Gasmotorwärmepumpen erobern sich immer mehr Einsatzbereiche. Zu ihren Hauptvorteilen zählen neben der hohen Effizienz die weitgehende Unabhängigkeit vom Stromnetz und auch die Möglichkeit, mit nur einem System zu heizen und zu kühlen. Solche Vorzüge überzeugen zunehmend auch Auftraggeber der öffentlichen Hand. Diese stellen regelmäßig Anforderungen, die über die Wünsche von privaten und gewerblichen Auftraggebern hinausgehen – und die sich mit intelligent ausgelegten Systemen ebenso regelmäßig erfüllen lassen.
Ein Musterbeispiel für diese besondere Leistungsfähigkeit der Gasmotorwärmepumpentechnik realisierte KKU Concept auch in einer Großstadt im Ruhrgebiet. Bei dem zu klimatisierenden Objekt handelte es sich um ein neues Rechenzentrum, das als Leitwarte für die Gasversorgung, Wasserversorgung und das Entwässerungsnetz der gesamten Stadt dient. Zudem werden von hier aus auch der städtische Hafen und die Erdgastankstellen überwacht. Entsprechend hoch waren die Vorgaben an die Betriebssicherheit.
Ein städtisches Rechenzentrum
Die beinahe 600 000 Einwohner der Stadt unterbrechungsfrei mit Gas und Wasser zu versorgen, ist kein Leichtes. Das gilt umso mehr, als die Nachfrage im Tagesverlauf enorm schwankt: Wenn morgens die Duschen aufgedreht werden oder am frühen Abend die Waschmaschinen Wasser ziehen, steigt der Durchsatz schlagartig auf Spitzenwerte, während in den Nachtstunden nur minimaler Bedarf besteht. Ganz ähnlichen Belastungsspitzen muss auch das Entwässerungsnetz gewachsen sein.
Hier wird eine leistungsfähige Datenverarbeitung (IT) benötigt, um die Messdaten aus den Ver- und Entsorgungsnetzen zu sammeln und zeitnah zu analysieren, die Stoffströme in den Netzen den Erfordernissen anzupassen und um Störungen zu erkennen, noch bevor sie sich auswirken. Eine solche IT erzeugt allerdings viel Wärme, die ihrerseits zuverlässig abgeleitet werden muss. Andernfalls drohen hitzebedingte Serverausfälle, die schlimmstenfalls die Versorgung der Einwohner beeinträchtigen könnten.
Eine maximale Ausfallsicherheit der Serverkühlung besaß für die Stadtwerke daher höchste Priorität. Ebenfalls gewünscht war mit Blick auf den städtischen Haushalt aber auch eine möglichst energieeffiziente und kostensparende Lösung. Gemeinsam mit Giesen-Gillhoff-Loomans in Krefeld, dem für die gesamte technische Gebäudeausrüstung verantwortlichen Planungsbüro, entwickelte KKU Concept ein maßgeschneidertes Layout auf Basis moderner Gasmotorwärmepumpentechnik, das alle Anforderungen erfüllt.
Leistung flexibel abrufbar
Das installierte Kühl-, Heiz- und Klimasystem umfasst aktuell drei Gasmotorwärmepumpen von Yanmar mit einer Gesamtleistung von 210 kW Kälte. Es macht sich die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser als Transport- und Speichermedium zunutze: Jede Gasmotorwärmepumpe gibt ihre Kälteleistung über eine Hydrobox, eine Eigenentwicklung von KKU Concept, an einen Kaltwasserkreislauf ab. An diesen Kreislauf sind wiederum die Umluft-Kühlkassetten in den Betriebsräumen und spezielle Umluft-Klimaschränke in den beiden Serverräumen des Rechenzentrums angebunden.
Die Klimaschränke in den Serverräumen nutzen aufgrund ihrer großdimensionierten Wärmeübertrager die eingesetzte Kälte deutlich effizienter als ein klassisches Umluft-Kühlgerät: Nahezu 100 Prozent sensible, also effektiv nutzbare Kühlleistung sind hier erreichbar. Die Klimaschränke sind auf einem Doppelboden aufgestellt, in dem der Luftdruck auf konstantem Niveau gehalten wird. Der Boden verfügt über präzise gelochte Bodenplatten. Auf diese Weise wird eine intensive Durchströmung mit kühler Luft und somit ein zuverlässiger Abtransport der Prozessorwärme erzielt. Die Daten- und Stromkabel werden größtenteils von oben an die Schränke herangeführt.
Jede Gasmotorwärmepumpe ist außerdem mit einer Motorwärmerückgewinnung ausgestattet, sodass neben der Kühlleistung gleichzeitig auch mindestens 90 kW Wärmeleistung bereitstehen. Eingespeist in einen zentralen, 2 m3 großen Pufferspeicher, wird diese Wärme für die Beheizung der Betriebsräume genutzt. Wenn die Server mit niedriger Last laufen und entsprechend Abwärme produzieren, kann außerdem eine der Gasmotorwärmepumpen in den Heizbetrieb umgeschaltet werden und liefert dann zusätzliche 90 kW Wärme. Auf diese Weise gewinnt das Rechenzentrum Unabhängigkeit von zusätzlichen Energiequellen.
Mehrfach abgesichert
Das Kühlsystem im neuen städtischen Rechenzentrum ist mehrfach auf höchste Betriebssicherheit ausgelegt. So entsteht bereits durch die hydraulische Verschaltung der drei Gasmotorwärmepumpen plus Hydroboxen untereinander und mit dem Kaltwassernetz ein erheblicher Wasservorrat. Dieser ist so groß, dass er die Abwärme der Server selbst bei einem Komplettausfall der Kälteerzeugung 24 Stunden lang aufnehmen könnte. Das Gebäude verfügt außerdem über eine zweite Möglichkeit zur Gaseinspeisung und über einen Anschluss für eine mobile Kälteversorgung.
Eine der wichtigsten Sicherheitsvorkehrungen ist die Schaffung von Redundanz. Im Fall des städtischen Rechenzentrums kommt das vielfach bewährte (n + 1)-Prinzip“ zum Einsatz. Es besagt, dass immer eine Komponente mehr installiert ist als für einen kontinuierlichen Betrieb erforderlich. Die dritte Gasmotorwärmepumpe dient also nur als Backup-Anlage für den Störungsfall – das Gesamtsystem würde im Regelbetrieb mit nur zwei Anlagen problemlos arbeiten. An diesem Prinzip wollen die Stadtwerke auch dann festhalten, wenn in zukünftigen Ausbaustufen die Leistung des Rechenzentrums erhöht wird: die Zahl der Gasmotorwärmepumpen könnte dann auf bis zu fünf Anlagen (4 + 1) steigen.
Effizienz macht sich bezahlt
Das Gesamtsystem mit Gasmotorwärmepumpentechnik versorgt das neue städtische Rechenzentrum zuverlässig mit der Kälte, die es benötigt, um seine kritische Funktion zu erfüllen. Statt elektrischem Strom verwendet es jedoch Erdgas als sauber verbrennenden Primärenergieträger. Schon allein dadurch, dass die erheblichen Umwandlungsverluste bei der Stromerzeugung entfallen, ist es einem elektrischen System in puncto Ressourcenschonung weit überlegen.
Dieser Umstand und der hohe interne Wirkungsgrad bringen eine überdurchschnittliche Wirtschaftlichkeit mit sich. So ergaben im Vorfeld angestellte Vergleichsrechnungen, dass das städtische Rechenzentrum mit Gasmotorwärmepumpen gegenüber einem herkömmlichen Kaltwassersatz jährlich rund 35 Prozent Energie einsparen kann, entsprechend einer Senkung der Energiekosten um fast 43 000 Euro pro Jahr. Auch die zunächst höhere Investition in die Klimaschränke im Serverraum macht sich durch deren höhere Effizienz gegenüber Umluft-Kühlgeräten rasch bezahlt.
Gleichzeitig sparen die Stadtwerke viel Geld, indem die Trafostation und die Netzersatzanlage spürbar entlastet werden. Die Wärme für die Beheizung des Rechenzentrums gibt es gewissermaßen kostenlos“ dazu.
Dipl.-Ing. (FH) Christian Tille,
Produktmanager bei der KKU Concept GmbH, Marl
