Nachhaltig sparen im Rechenzentrum

Um die Energie zur Kühlung des Rechenzentrums zu reduzieren, gibt es verschiedene Ansätze: Die neuen Umweltempfehlungen für Rechenzentren (ASHRAE 2011) erlauben heute bis zu 27 °C für die Zuluft von Re­chenzentren. Mit dem Ziel, den Energiebedarf für den Kompressor zu reduzieren, ist mittlerweile die Integration der freien Kühlung im Rechenzentrum nahezu Standard. Die Wirtschaftlichkeit dieser Kühlmethode lässt sich noch steigern, indem eine indirekte adiabate Befeuchtung in das Klimagerät integriert wird. Je nach Wetterlage wird die freie Kühlung durch die indirekte adiabate Kühlung unterstützt und erst bei Temperaturen ab 29 °C muss der Kompressor als Spitzenlastgerät zugeschaltet werden.

Das neue Klimagerät GEA Adia-DENCO kombiniert eine indirekte freie Kühlung mit indirekter adiabater Befeuchtung. Das Gerät, das auf der diesjährigen Chillventa erstmals vorgestellt wurde, ist speziell auf die Klimatisierung von Rechenzentren bzw. die Einhaltung einer konstanten Temperatur und relativen Luftfeuchte zugeschnitten. Es basiert auf der Bauform der bewährten Zentralluftgeräteserie GEA CAIR und bietet einen Nennluftvolumenstrom von 25000 m³/h bei einer Kühlleistung von 100 kW.

Saisonales Funktionskonzept

Bei Außentemperaturen unter ca. 6 °C ist allein die indirekte freie Kühlung des GEA Adia-DENCO ausreichend, um die anfallende Wärmelast komplett abzuführen und das bei niedriger Ventilatorleistung. Jegliche zusätzliche Kühlquelle (Adiabatik als auch Kompressionskälteerzeugung) ist in diesem Betriebsmodus abgeschaltet. Die effizienten EC-Ventilatoren im Außenluftstrom arbeiten bei diesen Temperaturen im minimalen Drehzahlbereich und stellen sicher, dass die Temperatur der Zuluft für das Rechenzentrum 25 °C nicht übersteigt. Bei Außentemperaturen zwischen 6 °C und 15 °C reicht es bereits aus, nur die EC-Ventilatoren stufenlos bis zur maximalen Drehzahlstufe zu regeln, erst bei Temperaturen über ca. 15 °C kommt die adiabate Kühlung zum Einsatz.

Die integrierte Steuerung und Regelung findet dabei das energetische Minimum zwischen Ventilatorleistung und benötigter adiabater Kühlung. In Abhängigkeit von der Leistungsanforderung aus dem Rechenzentrum und bei Außentemperaturen über ca. 29 °C wird die indirekte adiabate Kühlung durch einen zusätzlichen 30-Prozent-Spitzenlastkühler unterstützt (Grafik 1), welcher optional auf 100 Prozent Kälteleistung als Redundanzkühler ausgelegt werden kann. Dabei sind Innen- und Außenluft stoffdicht voneinander getrennt: Die Innenluft wird ganzjährig im Umluftbetrieb gekühlt.

Da die Feuchtkugeltemperatur-optimierte adiabate Kühlung in der rund 35 °C warmen Abluftstrecke erfolgt und der Zuluft die Wärme durch den Plattenwärmeübertrager entzogen wird, sind die Luftströme hy­gienisch voneinander getrennt. Wasser, das zum Besprühen verwendet wird, wird mit der Fortluft nach draußen transportiert. So sind Verschmutzungen oder hygienische Beeinträchtigungen ausgeschlossen.

Um auch im Störungsfall den kontinuierlichen Betrieb der Rechenzentrumskühlung zu sichern, gibt es drei Möglichkeiten: Zum einen kann eine Redundanzpumpe die Wasserversorgung für die Adiabatik gewährleisten. Zum anderen oder zusätzlich kann das Spitzenlastgerät als 100-Prozent-Kältekompressor ausgelegt werden, der eine gestörte Freikühlung bzw. Adiabatik komplett ersetzen kann. Außerdem können die Geräte über ein separates Netzwerk miteinander verbunden werden. In der Konstellation einer Running-Redundanz laufen alle Geräte energieeffizient im Teillastbetrieb. Fällt eines aus, ersetzen die laufenden Geräte dieses, indem sie ihre Leistung erhöhen.

Intelligente Regelungstechnik

Die Regelungssoftware optimiert den Einschaltzeitpunkt der Adiabatik, um die Energieaufnahme der äußeren EC-Ventilatoren so gering wie möglich zu halten. Auch wird der Außenluftstrom im energetisch optimalen Betriebsmodus geregelt abhängig von den Kühlanforderungen im Rechenzen­trum. Kostenbewusst optimiert wird auch der Wasserbedarf: Die in der Software inte­grierte Pumpenfunktion reguliert die Pumpe und senkt damit den Wasserbedarf der Adiabatik auf ein Minimum ab.

Alle Messdaten und Betriebsmeldungen werden kontinuierlich erfasst und gespeichert und können auf einem hochauflösenden 5"-Touch-Screen nachvollzogen werden. Durch eine Web-Server-Applikation ist die Software auch Tablet- bzw. Smartphone-kompatibel, die mobil die gleichen Funktionen zur Verfügung stellt wie das Bediengerät vor Ort. Hier werden die Befugnisse über eine Rechteverwaltung auf den jeweiligen Nutzer angepasst. Über diverse gängige Schnittstellen kann das Klimagerät auch in die Gebäudeleittechnik integriert werden.

Wirtschaftlichkeitsberechnung

Die Investitionskosten des GEA Adia-DENCO sind durch die Kombination von drei Kühlsystemen plus gegebenenfalls einer Wasseraufbereitungsanlage höher als bei einer konventionellen Kaltwasser-Lösung. Dieser scheinbare Nachteil wird jedoch durch die niedrigen Betriebskosten über die Zeitspanne der Nutzung mehr als ausgeglichen: Mit den Klimadaten nach DIN 4710 für die Stadt Frankfurt wurde im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsberechnung untersucht, welche Betriebskosten sich durch das Zusammenspiel der verschiedenen Kühlsysteme beim GEA Adia-DENCO ergeben und diese mit denen konventioneller Lösungen verglichen.

Die adiabate Kühlung des GEA Adia-DENCO unterstützt die freie Kühlung in Frankfurt vom späten Frühjahr bis in den frühen Herbst hinein. Das Vergleichsgerät mit Kaltwassererzeuger läuft dagegen praktisch das ganze Jahr im Volllastbetrieb und benötigt dafür 174 319 kWh. Eine Lösung, bei der der konventionelle Kältekompressor durch eine Freikühlung unterstützt wird, würde im gleichen Zeitraum immer noch 116 128 kWh benötigen. Der Strombedarf des Adia-DENCO beträgt durch die indirekte adiabate Kühlung dagegen nur 71 068 kWh. Da bei der adiabaten Kühlung jedoch zu den Energiekosten auch Wasserkosten anfallen, wurden bei einem Strompreis von 0,15 Euro/kWh und einem Wasserpreis von 3,00 Euro/m³ Betriebskosten in Höhe von 12493,16 Euro ermittelt. Beim gleichen Strompreis ergeben sich auf Grundlage des Energieverbrauchs für die Kombination aus konventionellem Kalt­wassererzeuger plus Freikühlung Energiekosten von 17419,18 Euro sowie für den konventio­nellen Kaltwassererzeuger 26147,88 Euro pro Jahr.

Umgekehrt formuliert beträgt das Sparpotenzial des GEA Adia-DENCO bei den Betriebskosten gegenüber der konventionellen Kaltwasser-Alternative rund 52,3 Prozent und gegenüber der Kombination aus konventioneller Kaltwassererzeugung plus Freikühlung 28,3 Prozent (Grafik 2). Dabei gilt: Je niedriger die Feuchtkugeltemperatur ist, desto größer ist die Reduktion des Energiebedarfes und damit die Reduktion der Energiekosten.

In mittleren Breitengraden wird aufgrund der sehr geringen Stundenzahl mit Außentemperaturen über 29 °C (in Frankfurt etwa 50 pro Jahr) der Jahresenergiebedarf für Kompressionskälte auf ein absolutes Minimum reduziert bzw. ganz überflüssig. Rechenzentrumsbetreiber können daher mit dem GEA Adia-DENCO ihre Betriebskosten bei der Kühlenergie deutlich senken und dies in allen gemäßigten bis kalten Klimaregionen der Erde. -

Die adiabate Kühlung beruht auf dem einfachen Prinzip, dass verdunstendes Wasser der Umgebung Wärme entzieht. Beim GEA Adia-DENCO erfolgt die Kühlung der Raumluft über die Abkühlung der Außenluft energieeffizient in einem großen Doppelplattenwärmeübertrager: Die Außenluft wird durch Düsen zunächst durch einen sehr feinen Nebel befeuchtet, dadurch abgekühlt und dann in den Rekuperator geleitet. Der zweifache Rekuperator mit korrosionsbeständigen Aluminiumplatten kühlt dann durch stoffdichten Wärmeübertrag die eintretende warme Rückluft aus dem Rechenzentrum ab. Das heißt, die Luft im Rechenzentrum wird das ganze Jahr im Umluftbetrieb gekühlt. Die große Fläche im Rekuperator ermöglicht einen hocheffizienten Betrieb in allen Betriebspunkten bei niedrigem Druckverlust.

Der GEA Adia-DENCO erfüllt die Forderung zur Nutzung von Umweltwärme für die Kühlung des Gebäudes im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG). Das EEWärmeG schreibt vor, dass Eigentümer neuer Gebäude einen Teil ihres Wärme- und Kältebedarfs aus erneuerbaren Energien decken müssen. Das gilt für Wohn- und Nichtwohngebäude, deren Bauantrag bzw. -anzeige nach dem 1. Januar 2009 eingereicht wurde. Wer keine erneuerbaren Energien nutzen möchte, kann verschiedene Ersatzmaßnahmen wählen. Die Wärmerückgewinnung aus Abwärme über einen Rekuperator in Verbindung mit der indirekten adiabaten Kühlung ist als Ersatzmaßnahme des EEWärmeG möglich. Mit dem GEA Adia-DENCO können ressourcenschonend fast 100 Prozent der für die Kühlung des Rechenzentrums erforderlichen Energie im Rahmen des EEwärmeG gedeckt werden.

Head of Product Management Close Control, Chillers & Decentral Systems Industry, GEA Air Treatment GmbH, Herne

Manager Development AHU Central Engineering Department, GEA Air ­Treatment GmbH, Herne