Der Schlüssel zu einem wirtschaftlicheren Betrieb liegt daher in der Verringerung dieses Postens. Effiziente Kühlkonzepte basieren heutzutage häufig auf freier Kühlung und kommen oft auch ohne Kompressions-Kälteanlagen aus. Moderne Anlagen nutzen die Außenluft, häufig auch kombiniert mit einer adiabatischen Kühlung (Verdunstungskühlung), um das Rechenzentrum entsprechend zu klimatisieren. Allerdings benötigen diese Kühlkonzepte hohe Luftvolumina. Um den gestiegenen Bedarf der Luftleistung zu decken, werden vermehrt die sogenannten FanGrids – ein System aus parallel arbeitenden radialen oder axialen Ventilatoren – eingesetzt (Bild 1a und 1b).
Transport der Luftströme
Bei der freien Kühlung wird zwischen indirekter und direkter freier Kühlung unterschieden. Die indirekte freie Kühlung funktioniert über zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe. Die kühle Außenluft wird nicht direkt in das Rechenzentrum geleitet, sondern dient dazu, über einen Wärmeübertrager den Umluftstrom im Rechenzentrum zu kühlen. Im Gegensatz dazu saugt die direkte freie Kühlung die kalte Außenluft an, filtert und leitet sie direkt in das Rechenzentrum. Bei dieser Methode werden zusätzliche Außenluftfilter benötigt, um die Qualität und Reinheit der Luft zu gewährleisten. Welches Prinzip letztlich in Frage kommt, ist von Anforderungen, Standort und Größe des Rechenzentrums abhängig.
FanGrids nach Maß
ebm-papst unterstützt die Anwender bei der optimalen Auslegung der FanGrids, wozu man eine spezielle Produktselektor-Software nutzt. Anhand gegebener Parameter wie dem zur Verfügung stehenden Einbauraum, den benötigten Betriebspunkten oder der gewünschten Redundanz wird das wirtschaftlichste System ermittelt. Die Software berücksichtigt hierbei die Lebenszykluskosten, also die Anschaffungs- und die Betriebskosten, über einen definierten Zeitraum.
Bislang wurden FanGrids oft auf Basis des Betriebspunktes mit der höchsten Luftmenge (Maximalbetriebspunkt) ausgelegt. Dieser wird jedoch nur selten erreicht – üblicherweise dann, wenn das Data Center bei voller Auslastung und hohen Außentemperaturen im Sommer betrieben wird. Die meiste Zeit im Jahr läuft die Data-Center-Kühlung allerdings im Teillastbetrieb. Aus diesem Grund können in der Auslegungssoftware bis zu fünf verschiedene Betriebszustände (Betriebspunkte) vorgegeben werden.
Zu diesen Betriebszuständen wird die jeweilige Betriebsdauer in Stunden pro Jahr hinterlegt. Daraus ergeben sich gewichtete Betriebspunkte, die den Betrieb über ein Jahr hinweg abbilden. Bild 2 zeigt hierzu ein Beispiel. Anhand dieser Punkte können realistische Werte bezüglich der zu erwartenden Betriebskosten errechnet werden. Die Software verknüpft dabei alle möglichen FanGrid-Kombinationen (Art, Größe und Anzahl der Ventilatoren) und ermittelt die energieeffizienteste Variante. Dabei ist es durchaus möglich, dass im Jahresvergleich nicht die Kombination mit der höchsten Effizienz im Maximalbetriebspunkt, sondern auch die besten Verbrauchswerte auf Basis der gewichteten Betriebspunkte liefert.
Die Berechnung des Energieverbrauchs erfolgt durch die gewichteten Betriebspunkte wesentlich genauer. Bild 3 zeigt beispielsweise die Energieverbrauchsberechnung eines FanGrids mit vier Ventilatoren der Baureihe RadiPac. Der linke Balken zeigt den Energieverbrauch, errechnet auf Basis des Maximalarbeitspunktes (etwa 70 000 kWh). Der rechte Balken (etwa 50 000 kWh) zeigt den tatsächlichen Energieverbrauch des FanGrids pro Jahr, errechnet anhand realistisch gewichteter Betriebspunkte.
Immer effizientere Ventilatoren
Diese Einsparpotenziale lassen sich durch den Einsatz von EC-Ventilatoren in FanGrids erreichen. Denn sie sind besonders effizient und können jederzeit auf den gewünschten Betriebspunkt geregelt werden. Dazu zählt der neue EC-Radialventilator RadiPac für Raumlufttechnik (Bild 4). Er ist nicht nur bis zu 13 Prozent effizienter als sein Vorgänger, sondern auch um über 3 dB(A) leiser. Sein optimiertes Abströmverhalten sorgt für eine effektive Strömungsführung, auch bei geringem Platzangebot (Bild 5). Setzt ein Rechenzentrumsbetreiber den neuen EC-Radialventilator in seinen FanGrids ein, ist ein effizienter Betrieb auf kleinem Bauraum möglich.
Ein weiterer Faktor, der in der Praxis häufig vernachlässigt wird, sind Einbauverluste. Wenn Ventilatoren zu dicht nebeneinander positioniert sind, beeinflussen sie sich gegenseitig. Generell gilt dabei: je höher das zu befördernde Luftvolumen ist, umso größer müssen die Abstände zwischen den Ventilatoren sein. Die Auslegungssoftware berücksichtigt automatisch mögliche Einbauverluste.
Ventilatoren halten zusammen
FanGrids werden oft mit eingebauter Redundanz ausgelegt. Fällt ein Ventilator aus, fahren die übrigen automatisch ihre Drehzahl hoch und kompensieren den Luftleistungsabfall bestmöglich. Das hat allerdings folgenden Effekt: Durch den ausgefallenen Ventilator fließt ein Teil der Luft zurück und verursacht eine sogenannte Rückströmung. Die Verluste sind hierbei vom Betriebspunkt abhängig. Sie müssen bei der Auslegung berücksichtigt werden.
Fazit
Damit das Konzept der freien Kühlung mit optimal ausgelegten FanGrids funktioniert, betrachtet ebm-papst zunächst die anwendungsspezifische Situation, beispielsweise den zur Verfügung stehenden Einbauraum, die Betriebspunkte oder die gewünschte Redundanz. Anhand der Lebenszykluskosten wird letztlich das System, also Art, Größe und Anzahl der zu verwendenden Ventilatoren, bestimmt. Zudem spielen bei der Auslegung der FanGrids immer der Abstand und die Anordnung eine wichtige Rolle. Daher die Faustregel: Je höher das Luftvolumen, umso größer die Abstände. Nur so werden die gewünschte Leistung und Effizienz erreicht.
Mittels der Produktselektor-Software lassen sich unterschiedliche Betriebspunkte gewichten. Somit wird die Anlage nicht, wie oft üblich, nach dem maximalen Betriebspunkt ausgerichtet, sondern individuell auf die Bedürfnisse des Anwenders abgestimmt. Zudem lassen sich auf Basis der gewichteten Betriebspunkte verschiedene Betriebsszenarien wie konstanter Volumenstrom oder konstanter Druck simulieren – was die Auslegung der FanGrids effizienter macht und die Betriebskosten reduziert. Mit ausgefeilter EC-Technik und umfassendem Know-how unterstützt ebm-papst die Anwender bei der Auslegung des Kühlkonzeptes.
Alfa Laval: Komplettlösung zur kühlung von Rechenzentren
Eine spezielle Technik und ein komplettes Programm hat Alfa Laval zur effektiven Kühlung von Rechenzentren vorgestellt. Damit soll es deutlich einfacher werden, Systeme für die spezifischen Anforderungen von Rechenzentren zu konzipieren. Gleichzeitig will der Hersteller damit die Kühlung solcher Einrichtungen weniger kompliziert und umweltfreundlicher machen. Im Ergebnis entstehen zuverlässige, energiesparende und kosteneffiziente Systeme für alle Bereiche in Rechenzentren. Sie beinhalten:
Eine spezielle Technik und ein komplettes Programm hat Alfa Laval zur effektiven Kühlung von Rechenzentren vorgestellt. Damit soll es deutlich einfacher werden, Systeme für die spezifischen Anforderungen von Rechenzentren zu konzipieren. Gleichzeitig will der Hersteller damit die Kühlung solcher Einrichtungen weniger kompliziert und umweltfreundlicher machen. Im Ergebnis entstehen zuverlässige, energiesparende und kosteneffiziente Systeme für alle Bereiche in Rechenzentren. Sie beinhalten:
Besondere Technik zur Serverkühlung mit einem Luftstrom mit geringer Geschwindigkeit (Low Speed Ventilation, LSV). Diese Kühlungstechnik führt zu einem geringeren Energieverbrauch, niedrigeren Energieausgaben für die Kühlung (bis zu 30 Prozent, je nach Größe vom Rechenzentrum, Typ und Ort) und einem niedrigen PUE-Wert.
Freie Kühlung mit Luft. Dank des umfassenden Produktportfolios lassen sich außerdem adiabatische Kühler oder Trockenkühler mit gedichteten Plattenwärmeübertragern im Herzen von Kühlsystemen, die auf Luft basieren, miteinander kombinieren. Der Hersteller bestimmt hierbei die optimalen Perioden zur freien Kühlung bzw. zur Verwendung von Kühlern im ganzjährlichen Betrieb.
Freie Kühlung mit Wasser. Dazu stehen sowohl Wasserfilter als auch gedichtete Plattenwärmeübertrager bereit. Ein solches System kann oftmals über das gesamte Jahr betrieben werden, ohne dass mechanische Kühlung notwendig ist.
Proaktive Wartungsleistungen und Serviceprogramme. Sie sollen eine effektive und langanhaltende Leistung des Kühlsystems sicherstellen.
Daniel Lemke,
Market Management bei ebm-papst
Mulfingen
