Dynamic Free Cooling - Stulz GmbH

- White Paper -Effiziente Klimatisierung vonRechenzentren- Dynamic Free Cooling ® -Ausgabe 3, November 2009

InhaltsverzeichnisÜBERBLICK ........................................................................................................................................... 31. WARUM BRAUCHE ICH EINE EFFIZIENTE KLIMATISIERUNG/KÜHLUNG?........................... 32. ENERGIEVERBRAUCH VON KÜHLSYSTEMEN IN RECHENZENTREN................................... 43. REDUZIERUNG DES ENERGIEVERBRAUCHS VON KÜHLSYSTEMEN INRECHENZENTREN........................................................................................................................ 44. DAS KÜHLSYSTEM MIT DFC ® ..................................................................................................... 55. DYNAMIC FREE COOLING ® – WIE WIRD DIE EFFIZIENZ GESTEIGERT................................. 6A. DYNAMISCHE REGELUNG DER WASSERTEMPERATUR ..................................................................... 6B. FREIKÜHLSTANDBYMANAGEMENT................................................................................................... 8C. INDIREKTE FREIE KÜHLUNG........................................................................................................... 9D. DYNAMISCHE REGELUNG ALLER KOMPONENTEN .......................................................................... 10E. OPTIMIERTES GERÄTEDESIGN ..................................................................................................... 10F. DUALES 2-WEGE-VENTIL SYSTEM ............................................................................................... 106. DYNAMIC FREE COOLING ® – WIE VIEL KANN GESPART WERDEN.................................... 117. DYNAMIC FREE COOLING ® – WAS KOSTET ES UND WIE SCHNELL MACHT ES SICHBEZAHLT (ROI) ........................................................................................................................... 12©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 2 von 12

ÜberblickStetig steigende Energiekosten und begrenzte Ressourcen führen dazu, dass inRechenzentren die Infrastruktur immer effizienter gestaltet werden muss. DynamicFree Cooling ® ist ein Regelkonzept für Klimatisierungssysteme für Rechenzentren,welches hybride indirekte Freikühlpräzisionsklimageräte, Rückkühler mitdrehzahlgeregelten Lüftern und drehzahlgeregelte Pumpen zu einemhocheffizientem System kombiniert. Alle energieverbrauchenden Komponenten indiesem System werden zentral geregelt, um den Energieverbrauch in Abhängigkeitvon der Außentemperatur und dem Lastzustand im Rechenzentrum zu minimieren.1. Warum brauche ich eine effiziente Klimatisierung/Kühlung?Es gibt zwei Hauptgründe, warum ein effizientes Kühlsystem eingesetzt werdensollte. Der erste Grund ist die Einsparung von Betriebskosten des Rechenzentrums.In heutigen Rechenzentren werden abhängig vom verwendeten Klimasystemzwischen 25% und 60% des Gesamtenergiebedarfes nur für die Klimatisierungbenötigt. Dabei ist zu beachten, dass effiziente Werte in Richtung von 25% nur mitKlimaanlagen zu erreichen sind, die eine Funktion der Freien Kühlung aufweisen –weniger effiziente Anlagen mit Werten in Richtung von 60% sind in der Regel beiAnlagen anzutreffen, die nur mit Kompressorkühlung aufgebaut sind.Zweitens: Elektrizität wird langsam zu einer wertvollen, begrenzt verfügbarenRessource und sollte daher im Rechenzentrum zum Betrieb der Server verwendetwerden statt zum Betrieb ineffizienter Kühlsysteme.Ein Rechenzentrum „grün“ zu gestalten bzw. zu betreiben ist heutzutage einwichtiges Argument, welches durch die Reduzierung der Betriebskosten undeffizientem Energiemanagement mit einem effizienten Kühlsysteme erreicht wird.©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 3 von 12

2. Energieverbrauch von Kühlsystemen in RechenzentrenRechenzentren benötigen Kühlsysteme um die von den Servern und anderen ITKomponenten erzeugte Wärme aus den Räumen abzuführen. Die Kühlsystememüssen äußerst zuverlässig arbeiten und rund um die Uhr verfügbar sein, d.h.Redundanz ist zwingend erforderlich. Temperatur, Feuchte und Luftqualität muss imRahmen der Spezifikation der Server gehalten werden.Es gibt verschiedenste Kühlsysteme, alle jedoch benötigen eine enorme Menge anEnergie für Ventilatoren, Kompressoren und Pumpen. Die Ventilatoren in denKlimageräten im Rechenzentrum wälzen die Luft um und sorgen so dafür, dass dievon den Servern erzeugte Wärme zu den Klimageräten transportiert wird.Mittels Kältekompressoren wird in verschiedenen Direktexpansionssystemen (DX)die Wärme absorbiert. In Kaltwassersystemen wird die Wärme indirekt über Wasserals sekundärer Wärmeträger absorbiert. Der Kompressor im Klimagerät oderKaltwassererzeuger ist der größte Energieverbraucher. Weitere Energieverbrauchersind Pumpen für Kalt-, oder Kühlwasser und Ventilatoren der luftgekühltenKondensatoren, Rückkühler oder Kühltürme. Diese sind in der Regel außenaufgestellt und geben die aufgenommene Wärme an die Atmosphäre ab.3. Reduzierung des Energieverbrauchs von Kühlsystemen in RechenzentrenKühlsysteme in Rechenzentren werden üblicherweise aus Sicherheitsgründen,Redundanzgründen oder für zukünftige Erweiterungen überdimensioniert. DieseÜberdimensionierung kann genutzt werden, um den Energieverbrauch zu senken.Die gesamte erforderliche Luftmenge kann durch alle Klimageräte, inklusive dervorhandenen Standbygeräte umgewälzt werden. Aufgrund dieser Möglichkeit könnenbereits enorme Mengen Energie eingespart werden. Ein weiterer Energiespareffektist hierbei die Nutzung der Wärmetauscher der Standbygeräte zusätzlich zu den sichregulär in Betrieb befindlichen Geräte.©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 4 von 12

Die mechanische Kühlung mittels Kältekompressor ist nur erforderlich, wenn dieAußentemperatur höher ist als die Temperatur im Rechenzentrum. Sobald dieAußentemperatur niedriger als die Temperatur im Rechenzentrum ist, ist derKältekompressor nicht mehr erforderlich. Die im Rechenzentrum erzeugte Wärmekann direkt von einem Wasser/Glykolgemisch aufgenommen, nach außentransportiert und dort an die Außenluft abgegeben werden. Üblicherweise wird demWasser Ethylenglykol als Frostschutzmittel zugesetzt um ein Einfrieren im Winter zuverhindern.Die Temperatur des Wasser-/Glykolgemisches hat einen wesentlichen Einfluss aufdie Effizienz des Kühlsystems. Je höher die Temperatur des Gemisches ist, destomehr Stunden pro Jahr kann das System im Freikühlmodus arbeiten. Auf deranderen Seite sinkt mit steigender Gemischtemperatur die Kühlleistung derKlimageräte was jedoch immer dann genutzt werden kann, wenn dasRechenzentrum nicht unter Volllast betrieben wird. Mittels des DFC ® Systemswerden so die Betriebskosten des Rechenzentrums erheblich gesenkt.4. Das Kühlsystem mit DFC ®Das System das in diesem Artikel beschrieben wird besteht aus hybridenKlimageräten im Rechenzentrum, Rückkühlern außerhalb des Gebäudes undPumpen, die das Wasser-/Glykolgemisch in einem geschlossenen Kreislaufzwischen Klimageräten und Rückkühlern bewegen.Abbildung 1: Freie KühlungAbbildung 2: Mechanische Kühlung©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 5 von 12

Die hybriden Klimageräte sind mit EC-Lüftern ausgestattet, welche die Luft imRechenzentrum umwälzen. Weiterhin enthalten Sie einen geschlossenenKältekreislauf mit Scroll Kompressoren und einen Luft/Wasserwärmetauscher für denFreikühlbetrieb. Der Rückkühler besteht aus Luft/Wasserwärmetauschern unddrehzahlgeregelten EC-Lüftern mit denen die Umgebungsluft durch dieWärmetauscher gesaugt wird. Die zentrale drehzahlgeregelte Pumpe transportiertdas Wasser vom Klimagerät zum Rückkühler, wo dann die aufgenommene Wärmean die Umgebungsluft abgegeben wird. Alle Komponenten dieses Systems werdenvom Mikroprozessor im Klimagerät und mittels Sensoren in der Außenluft und imLufteintritt der Klimageräte geregelt.5. Dynamic Free Cooling ® – Wie wird die Effizienz gesteigertVerschiedene Regelfunktionen machen Dynamic Free Cooling ® zu dem was es istund so effizient wie es ist. Die wichtigsten Funktionen werden im Folgendenbeschrieben:a. Dynamische Regelung der WassertemperaturHerkömmliche indirekte Freikühlsysteme arbeiten mit einer festenWassertemperatur für mechanische Kühlung per Kompressor, z.B. 35°C, und ca.7°C im Freikühlmodus bei niedrigen Außentemperaturen.Der Zeitraum, in dem die freie Kühlung genutzt werden kann ist somit begrenzt,da nur eine geringe Anzahl an Stunden pro Jahr unterhalb z.B. 3°C sind, also kaltgenug, um im Rückkühler 7°C kaltes Wasser zu produzieren. Mittels DFC ® wirddie Wassertemperatur nun nicht mehr auf einen festen Wert geregelt sonderndynamisch in Abhängigkeit der Anforderung des Rechenzentrums. Warum? ImFreikühlmodus arbeitet das System wie ein Kaltwassersystem. Die Kühlleistungdes Kaltwassersystems hängt von der Wassertemperatur ab. Je höher dieWassertemperatur, desto niedriger die Kühlleistung. Genau dieser Sachverhalt,der auf den ersten Blick nachteilig zu sein scheint, wird vom DFC ® System alsVorteil genutzt.©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 6 von 12

Ein Rechenzentrum im Volllastbetrieb benötigt im Freikühlmodus eineWassertemperatur von z.B. 10,5°C. Dieses 10,5°C kalte Wasser kann vomRückkühler bei Außentemperaturen unterhalb 7°C produziert werden. Das gleicheRechenzentrum benötigt im z.B. 60% Teillastbetrieb auch nur 60% Kühlleistung.Das Kühlsystem kann diese 60% Kühlleistung im Freikühlbetrieb schon mit einererheblich höheren Wassertemperatur von 16°C liefern wobei dieseWassertemperatur schon bei 14°C Außentemperatur vom Rückkühler produziertwerden kann. Zur Verdeutlichung ein Beispiel: In Frankfurt sind 37% des Jahres(3.240 Stunden) Außentemperaturen unter 7°C, während 66% (5.780 Stunden)des Jahres Temperaturen unterhalb 14°C herrschen (Bild 3). Dies bedeutet, dasszusätzlich 2.540 Stunden im Jahr (oder 106 Tage) die freie Kühlung genutztwerden kann. Herkömmliche Freikühlsysteme müssen in dieser Zeit bereits imMischbetrieb oder mit 100% Kompressorkühlung arbeiten.100%Deutschland - Frankfurt95%90%Stunden pro Jahr unter x°C in Prozent85%80%75%70%65%60%55%50%45%40%35%30%25%20%15%10%5%0%-10-8-6-4-2 °C0 °C2 °C4 °C6 °C8 °C10 °C12 °C14 °C16 °C18 °C20 °C22 °C24 °C26 °C28 °C30 °C32 °C34 °C36 °C38 °C40 °CAußentemperaturAbbildung 3: Frankfurt, Stunden unter x °C je Jahr©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 7 von 12

. FreikühlstandbymanagementÜblicherweise sind Rechenzentren mit Standbyklimageräten ausgestattet, um imWartungs- oder Fehlerfall die Kühlung sicherzustellen. Die Standbygeräte sind inder Regel ausgeschaltet, um Energie zu sparen. Zum Abführen der Wärmelastsind sie in der Regel nicht erforderlich. Mit dem DFC ® System arbeiten alleKlimageräte, also auch die Standbygeräte, gänzlich anders zusammen. Durchden Einsatz von hocheffizienten EC Lüftern ist es möglich, diese direkt in ihrerGeschwindigkeit zu regeln. Die vom Lüfter geförderte Luftmenge ist direktproportional zur Drehzahl, die Leistungsaufnahme jedoch sinkt in der drittenPotenz im Verhältnis zur Lüfterdrehzahl bzw. Luftmenge (Abbildung 4). Diesbedeutet, dass beim Betrieb aller Geräte incl. Standbygeräte bei reduzierterLüfterdrehzahl, jedoch gleicher Gesamtluftmenge, die Gesamtleistungsaufnahmealler Lüfter erheblich gesenkt wird. Darüber hinaus bietet diese Technik auchnoch eine gleichmäßigere Luftzuführung und -verteilung im Doppelboden. DFC ®regelt die Klimageräte im Freikühlmodus auf diese Art und erreicht so bisher nichterreichbare Energieeinsparungen. Sollte ein DFC ® geregeltes Klimagerät einmalabgeschaltet werden (für Wartungszwecke) so erhöhen die verbleibendenKlimageräte automatisch ihre Lüfterdrehzahl um die notwendige Luftmenge sicherzu fördern.100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%LuftmengeLeistungsaufnahme100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%1/2Luftmenge1/8LeistungsaufnahmeLuftmengeLeistungsaufnahmeAbbildung 4: Standby Management and Kubisches Gesetz©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 8 von 12

c. Indirekte Freie KühlungDynamic Free Cooling ® ist ein indirektes Freikühlsystem. Indirekte freie Kühlung(Abbildung 5) arbeitet mit Glykol als Wärmeträger zwischen der Luft imRechenzentrum und der Außenluft bei niedrigen Außentemperaturen. DasRechenzentrum ist ein geschlossener Raum, d.h. die Außenluft wird nicht in dasRechenzentrum gebracht. Um der Arbeitsschutzrichtlinie gerecht zu werden, wirdin der Regel ein geringer Anteil Frischluft kontrolliert dem Rechenzentrumzugeführt um einen Überdruck im Raum aufrecht zu erhalten und um einenminimalen Luftwechsel sicherzustellen.Direkte Freikühlsysteme (Abbildung 6) nutzen Außenluft zur Wärmeabfuhr. DieseAußenluft muss gefiltert und konditioniert werden, bevor sie in dasRechenzentrum eingebracht wird. Die direkte freie Kühlung ist nur einsetzbar,wenn im Hinblick auf die relative Luftfeuchtigkeit im Rechenzentrum geringeAnforderungen gelten, z.B. eine Toleranz von 20% bis 80% rel. Feuchte. Fernermuss die Außenluft auf Umwelteinflüsse detektiert werden, um z.B. beimAuftreten von Rauch oder extremem Pollenflug die Anlage in denUmluftkühlbetrieb umsteuern zu können. Kühlung mit Außenluft erfordert höhereFilterklassen im Vergleich zur Umluftkühlung und regelmäßige, teureWartungsprogramme.Abbildung 5: Indirekte Freie KühlungAbbildung 6: Direkte Freie Kühlung©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 9 von 12

d. Dynamische Regelung aller KomponentenIm gesamten Kühlsystem gibt es vier Hauptkomponenten, die Energieverbrauchen: Die Kompressoren und die Lüfter in den Klimageräten, die zentralePumpe sowie die Lüfter der Rückkühler.Dynamic Free Cooling ® regelt all diese Komponenten in Abhängigkeit von derAußenlufttemperatur und des Lastzustandes des Rechenzentrums. DerMikroprozessor analysiert die Außenlufttemperatur sowie die Differenz zwischenSoll- und Isttemperatur im Rechenzentrum. Bei konstanten Raumluftbedingungenwird der Energiebedarf so auf ein Minimum reduziert. Hauptziel ist dieReduzierung der Kompressorlaufzeiten, da diese den mit Abstand höchstenEnergieverbrauch im System aufweisen.Zweite Priorität ist, die verbleibenden Komponenten, Gerätelüfter,Rückkühlerlüfter und Pumpen so zu regeln, das auch hier derGesamtenergieverbrauch minimal ist.e. Optimiertes GerätedesignDie im DFC System eingesetzten Klimageräte sind speziell für diese hoheEffizienz berechnet und optimiert. Die Luftführung durch das Klimagerät und dieeinzelnen Komponenten sind so ausgelegt und angeordnet, dass derLuftwiderstand auf ein Minimum reduziert werden konnte. Das Gerätegehäusewurde im Vergleich zu Geräten ohne freie Kühlung aus diesem Grund verbreitert.Allein durch diese Maßnahme konnte die Lüfterleistungsaufnahme um bis zu 40%verringert werden.f. Duales 2-Wege-Ventil SystemDas Hydrauliksystem in den Klimageräten ist mittels zwei 2-Wege-Ventilen soausgelegt, das das Wasser-Glykolgemisch immer die größtmögliche MengeWärme aufnimmt, sowohl im Freikühl- als auch im Misch- und imKompressorbetrieb. Die erforderliche im System zirkulierendeWasser/Glykolmenge wurde so reduziert und die Pumpenleistungsaufnahmeminimiert.©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 10 von 12

6. Dynamic Free Cooling ® – Wie viel kann gespart werdenDurch den Einsatz von Dynamic Free Cooling ® können bis zu 60% Energie gespartwerden. Die Höhe der Einsparung hängt von einigen Randbedingungen ab. Diegeographische Lage (Jahrestemperaturprofil), das Vergleichssystem, die Anzahl derRedundanzgeräte, die Raumtemperatur und auch der Anteil tatsächlich installierterKühlleistung im Vergleich zur Maximalleistung. Hilfreich für einen Vergleichverschiedener Systeme unter Berücksichtigung aller oben genannten Punkte ist eineentsprechende Software, da diese sehr komplexen Berechnungen zwar möglich,jedoch extrem zeitaufwendig sind und in der Regel mehrere Tage in Anspruchnehmen.+60%-58%Abbildung 7: Beispiel, Software für Systemvergleiche©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 11 von 12

7. Dynamic Free Cooling ® – Was kostet es und wie schnell macht es sichbezahlt (ROI)Die Investitionskosten für ein Dynamic Free Cooling ® System im Vergleich zu einemherkömmlichen System können bis zu 50% höher liegen. Da jedoch dieEinsparungen bei den Betriebskosten erheblich sind, machen sich die Mehrkosten inder Regel innerhalb von 1 bis 3 Jahren bezahlt.Über den Autor:Benjamin Petschke ist Leiter des Produktmanagements und des Sales Support. Nach demPhysikstudium startete er 1996 bei Stulz als Entwicklungsingenieur. 1997 wechselte er in den Vertriebund arbeitete dort in verschiedenen Positionen. Benjamin Petschke ist spezialisiert auf dieKlimatisierung von Rechenzentren und Akustik.Über die Stulz GmbH:Stulz wurde 1947 in Deutschland gegründet und hat sich auf Bereiche spezialisiert, in denentechnologisches Fachwissen und unternehmerische Flexibilität gefragt ist. Das im Familienbesitzbefindliche Unternahmen schaut auf mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Klimatisierung vonRechenzentren zurück. Als Global Player ist Stulz heute in mehr als 100 Ländern weltweit tätig undverfügt über Produktionsstätten in Deutschland, USA, Italien, China und Indien.©2008 Stulz - All rights reserved Dynamic Free Cooling Ausgabe 3 Seite 12 von 12