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Ein Konzept zum Energie und Betriebskosten sparen mit Zusatzkühlung Wirtschaftliche Kühlung von kleinen Server-Räumen

| Autor / Redakteur: Jürgen Loose / Ulrike Ostler

Sowohl in einem Rechenzentrum als auch in kleinen Serverräumen geht die elektrische Leistung, die vom Stromnetz oder der USV-Anlage an die Server abgegeben wird, fast komplett in Wärme über. Dazu wird der Raum ständig mit Umluftkühlgeräten sehr kostenintensiv gekühlt. Das muss nicht so sein, zumal es für die Verbesserung Fördermittel gibt

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Kleine Server-Räume werden zumeist falsch, zu teuer und zu tief gekühlt. Der Autor und Erfinder Jürgen Loose stellt sein Konzept vor und eine mögliche Förderung durch die BAFA.
Kleine Server-Räume werden zumeist falsch, zu teuer und zu tief gekühlt. Der Autor und Erfinder Jürgen Loose stellt sein Konzept vor und eine mögliche Förderung durch die BAFA.
(Bild: Calek/ Fotolia.com)

Die Kühllast (Kälteleistung) des Raumes erhöht sich gegebenenfalls zudem noch durch Sonneneinstrahlung, Beleuchtung und Personen .Häufig kommt zu dieser so genannten „sensiblen Kühlung“ (= Abkühlung des Raumes) noch eine hohe zusätzliche Kälteleistung für die "ungewollte" latente Kühlung hinzu. Diese ergibt sich automatisch, wenn aufgrund der Anbringung des Umluftkühlgerätes an der Decke für die Server-Raumkühlung dort eine sehr niedrige Ausblastemperatur und somit eine Abkühlung der Luft unter den Taupunkt erzeugt werden muss (beispielsweise auf 10 Grad).

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Damit die Server durch die ständig anfallende sensible Wärme nicht zu warm werden, muss so ein Raum rund um die Uhr gekühlt werden. Dabei muss die Kühltechnik absolut betriebssicher sein, weshalb häufig Redundanzen geschaffen werden. Sollte der Nutzer auch gewisse Raumluftfeuchteanforderungen haben, so wie es eigentlich von AESHREA weltweit empfohlen ist, muss bei latenter Kühlung, aber auch bei angedachter direkter Verwendung von Außenluft zur Raumkühlung sogar klimatisiert werden.

So gibt es für den einzelnen Nutzer eines Server-Raumes eine hohe monatliche Stromrechnung und es entsteht weltweit betrachtet, ein gewaltig hoher Energiebedarf (Stromverbauch) für Server-Räume. Hier ein paar Zahlen aus Deutschland: Nach Angaben des Borderstep-Instituts verbrauchten im Jahr 2013 alle Server-Räume und Rechenzentren rund 10 Milliarden Kilowattstunden Strom/Jahr (= 10 TWh/a). Davon wurden alleine für die Klimatisierung/Kühlung rund 4 TWh/a benötigt. Das ist umgerechnet die Leistung eines Kohlekraftwerkes oder der durchschnittliche Verbrauch von zirka 1.3 Millionen Haushalten.

Unterschied von groß und klein

Für größere Server-Räume (Rechenzentren) gibt es seit einiger Zeit viele spezielle energiesparende Klimasysteme, mit Nutzung der indirekten oder der direkten freien Kühlung, manchmal sogar mit zusätzlicher Verdunstungskühlung, so dass der oben genannte Energiebedarf - trotz Zugangs großer Rechenzentren - seit etwa fünf Jahren gleich geblieben ist.

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Das Wichtigste in Kürze

Kleine Server-Räume werden zumeist rund um die Uhr mit Umluftkühlgeräten nach dem so genannten Splitgerätesystem gekühlt. Dieses besteht aus zumindest einem Innen- und einem Außengerät. Diese Geräte sind mittels Kältemittelleitungen verbunden. Dieses Kältemaschinen - Kühlsystem wird ganzjährig, unabhängig von der vor Ort gerade herrschenden Außenlufttemperatur benutzt, also auch im Winter!

Bei einfachen Raumkühlsystemen mit Deckengeräten muss wegen der automatisch entstehenden Mischung von Raumluft mit Zuluft eine sehr kühle Zuluft-Temperatur erzeugt werden. Wenn diese unter dem aktuellen Taupunkt der Zuluft liegt, beispielsweise bei 10 Grad, fällt neben der zur Raumkühlung erforderlichen sensiblen Kühlung noch Kälteleistung für die dann physikalisch bedingte latente Kühlung an. Damit erhöht sich die elektrische Leistungsaufnahme der Kältetechnik und es steigen die Stromkosten.

Die Betriebskosten

Doch auch ohne latente Kühlung entsteht häufig ein sehr hoher Jahresenergieverbrauch an Strom, was beim Nutzer der IT zu hohen Betriebskosten führt.

Mein 1. Vorschlag ist, Kalt- und Warmzonen zu schaffen, die für die folgenden Vorschläge wegen der dann möglichen Nutzung eines hohen delta t zwischen Zu- und Abluft besonders von Nutzen sind.

Mein 2. Vorschlag ist, das vorhandene Umluftkühlsystem durch ein raumlufttechnisches Zusatzgerät zu ergänzen. Dieses spezielle (geschützte) „ECL“ RLT-Gerät mit doppelter freier Kühlung und Teilstrombildung benötigt bei den beiden freien Kühlarten im Jahresmittel nur rund 8 Prozent so viel Energie (Strom) wie das übliche Umluftkühlsystem. Es nutzt die Außenluft auf zweierlei Arten und wird solange benutzt, wie die Außenluft bei der direkten freien Kühlung noch verwendbar ist. So wird - je nach Außenklima am Anwendungsort - das weiterhin für den Redundanz-Fall stets aktive Umluftkühlsystem nur an ganz wenigen Stunden des Jahres automatisch eingeschaltet.

Mein 3. Vorschlag, zum Beispiel für Neuanlagen, ist, im RLT-Gerät einen Direktverdampfer zu integrieren. Dieser wird von einem Außenkühlgerät aus versorgt, aber nur an den seltenen Stunden des Jahres genutzt, wo die d i r e k t e freie Kühlung nicht mehr möglich ist. Als Redundanz zu dem RLT-Gerät wird ein Umluftkühlgerät genutzt. Das dazu benötigte Außenkühlgerät ist als reversible Wärmepumpe/Kältemaschine ausgebildet, so dass von dort aus in der Winterzeit diverse Heizgeräte betrieben werden können. >>> Doppelnutzung einer notwendigen Investition.

Sparen, wenn ....

Mit den vorgeschlagenen Kombinationskühlsystemen werden umso mehr elektrische Arbeit (kWh) - laienhaft oft vereinfacht "Strom" genannt - und Betriebskosten eingespart, desto

  • niedriger die mittlere Außentemperatur am Anwendungsort gegenüber der maximale zulässigen Zulufttemperatur ist
  • höher die maximal abzuführende Raumkühllast (dort entstehende Wärme) ist
  • höher der Nutzer den Sollwert für das Einschalten der Umluftgeräte für die seltenen Extremfälle der hohen Außentemperatur noch weiter nach oben schiebt als wie angedacht: Bei 24 Grad Außentemperatur entstehen ~24 Grad in der Zuluft
  • höhere Raumluftfeuchten als wie vorgesehen von 65 Prozent in der Kaltzone zugelassen werden.
  • größer das vom Anwender gewählte - individuell dort machbare - delta t (= Differenz zwischen Abluft- und Zulufttemperatur) bei Nutzung der beiden freien Kühlarten ist.

Bei kleinen Server-Räumen indes wird zumeist noch ein reines Umluftkühlsystem (ein Splitgerätekühlsystem mit über Kältemittelleitungen verbundenen Innen - und Außengeräten) ohne bewusst angebrachte Warm -und Kaltzonen benutzt. Das aber hat wegen der Ganzjahresnutzung der Kältetechnik und der Ventilatoren einen relativ großen Stromverbrauch, auch wenn zunehmend eine leistungsgeregelte Kältetechnik (Invertertechnik) eingesetzt wird. Der Strombedarf ist besonders hoch, wenn System bedingt dort eine sehr niedrige Zulufttemperatur gewählt werden muss, wobei die Zuluft auf oder sogar unter den Taupunkt abgekühlt wird (s. oben).

Bisherige Einsparmöglichkeiten bei kleinen Server-Räumen

Um Energie (Strom) und infolgedessen Betriebskosten zu sparen zu sparen, gibt es bereits

Erstens: Kühlsysteme, wo die Kältemaschinenkühltechnik mit im Freien angebrachten, so genannte Freecooler, verknüpft wird. Damit wird zu gewissen Zeiten je nach Anwendungsort mehr oder weniger häufig kühle Außenluft indirekt zur Raumkühlung ganz oder ergänzend mit verwendet. Die im Raum angebrachten Umluftkühlgeräte erhalten dann ein kaltes Wasser-Glykolgemisch von außen.

Die Einsparung durch diese indirekte freie Kühlung ist begrenzt durch die beim Nutzer erlaubte Zulufttemperatur für den zu kühlenden Raum oder der dadurch entstehenden warmen Raumtemperatur (Ablufttemperatur) hinter den Servern. Je nach Anwendungsort (Klimazone) kann so jedoch an mehr oder weniger Stunden des Jahres auf die Nutzung der Kältemaschine verzichtet werden.

Zweitens: Energiesparkompaktgeräte, unter anderem von den deutschen Firmen Berliner Luft = ehemals DSD, Hansa-Neumann und Weiss WKT erhältlich. Diese Kompaktgeräte mit integrierter kompletter Kältetechnik nutzen vorwiegend die direkte freie Kühlung. An den wenigen Stunden/Tagen, wo die direkt nutzbare Außenluft wärmer ist als die individuell erlaubte Zulufttemperatur, wird sie vor der Einführung in den zu kühlenden Raum auf die dann noch zulässige Zulufttemperatur maschinell abgekühlt. Wenn sie für eine mögliche Direktverwendung noch wärmer oder zu feucht ist, wird im Gerät auf Umluftkühlung umgeschaltet.

An den rund 2.500 h/a, wo die kalte Außenluft (zum Beispiel am Anwendungsort in München) zu trocken ist, muss sie gegebenenfalls befeuchtet werden oder es wird wiederum auf Umluftkühlbetrieb umgeschaltet. Beides ist Energie aufwändig und reduziert den Einsparerfolg dieser Energiesparkompaktgeräte, außer man verzichtet auf eine Mindestraumluftfeuchte.

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Fördermittel genehm?

Zurzeit ist das Ändern, Verbessern von Kühlung kleiner Server-Räume förderfähig. Voraussetzung für die Förderung durch die BAFA ist die Erstellung eines unternehmensindividuellen Energie-Einsparkonzeptes, eine so genannte Detailberatung durch einen externen Energieberater. Dieser muss nachweislich in der KfW- Beraterbörse für das Programm „Energieberatung im Mittelstand“ gelistet sein.

Wenn nach erfolgter Energie -Intensivberatung ein formgerechter Antrag auf Förderung für die Querschnittstechnologie „Lüftungsanlagen“ gestellt wird, gibt es bei üblichem positivem Bescheid einen Zuschuss von 30 Prozent auf die gesamten Investitionskosten.

Der maximale Zuschuss pro Objekt beträgt 100.000 Euro.

Wichtig: Mit dem Auftrag an eine ausführende Firma oder den Planer darf erst nach bestätigtem Eingang bei der BAFA (noch auf eigenes Risiko) begonnen werden!

Ein Beispiel: Der Umbau der Klimatechnik kostet mit Planung 40.000 Euro. Der Eigenanteil des Kunden beträgt dann lediglich 28.000 Euro.

Es empfiehlt sich, die Energieberatung mit dem Gewerk Elektrotechnik/Beleuchtungstechnik zu koppeln, weil beispielsweise durch eine moderne LED-Beleuchtungstechnik auch locker die förderfähige Mindestmenge an Strom (30 Prozent) eingespart werden kann. Die aus mindestens zwei Gewerken bestehende - bei der KfW zu beantragende – Energieberatung wird zu 60 Prozent bezuschusst.

Ein Beispiel: Die umfangreiche Energieberatung mit abschließendem Bericht für 6 Tage Aufwand kostet rund 4.800 Euro. Davon beträgt der Eigenanteil des Kunden 1.920 Euro. Der höchstmögliche Zuschuss beträgt sogar 4.800 Euro.

Mit einem Aufwand von rund 30.000 Euro kann bei dem genannten Beispiel über die lange Nutzungsdauer der Technik ein mehrfacher Profit erzielt werden, zusätzlich zu der möglichen Abschreibung.

Übrigens: Vor der Detailberatung könnte noch eine Initialberatung durch einen Energieberater der KfW durchgeführt werden, die sogar mit 80 Prozent bezuschusst wird. Dafür genügt zumeist ein Besuchstag.

Zudem sind diese Energiesparkompaktgeräte in der Regel nur für Außentemperaturen bis etwa 34 Grad geeignet, während übliche Umluftkühlgeräte mit entsprechend ausgelegten, dann im Freien angebrachten Kondensatorkühlern auch bei wesentlich höheren Außentemperaturen noch zufriedenstellend genutzt werden können.

Mit vielen interssanten Vorträgen findet am 21. Oktober in Würzburg der "DataCenter-Tag" der Cooling Days statt. DataCenter-Insider ist Medienpartner.
Mit vielen interssanten Vorträgen findet am 21. Oktober in Würzburg der "DataCenter-Tag" der Cooling Days statt. DataCenter-Insider ist Medienpartner.
(Bild: VBM-Archiv)

Veranstaltungstipp: DataCenter-Tag auf den Cooling-Days

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