Flächenkühlsystem CoolW@ll sorgt Energie-Effizienz im Rechenzentrum Der Technikraum im Datacenter wird zum Kühlraum

Autor / Redakteur: Daniela Grosche / Ulrike Ostler

Das Flächenkühlsystem „CoolW@ll“ von Weiss Klimatechnik nutzt als Grundprinzip die Wände selbst zur Luftführung und die komplette Fläche der Trennwand zwischen IT- und Infrastrukturbereich als Wärmetauscher. Damit erlaubt die Technik eine Energie-effiziente Klimatisierung thermisch hochbelasteter Rechenzentren.

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Die CFD-Analyse zeigt eine gleichmäßige Luftströmung ohne Rezirkulationen bim Einsatz von Coolw@ll von Weiss Klimatechnik
Die CFD-Analyse zeigt eine gleichmäßige Luftströmung ohne Rezirkulationen bim Einsatz von Coolw@ll von Weiss Klimatechnik
(Bild: Weiss Klimatechnik)

Effiziente Server-Kühlung ist ein wichtiges Thema beim Betrieb jedes Rechenzentrums. Neben dem gestiegenen Umweltbewusstsein spielt dabei vor allem die Wirtschaftlichkeit eine große Rolle, denn der auf die Kühlung entfallende Kostenanteil am Gesamtenergieverbrauch beträgt bis zu 50 Prozent. Gerade in großen Server-Räumen summieren sich auf diese Weise hohe Energiekosten, die sich durch die geeignete Wahl der Klimatisierung nachhaltig reduzieren lassen.

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CoolW@ll besteht im Wesentlichen aus zwei Elementen: der ganzflächig mit Hochleistungswärmetauscher-Modulen ausgestatteten Kühlwand und den für die Luftbewegung verantwortlichen EC-Ventilatoren. Die Kühlflächen bestehen aus standardisierten Modulen in zwei unterschiedlichen Größen. Somit eignet sich die das System sowohl für den Neubau, als auch für die Sanierung eines Altbestandes oder für die Erweiterung einer bestehenden Anlage, um diese auf neue Last-anforderungen anzupassen.

Ventilatoren im Doppelbodenraster hinter der Kühlwand

Alle Komponenten sind aufeinander abgestimmt und können flexibel erweitert werden. Besonders energiesparende EC-Radialventilatoren werden in das Doppelbodenraster hinter der Kühlwand eingebaut. Sie fördern die mittels der gekühlten und gefilterten Luft über den Doppelboden zum Kaltgang zwischen den Server-Racks (siehe: Abbildung 1).

Zur weiteren thermischen Optimierung im Technikraum empfiehlt sich eine Schottung, die den offenen Kaltgang zwischen den Rack-Reihen durch Seiten- und Deckenelemente schließt. Sie trennt den Kaltluftbereich vom Warmluftbereich, Energie-ineffiziente Luftkurzschlüsse und Durchmischungen sind damit ausgeschlossen. Sensoren in den Kaltgängen regeln die Drehzahl der Ventilatoren und stellen die optimale Menge Kaltluft für die Server sicher.

Die Formel für hohe Kühlleistung, geringe Leistungsaufnahme

Im Vergleich zu Umluftklimageräten bietet die CoolW@ll eine gesteigerte Kühlleistung bei geringerer Leistungsaufnahme der Einzelkomponenten. Die großflächigen Hochleistungskühler garantieren optimale Strömungsverhältnisse und führen zu geringsten Druckverlusten und hohen Wirkungsgraden.

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Die energetischen Vorteile eines Flächenkühlsystems lassen sich mit folgender Formel darstellen:

QK = k ∙ A ∙ ΔTm

QK steht dabei für die Kühlleistung (W), k für den Wärmedurchgang (W/m²K), A für die Übertragungsfläche () und ΔTm für die mittlere Temperaturdifferenz (K) zwischen Luft- und Wasserseite. Die Kühlleistung ist also direkt proportional zur Größe der nutzbaren Wärmetauscherfläche. Je größer diese ist, desto höher ist auch die abrufbare Kühlleistung.

Kaum Kompressionskälte

Dank der großen, nutzbaren Wärmetauscherflächen können projektbezogen bei gleicher Kühlleistung höhere Wassertemperaturen im Vorlauf zur Kühlung genutzt werden. Wird ein Freikühl-Wärmetauscher in den Kaltwasserkreislauf eingebunden, der die dem Raum entzogene Wärmeenergie an die Außenluft abführt, ermöglicht CoolW@ll dadurch eine längere Nutzung der indirekten freien Kühlung.

Teure Kompressionskälte wird minimiert, da die stromintensiven Kältemaschinen umso weniger zugeschaltet werden, je niedriger die Außenlufttemperatur und je höher die mittlere Wassertemperatur ist. Ab einer bestimmten Differenz zwischen beiden Temperaturen stellt sich 100 Prozent freie Kühlung ein.

Bei dem Weiss-System sind sämtliche Komponenten auf Effizienz ausgelegt: Die Anordnung der Einzelelemente sorgt für eine homogene Anströmung und maximale Ausnutzung der Kühlflächen (siehe: Abbildung 2). Jede Verwirbelung oder Umleitung des Luftstromes verursacht einen Energieverlust, welcher durch zusätzliche Leistung am Ventilator ausgeglichen werden muss.

Geschickte Führung der Luftströme

Die Luftstromführung ist so optimiert, dass die Verluste beim Durchströmen des Filters und des Kühlregisters minimiert werden. Damit ist sichergestellt, dass die Luftströmung weit weniger gedrosselt wird als bei Umluftklimageräten – die Ventilatoren „atmen“ leichter.

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Die freilaufenden EC-Radialventilatoren mit optimierter Laufradgeometrie arbeiten mit niedriger Drehzahl und geringem Energieverbrauch bei gleichzeitig hoher Luftleistung. Zudem übertreffen sie die Anforderungen der Energieeffizienzrichtlinie ErP 2015.

Einsatz für hohe Flexibilität

Die Funktion und der Installationsaufwand von CoolW@ll-Systemen sind mit denen konventioneller Umluftklimageräte vergleichbar. Das erweiterbare System passt sich an jede Raumgeometrie an und bietet Rechenzentren ein hohes Maß an Flexibilität. Durch ihre Bauteil-Abmessungen von 1.200 x 2.400 mm und 1.800 x 2.400 mm kann sie durch jede Standard-Tür eingebracht werden, sodass spezielle bauliche Voraussetzungen nicht notwendig sind.

Es lässt sich nicht nur ein- oder zweiseitig aufstellen, sondern auch über Eck oder in der Raummitte. Bei einer solchen Anordnung können zwei Server-Bereiche über mittig platzierte CoolW@ll-Elemente mit einer Reihe von Ventilatoren gleichzeitig versorgt werden.

Der über die Ventilatoren stufenlos regulierbare Luftvolumenstrom ermöglicht eine variable Anpassung der Kühlleistung. Die Ventilator-Drehzahl wird dem individuellen Luftvolumenstrom entsprechend über die EC-Regelung eingestellt. Darüber hinaus kann die zur Erreichung der Kühlleistung notwendige Anzahl an Ventilatoren pro Modul erhöht werden, was die Luftförderung auf mehrere Einzelgeräte verteilt. Die auf diese Weise verringerte Drehzahl jedes Ventilators erzielt eine höhere Energieeinsparung.

Nachgerechnet: Ein direkter Vergleich

Ein energetischer Vergleich mit konventionellen Umluftklimageräten veranschaulicht die Leistungsfähigkeit am Beispiel eines Server-Raumes mit 500 Quadradmetern Fläche und 700 Kilowatt (kW) Wärmelast. Auf der 20 Meter langen Stirnseite werden im ersten Fall neun Präzisionsklimageräte mit Unterflurventilatoren installiert, im zweiten eine CoolW@ll bestehend aus elf Modulen mit 22 EC-Radialventilatoren im Doppelboden (siehe: Abbildung 3).

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Beide Lösungen verfügen nahezu über die gleiche Aufstellbreite und beinhalten jeweils ein Redundanzgerät. Die Rücklufttemperatur beträgt in beiden Fällen 27 Grad. Die Umluftklimageräte erreichen mit 12/18 Grad Kaltwasser eine Nutzkühlleistung von 700 kW und transportieren 24.000 Kubikmeter Luft pro Stunde Luft und Gerät.

CoolW@ll dagegen erreicht eine Nutzkühlleistung von 998 kW und transportiert 29.000 m³/h Luft pro Modul. Daraus ergibt sich eine Mehrleistung von rund 300 kW. Das wiederum bedeutet ein Plus von über 40 Prozent gegenüber Umluftklimasystemen.

Der Vorteil in Euro

Aus der Nutzkühlleistung pro Raumfläche lässt sich die abgeführte Wärme-Energie von 2,0 kW/m² er-rechnen, während die Umluftklimageräte lediglich 1,4 kW/m² erreichen.

Bei gleicher Nutzkühlleistung (700 kW = 1,4 kW/m²) kann dieselbe CoolW@ll-Konfiguration durch ihren besonders Energie-effizienten Betrieb die jährlichen Energiekosten im Vergleich zu Umluftklimageräten um bis zu 55 Prozent senken.

Die Ventilatoren laufen in diesem Fall besonders energiesparend mit einer Leistungsaufnahme von lediglich 1,0 kW pro Gerät. Ausgehend von einem Strompreis von 0,15 Euro/kWh ergeben sich für die Umluftklimageräte jährliche Energiekosten in Höhe von rund 40.000 Euro, wohingegen sich die Kosten bei Einsatz der CoolW@ll auf rund 20.000 Euro belaufen (ein etwaiger Mehraufwand bei der Kaltwassererzeugung durch den höheren Wärme-Eintrag der Ventilatoren in den Umluftklimageräten ist nicht berücksichtigt).

Im Gesamtkostenvergleich über fünf Jahre kann CoolW@ll die Betriebskosten somit um rund 100.000 Euro (pro Raum) senken. Da das System darüber hinaus bei gleicher Stellfläche mehr Leistung bietet als die Umluftklimageräte, ermöglicht sie eine Erweiterung der IT-Kapazitäten.

Die Kompaktklasse als Raum-in-Raum-Lösung

Für Räume, deren Begrenzungsflächen nicht zur Luftführung verwendet werden können, bietet Weiss Klimatechnik mit der CoolW@ll modular eine zusätzliche gerätebasierte Raum-in-Raum-Lösung an. Sie besteht aus einem Grundmodul mit Einhausung, das exakt auf das Doppelbodenraster abgestimmt ist. Der Wärmetauscher ist hierbei integrativer Bestandteil des Modularsystems und ermöglicht damit die Unabhängigkeit von der Raumgeometrie (siehe: Abbildung 4).

Das Grundmodul kann über Anbaumodule jederzeit bedarfsgerecht erweitert werden. Die Abmessungen der Einzelelemente sind fest definiert, so dass sie nicht individuell angepasst werden müssen. Auf diese Weise können beliebig viele Erweiterungen nach dem Baukastenprinzip hinzugefügt werden. CoolW@ll modular ermöglicht eine gute Zugänglichkeit, Begehbarkeit und einfache Sichtkontrolle und erfüllt damit die Hygieneanforderungen an raumlufttechnische Anlagen und Geräte nach VDI 6022.

Die Elemente der Einhausung bestehen aus Aluminiumprofilen mit Makroloneinsätzen und erfüllen damit die Bestimmungen der Brandschutzklasse B1. Optional ist auch eine Variante aus Stahlblech (Brandschutzklasse A1) erhältlich.

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