außentemperaturen genutzt ggf. über die Fortluft Beheizung weiterer Räume bei direkter freier Kühlung Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 33

Energieeinsparpotential beim Kombinationskühlsystem von ECL

100 %

Reduktion von - Strom - Betriebskosten - CO

2

- Emissionen

Istzustand Umluftkühlsystem (Splitgerätesystem) Altbestand

10 %

Kombinationssystem ECL Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 34

Nachhaltigkeitsgedanke beim Kombinationskühlsystem von ECL Durch Geld ausgeben viel Geld sparen Investitionskosten - Energieberatung - Nebenkosten für Ausführungsplanung, Bauleitung - Zusatzteile für Serverraum (Nutzungszeit 20 Jahre z. B.

40.000 Euro Kapital aufwand 27.400 Euro Zuschüsse für - Energieberatung – Erstberatung - Energieberatung – Systemberatung (für mind. 2 Gewerke) - Umbau/Ergänzung Klimatechnik z. B.

12.600 Euro Stromkosten Istzustand ca.7.900 Euro Stromkosten Sollzustand ca. 800 Euro Einsparung pro Jahr ca. 7.100 Euro Bei Strompreis von 20 Ct/kWh (Gesamtpreis!) Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 35

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

• Gibt es noch Fragen?

• Sie könnten sich auch später an mich wenden. [Daten über den Veranstalter] • Mit einem von der KfW – Bank anerkannten Energieberater zusammen mache ich ggf. eine sog. Systemberatung • Siehe: Übrigens: Für die Energieberatung und die Umrüstung gibt es Zuschüsse vom Staat ! http://www.bafa.de/bafa/de/energie/querschnittstechnologien/index.html

/ http://www.datacenter-insider.de/rechenzentrum/klimatechnik/articles/458763/ Weiter Informationen zu kleinen Serverräumen siehe Sonderdruck von Data-Center-Insider von 2014 (Verlag: Vogel Business Media) → „Vom umgebauten Abstellraum zum Hochleistungs-Datacenter“ Kleine Serverräume: Stromkosten und Energie einsparen von Jürgen Loose, Dipl.-Ing. [D 82362 Weilheim] Seite 36