Freie und indirekt freie Kühlung

Berliner Luft hält die Datacenter-Server am Laufen

| Autor / Redakteur: Dirk Doormann* / Ulrike Ostler

Die Baureihe „Hygcond“ steht für modular aufgebaute Klimageräte mit allen lufttechnischen Funktionen. Das System ist in 18 verschiedenen Baugrößen bis zu einer Luftmenge von 100.000 Kubikmeter pro Stunde lieferbar.
Die Baureihe „Hygcond“ steht für modular aufgebaute Klimageräte mit allen lufttechnischen Funktionen. Das System ist in 18 verschiedenen Baugrößen bis zu einer Luftmenge von 100.000 Kubikmeter pro Stunde lieferbar. (Bild: BerlinerLuft. Technik GmbH)

Der Stromverbrauch in Rechenzentren ist beachtlich. Aktuell liegt der weltweite Stromverbrauch aller Datacenter bei über 375 Terawattstunden – Als Land betrachtet, sind alle Rechenzentren zusammen der elftgrößte Stromverbraucher der Welt.

Der Bedarf nach IT-Leistung steigt ungehindert an. Trends wie Cloud Computing und Big Data, aber auch die steigende Nutzung von Multimedia-Diensten durch private Haushalte führten in den letzten Jahren zu einem deutlichen Anstieg des Bestandes an Server-, Storage- und Netzwerk-Infrastruktur in den Rechenzentren.

Interessant ist aber: Nur etwa die Hälfte des Energieverbrauchs eines typischen Rechenzentrums wird durch die eigentliche Informationstechnik verursacht. Die andere Hälfte geht auf die zusätzlich benötigte Infrastruktur wie die der Klimatisierung, insbesondere der Kälte-Erzeugung, um eine Überhitzung der Anlagen zu vermeiden.

Rechenzentren werden in der Regel individuell geplant und haben ganz unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen. Von daher sollte bereits in der Planungsphase das Klimagerät genau auf das Rechenzentrumskonzept abgestimmt werden. Nur die passende Kühllösung garantiert maximale Ausfallsicherheit bei geringsten Betriebskosten. Eine Herausforderung ist dabei die intelligente Regelung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Server-Raum im Zusammenspiel mit dessen Auslastung.

Klimatisierung durch freie Kühlung und indirekter Verdunstungskühle

In den vergangenen Jahren hat sich im Hinblick auf die Betriebskosten gezeigt, dass der Einsatz der klassischen Umluftkühlsysteme mit CRAC/CRAH-Units wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll ist. Die hierbei eingesetzte freie Kühlung, also: die Kühlung über unbehandelte Außenluft, kann dabei nur bedingt genutzt werden.

Eine moderne und Energie-effiziente Lösung stellen Präzisionsklimageräte dar, die sich durch ihre Betriebsweise exakt und zuverlässig auf die klimatischen Bedingungen in Rechenzentren anpassen lassen. Der flexible und kombinierte Einsatz von freier Kühlung, Verdunstungskühlung und mechanischer Kühlung begünstigt die energieeffiziente Betriebsweise des gesamten Systems.

Das Prinzip der Verdunstungskühlung

Die Nutzung der Außenluft durch freie Kühlung ist hinsichtlich Energie-Einsparung vorteilhaft. Man unterscheidet die direkte und indirekte freie Kühlung. Bei direkter freier Kühlung gelangt Außenluft direkt in den IT-Raum (Wärmetauschprinzip Luft/Luft).

Die direkte freie Kühlung mit Frischluft erfolgt bei Außentemperaturen unterhalb von 16 Grad Trockenkugeltemperatur. Hierzu kann direkte Außenluft genutzt werden, um die von den Klima-Anlagen aufgenommene Wärmemenge effektiv abzugeben. Die Beschaffenheit von Außenluft ist jedoch standort- und wetterabhängig.

Ist die Außenluft bei der direkten freien Kühlung beispielsweise sehr feucht, muss sie über separate Sensoren kontrolliert werden. Entspricht sie nicht den Anforderungen, lässt sie sich indirekt über Plattenwärmeübertrager und Adiabatik kühlen.

Schön kühl

Gemäßigte Klimazonen, also Zonen, in denen ganzjährig niedrige Trocken- und Feucht-Kugeltemperaturen unter 24 Grad vorhanden sind, sind daher perfekte Standorte für Geräte mit diesem Kühlsystem. Die Kühlung erfolgt in Abhängigkeit von der Außen- und der Prozessluft in mehreren Stufen.

Bei niedrigen Außentemperaturen erfolgt eine kosteneffiziente freie Kühlung durch den Einsatz von EC-Ventilatoren. Ab einer bestimmten Außentemperatur wird die Verdunstungskühlung hinzu geschaltet. Die adiabatische Kühlung basiert auf dem physikalischen Prinzip, dass Wasser, wenn es verdunstet und seinen Aggregatzustand ändert, die benötigte Energie der Umgebung als Wärme entzieht („Verdunstungskälte“).

Durch die Zuführung von Feuchtigkeit lässt sich ein Luftstrom somit abkühlen. Bei der indirekten adiabatischen Kühlung im Umluftprinzip wird die Außenluft maximal befeuchtet und kühlt über einen oder mehrere Wärmetauscher die Abluft. Die Außenluft nimmt die Abwärme auf und gibt diese zusammen mit der Feuchtigkeit als Fortluft an die Umwelt ab.

Einhalten von Hygienerichtlinien

Die Befeuchtung erfolgt dabei unmittelbar am Wärmetauscher. Dabei werden die Oberflächen der Platten des Wärmetauschers entweder mit Wasser benetzt oder besprüht. In der Regel wird eine durchgehende Benetzung angestrebt, um ein Austrocknen der Oberflächen zu verhindern und um eine kontinuierliche Befeuchtung zu gewährleisten.

Da das genannte Zusammenspiel von Wasser mit Atmosphäre eine mikrobiologische Belastung begünstigt, kommt der Hygienesicherheit nach den Hygienerichtlinien VDI6022 und VDI2047 hierbei eine besondere Bedeutung zu. Die Steuerung der adiabatischen Kühlung sollte intelligent und in Abhängigkeit von Wasser- und Stromkosten erfolgen. So kann der Wasserverbrauch oder die Leistung der Ventilatoren bedarfsgerecht erhöht beziehungsweise gesenkt werden, um den Verbrauch zu optimieren.

Im Vergleich zur konventionellen Luftbehandlung kann mit der Klimatisierung über freie und indirekte freie Kühlung ein großer Beitrag zur Einsparung von Energie zur Kühlung von Server-Zentren geleistet werden.

* Dirk Doormann arbeitet für die BerlinerLuft. Technik GmbH im Competence Center Klimatechnik.

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