Freie Kühlung von Rechenzentren

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Freie Kühlung durch Außenluft

Außenluft kann als Wärmesenke zur Kühlung von Rechenzentren genutzt werden, da die Außen- luft im Jahresverlauf meistens kälter als beispielsweise 23 °C ist und in Deutsch land nur ca. 600 h/a eine Kühlung bei Außenlufttemperaturen über 23 °C erfor derlich wird. Es besteht im Prinzip entweder die Möglichkeit die Außenluft ohne Umwege zu verwenden, also das Rechen zentrum direkt mit Außenluft zu belüften und damit zu kühlen, oder aber die Außenluft über einen Wärmeü- bertrager zu entkoppeln, also indirekt zur Küh lung zu nutzen.

Die direkte freie Kühlung hat den großen Vorteil, dass der Wärmewiderstand und der Druckabfall eines sonst not- wendigen Wärmeübertragers nicht berücksichtigt werden müssen. Sie hat aber auch den Nachteil, dass die Zuluft im Winter be feuchtet und im Som- mer entfeuchtet werden muss.

In Abhängigkeit der Außen- luftfeuchte ist daher eine Kom- bination aus der direkten und der in direkten freien Kühlung anzustreben. Bei zu hoher und

Der Beitrag geht der Frage nach, ob eine direkte und indirekte Freie Kühlung von Rechenzentren mit zentralen Raumluft technischen Geräten mit Verdunstungskühlung oder Wärmerückgewinnung die richtige Lösung sein kann.

bei zu niedriger Feuchte oder bei belasteter Außenluft kann die indirekte freie Kühlung genutzt werden, während bei zulässigen Feuchten und unbelasteter Außenluft die direkte freie Kühlung verwendet wird.

Tabelle 1 veranschaulicht am Beispiel von Mannheim die spezifischen Außenluftkon ditio nen während eines Jahres und deren Summenhäufigkeiten in 1/10 h [1].

Unterhalb einer Außenlufttemperatur von 18,5 °C und einer absoluten Feuchte unter 4,5 g/kg wird in rund 1.990 h/a durch Nutzung der indirekten freien Kühlung und ohne zu sätzliche thermodynamische Luftaufbereitung die geforderte Zulufttem- peratur erreicht (Tabelle 1, türkiser Bereich).

Unterhalb von 18,5 °C und über 4,5 g/kg (bis 10,5 g/kg) kann in 4.851 h/a die minimale Zulufttem peratur durch Mischen von Außenluft mit Abluft energetisch effizient gewähr leistet werden, da keine Luftbe handlungsfunktionen erforderlich sind (Tabelle 1 gelb-beiger Be reich).

Im Bereich über 26,5 °C Außenluft und bis zu einer Außenluft- feuchte von 10,5 g/kg kann durch tro ckene, sensible Kühlung die ge forderte Zulufttemperatur in ca. 250 h/a sicher gestellt werden (Tabelle 1, dunkelgrüner, blauer und hellblauer Bereich).

Die not wendige Kühlung wird dann durch ein Rückkühlwerk (RKW) auf Basis eines Wärme übertragers mit indirekter Ver- dunstungskühlung bereitgestellt.

Durch die Verwendung eines Rückkühlwerkes, das mit Au- ßenluft betrieben wird, wird die Temperatur nach dem Rück- kühlwerk je nach Außen- und Abluftluftkondition auf ca. 18 bis 24 °C reduziert, ohne dass eine zusätzliche Kälte maschine benötigt wird.

Liegt der Energieinhalt der Abluft niedriger als der Energieinhalt der Außenluft, kann auch das Verfahren der Wärmerückgewinnung (WRG) zum Einsatz kom men. Dies setzt allerdings voraus, dass die Außenluft direkt dem Rechenzentrum zu geführt werden kann.

Wenn die Summenhäufigkeiten der einzelnen Betriebszustände (Tabelle 1) ad diert werden, so ergibt sich für die direkte freie Küh- lung (hellgrauer und gelb-beiger Be reich) eine Summenhäufigkeit von rund 5.962 h, also 68 % der Jahresnutzungszeit, während 2.798 h, also 32 % auf die indirekte Nutzung der Außenluft fallen (beispielsweise 4,5 g und 10,5 g als Feuchtegrenzwerte).

Bei anderen Feuchtegrenzwerten verschieben sich Laufzeiten für die einzel nen Be triebszustände entsprechend.

Im Bereich über 10,5 g/kg Außenluftfeuchte wird Umluft mit einer indirekten Verduns tungskühlung durch Außenluft genutzt, da die abso lute Feuchte der Außenluft für eine direkte Nutzung zu hoch ausfällt (Tabelle 1, z. B. hellroter Bereich, 0,8 %).

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen

Gegenüber einer rein mechanischen Kühlung im Umluftverfahren kann durch die Freie Kühlung ohne mechanische Ergänzung ein erheblicher Anteil an Energie eingespart werden.

Mit dem Softwaretool „CrossXflow“, das von Howatherm Kli- matechnik GmbH in Zu sammenarbeit mit dem Umwelt-Campus Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup¹,

Boris Wollscheid B. Eng.², Maria Swiderek M. Sc. B. Eng.³

1Honorarprofessor der Hochschule Trier, Umweltcampus Birkenfeld für Energieeffizi enz und Wärme- rückgewinnung, geschäftsführen- der Gesellschafter der Howatherm Klimatechnik GmbH und Vorstands-

vorsitzender des Fachverbands Gebäude Klima e.V. (FGK),

2Entwicklungsingenieur Howatherm Klimatechnik GmbH,

3Entwicklungsingenieurin Howatherm Klimatechnik GmbH

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Freien Kühlung (Eingabe- und Übersichts maske)

1

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Häufigkeit der Außenluftzustände nach VDI 4710 [2] am Beispiel von Mannheim und beispielhafte Nutzung der Freien Kühlung

Verschiedene Betriebszustände für die Nutzung der Freien Kühlung

Birkenfeld der Hochschule Trier entwickelt wurde, können die Einspareffekte der Freien Kühlung standortbezogen berechnet wer den. Hierzu sind sämtliche deutsche Klimazonen, sowohl nach DIN 4710, als auch nach VDI 4710 hinterlegt. Darüber hinaus werden die erforderlichen Rahmenbedingungen, wie Kaltgang- und Warm gangtemperaturen, sowie Feuchtgrenz- werte berücksichtigt.

In Bild 1 ist die Eingabe- und Übersichtsmaske einer Wirt- schaftlichkeitsberechnung dar gestellt. Im Bei spiel werden 100 kW an ganzjähriger Kühlleistung berechnet. Die Volu- menströme glei ten im Beispiel zwischen etwa 35.100 m³/h bis rund 18.100 m³/h.

Auch die spezifischen Energiedaten für Strom und Wasser, Wärmeübertrager und Kälte maschine werden hier definiert.

Zur exakten Berechnung können auch sämtliche lufttechnischen Daten der Gerätelösung (Druckverluste, Befeuchterdaten etc.) eingegeben werden (Bild 2).

Aus Tabelle 3 ergeben sich die erforderlichen Befeuchtungs- stufen der indirekten Ver dunstungskühlung. Tabelle 4 zeigt die Zuluftvolumenströme, die erforderlich sind, um die Kühlleistung zu erbringen. Aus Tabelle 5 können die Leistungsaufnahmen

2a 1

2b

3

4 5

6 7 8 9

RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung mit Verdunstungskühlung

RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung Mischbetrieb direkte AUL-Kühlung RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung isotherme direkte AUL-Kühlung

Bereich Anlagenzustand h/a %

2 0,0 247 2,8 6 0,1 68 0,8 27 0,3 1.111 12,7 389 4,4 1.990 22,7 4.851 55,3 75 0,9 RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung mit

Verdunstungskühlung

WRG UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung mit Verdunstungskühlung

RKW UML-Betrieb indirekte AUL-Kühlung mit Verdunstungskühlung

0,5 39,5 38,5 37,5 36,5 35,5 34,5 33,5 32,5 31,5 30,5 29,5 28,5 27,5 26,5 25,5 24,5 23,5 22,5 21,5 20,5 19,5 18,5 17,5 16,5 15,5 14,5 13,5 12,5 11,5 10,5 9,5 8,5 7,5 6,5 5,5 4,5 3,5 2,5 1,5 0,5 -0,5 -1,5 -2,5 -3,5 -4,5 -5,5 -6,5 -7,5 -8,5 -9,5 -10,5 -11,5 -12,5 -13,5 -14,5 -15,5 -16,5 -17,5

1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,510,511,512,513,514,515,516,517,518,519,5 Sum 0 5 11 27 26 51 80 124

1.580 1.185 850 558 400 274 204 151 117 88 34 33 25 22 11 7 3 1.776 2.504 2.733 2.902 3.136 3.221 3.551 3.666 3.856 3.783 3.830 3.716 3.792 3.766 3.766 3.593 3.566 3.390 3.158 2.929 2.615 2.270 1.972 1.628 1.409 1.223 1.002 810 722 590 441 354 209

1 3 1

3 6 1 1

4 4 5 6 2 3 1 2

1 5 7 3 4 1 3 1 1

5 10 6 7 5 7 8 1 1 1

1 3 3 10 7 7 13 16 11 3 1 1 1 2 1

5 8 15 11 15 25 11 14 9 7 1 1 1

t/x

1

7 11 19 27 31 23 25 25 18 13 4 3 3

1 4 17 27 42 57 57 49 44 21 19 10 3 2 1

3 14 20 33 59 87 79 57 45 15 13 8 5 1 2

3 16 27 46 75 89 93 83 63 41 27 15 9 1 1 1

1 7 25 28 49 83 111 117 101 96 57 21 16 7 2 1

7 21 35 76 110 126 111 111 81 63 41 18 5 2 1 1 1

9 33 49 105 128 130 148 135 102 77 47 26 7 4 1 1

17 37 75 118 158 185 187 147 101 97 56 27 9 6 2 1

3 13 35 89 160 190 185 205 177 139 99 71 29 9 4 1

3 13 36 118 172 236 237 239 204 167 99 59 31 9 4 1

7 25 51 133 203 257 276 284 249 203 144 92 36 11 1 9 33 91 152 219 245 326 341 309 243 163 105 29 5 19 39 107 177 248 294 360 365 330 325 240 91 20 1 21 47 111 207 291 344 409 440 377 382 282 17 1 21 57 117 213 303 390 490 504 517 467 78 4 13 58 135 246 384 456 584 625 687 195 3 1 24 79 149 275 411 549 747 833 491 7 4 31 81 171 288 457 689 858 954 60 9 37 103 181 342 601 785 1177 444 7 44 135 218 433 771 1065 1072 21 7 53 148 285 583 951 1471 294 7 55 179 403 756 1170 1141 5 9 73 205 507 1081 1682 273 21 105 237 663 1351 1397 9 16 125 322 876 1946 571 15 125 433 1177 1879 37 17 136 613 1625 1160 14 167 783 2042 215 31 193 1104 1807 1 39 267 1487 1109 47 383 1960 343 51 519 1927 7 69 644 1063 96 826 657 1

101 946 137 1

139 707 4 147 411 133 267 133 267 167 37 116 1

151 86 2

33 1

33 25 21 1

4 7 7 3

Tabelle 1 Tabelle 2

2

0,5 39,5 38,5 37,5 36,5 35,5 34,5 33,5 32,5 31,5 30,5 29,5 28,5 27,5 26,5 25,5 24,5 23,5 22,5 21,5 20,5 19,5 18,5 17,5 16,5

1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1+ S 1+

S 1 S 1 S 1 S1 S 1 S 1 S 1 S 1S 1+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 1+ S 1+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 1+ S 1+ S 1+ S 1+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1+ S1+

t/x

S 2+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 1+ S 1+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 1+ S 2+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 1+ S 1+

S 1 S 1 S 1 S1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 1+ S 2+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 1+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 1+ S 2+ S 2+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 1+ S 2+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 2+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1S 2+ S 2+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 2+ S 1+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 2+ S 1+

S 1 S 1 S 1 S 1 S 1 S 1

Erforderliche Befeuchterstufen / einstufig (S1), zweistufig (S2) und mit Nach verdunstung (+)

Tabelle 3

Eingabemaske der lufttechnischen Daten im Anwendungsfall

(3)

0,5 39,5 38,5 37,5 36,5 35,5 34,5 33,5 32,5 31,5 30,5 29,5 28,5 27,5 26,5 25,5 24,5 23,5 22,5 21,5 20,5 19,5 18,5 17,5 16,5 15,5 14,5 13,5 12,5 11,5 10,5 9,5 8,5 7,5 6,5 5,5 4,5 3,5 2,5 1,5 0,5 -0,5 -1,5 -2,5 -3,5 -4,5 -5,5 -6,5 -7,5 -8,5 -9,5 -10,5 -11,5 -12,5 -13,5 -14,5 -15,5 -16,5 -17,5

1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,518,5 19,5

35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1

35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,135,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,135,1 35,1

35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,135,1 35,1 35,1 35,1

35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,135,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,135,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 t/x

35,1 35,1 35,1 35,135,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1

35,1 35,1 35,1 35,135,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,135,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,135,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,135,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1

35,1 35,1 35,135,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 33,1 33,133,1 33,1 33,1 33,1 33,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 29,8 29,829,8 29,8 29,8 29,8 29,8 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 34,7 34,7 27,1 27,127,1 27,1 27,1 27,1 27,1 34,7 34,7 34,7 34,7 34,7 34,7 34,7 31,7 31,7 24,924,9 24,9 24,9 24,9 24,9 24,9 31,7 31,7 31,7 31,7 31,7 31,7 31,7 29,5 29,5 22,922,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 29,5 29,5 29,5 29,5 29,5 29,5 27,4 27,4 21,321,3 21,3 21,3 21,3 21,3 21,3 27,4 27,4 27,4 27,4 27,4 25,7 25,719,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 25,7 25,7 25,7 25,7 24,0 24,0 24,018,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 24,0 24,0 24,0 22,7 22,7 22,718,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 22,7 22,7 21,5 21,5 21,518,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 21,5 21,5 20,4 20,4 20,418,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 20,4 19,4 19,4 19,418,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,5 18,5 18,5 18,1 18,1 18,1 18,118,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,118,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1

18,1 18,1 18,1 18,1

18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1

18,1 18,1

18,1

18,1 18,1

18,1 18,1 18,1 18,1

0,5 39,5 38,5 37,5 36,5 35,5 34,5 33,5 32,5 31,5 30,5 29,5 28,5 27,5 26,5 25,5 24,5 23,5 22,5 21,5 20,5 19,5 18,5 17,5 16,5 15,5 14,5 13,5 12,5 11,5 10,5 9,5 8,5 7,5 6,5 5,5 4,5 3,5 2,5 1,5 0,5 -0,5 -1,5 -2,5 -3,5 -4,5 -5,5 -6,5 -7,5 -8,5 -9,5 -10,5 -11,5 -12,5 -13,5 -14,5 -15,5 -16,5 -17,5

1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,517,5 18,5 19,5

18,9 18,9 18,9 18,9 18,9 18,9 18,9

18,9 18,9 18,9 18,9 18,9 18,9 20,5 20,5 18,9 18,9 18,9 18,9 18,9 18,918,9 20,5 20,5

20,5 20,5 20,5 20,5 20,520,5 20,5 20,5 20,5 20,5

20,5 20,5 20,520,5 20,5 20,520,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,520,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 t/x

20,5 20,5 20,520,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5

20,5 20,5 20,520,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,520,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,520,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,520,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5

20,5 20,520,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 12,2 12,212,2 12,2 12,2 12,2 12,2 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 9,6 9,6 9,6 9,6 9,6 9,6 9,6 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,0 20,0 7,7 7,7 7,7 7,7 7,7 7,7 7,7 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 16,3 16,3

5,3 5,3 5,3 5,3 5,3 5,3 5,3

16,3 16,3 16,3 16,3 16,3 16,3 16,3 13,9 13,9

4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5

13,9 13,9 13,9 13,9 13,9 13,9

11,7 11,7 11,7 11,7 11,7 11,7 11,7

10,1 10,1 3,9 3,9 3,9 3,9 3,9 3,9 3,9 10,1 10,1 10,1 10,1 8,7 8,7 8,7 3,4 3,4 3,4 3,4 3,4 3,4 3,4 8,7 8,7 8,7 7,7 7,7 7,7 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 7,7 7,7 6,8 6,8 6,8 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 2,9 6,8 6,8 6,0 6,0 6,0 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 6,0 5,4 5,4 5,4 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 4,9 4,9 4,9 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 4,5 4,5 4,5 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 4,2 4,2 4,2 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 4,0 4,0 4,0 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 3,8 3,8 3,8 2,2 2,2 2,2 2,2 3,6 3,6 3,6 2,2 2,2 2,2 2,2 3,4 3,4 3,4 2,1 2,1 2,1 3,3 3,3 3,3 2,1 2,1 2,1 3,2 3,2 3,2 2,0 2,0 3,1 3,1 3,1 2,0 2,0 3,0 3,0 3,0 2,0 2,0 2,9 2,9 2,9 2,0 2,8 2,8 2,8 1,9 2,7 2,7 2,7 1,9 2,7 2,7 2,7 2,6 2,6 2,6 2,6

2,5 2,5 2,5 2,5

2,5 2,5 2,5 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,3 2,3

2,3 2,3

2,3

2,2 2,2

2,2 2,2 2,1 2,1

2,1 2,1 2,1 2,1

6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4

Zuluftvolumenströme in Tausend m³/h für eine erforderliche Kühlleis-

tung von 100 kW Leistungsbedarf der Ventilatoren in kW

Tabelle 4 Tabelle 5

der bei den Ventilatoren ent- nommen werden.

Das Softwaretool berechnet die Einsparung im Vergleich zur reinen Umluftkühlung, die ebenfalls detailliert spezifiziert werden kann (Bild 2).

Da im Beispiel auf die mechanische Kühlung vollstän- dig verzichtet werden kann, redu zieren sich die Betriebs- kosten der Freien Kühlung, kombiniert mit der indirekten Ver dunstungs küh lung im Bei- spiel erheblich auf rund 11 % der ursprünglichen Kosten bei reiner Umluftkühlung (Bild 3).

Man erhält außerdem die vollständigen wirtschaftlichen Daten, wie die Amortisation, den Kapitalwert der Erspar- nisse sowie sämtliche Investi-

tionskosten, die überschlägig be rechnet werden. Auch eine individuelle Berechnung der/

mit tatsächlichen Investitions- kosten ist möglich.

Die Nutzung der Außenluft als Temperatursenke ist dem- nach eine zu bevorzugende Technologie.

Gegenüber der traditionellen Kühlung im Umluftverfahren mittels einer Kompressions- kälteanlage sind die Betriebs- kosten be deutend geringer.

Zudem kann bei der Verwen- dung der kombinierten direkten und indirekten freien Küh lung der Bedarf an Befeuchtungs- und Entfeuchtungsleistungen eliminiert werden.

Bei der Nutzung der indirekten Verdunstungs kühlung und effizi-

enter Wärmeübertrager kann häufig auf eine mecha nische Kühlung verzichtet werden. Überdies kann in den meisten Betriebsfällen die Luft menge reduziert werden.

Die Wirtschaftlichkeit der Rechenzent rumskühlung wird dadurch deutlich erhöht und die etwas höheren Investitionskosten des Raum- lufttechnischen Gerätes werden dadurch mehr als kompensiert.

Mit dem Softwaretool von Howatherm können die Daten leicht simuliert und visua lisiert werden. Somit wird eine verlässliche Basis für eine Investitionsentscheidung be reitgestellt.

Nichtsdestotrotz wird die abgeführte Wärme weiter unge- nutzt an die Umgebung abgegeben. Es wäre jedoch sinnvoll die Wärme aus einem Rechenzentrum in andere Prozesse zu überführen und zu nutzen. Hierzu bieten sich mehrfachfunktionale Wärmerückgewinnungssysteme auf Basis eines Kreislaufverbund-Systems an.

Mehrfachfunktionale Hochleistungs- Wärmerückgewinnungssysteme zur Abwärmenutzung von Rechenzentren

Kreislaufverbund-Systeme (KV-Systeme) sind seit Jahren etabliert und wurden bisher sehr häufig als Wärmerückge win nungssys teme (WRG) mit nied rigen Übertra gungsgraden in der Raumlufttech-

(4)

900.000

[Eur]

800.000 700.000 600.000 500.000 400.000 300.000 200.000 100.000 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Jahr Einnahmen Ausgaben

Wirkungsgrade: Antriebseinheit Ventilator (inkl. Motor) = 60 % Arbeitszahl Kälteerzeugung = 3 Betriebskosten CXF Mehrkosten UML

Betriebskostenvergleich

88,8%

11,2%

Darstellung des Kapitalwerts der Ersparnisse und der Amortisationszeit Eingabedaten

Klimazone:

Luftmenge:

Mehrinvest:

Minderinvest:

Investition:

Mannheim (12) VDI 4710 35.084 m³/h 135.907 27.278 108.629

Stromkosten:

Wasserkosten:

Additiv:

Nutzungsdauer:

Betriebsstunden:

Kapitalzins:

Preissteigerung:

0,150 /kWh 10,0 /m³ 10,0 /l 15 Jahre 8.760 h/a 3,0 % 2,0 % Auswertung

(1. Jahr) Investition Kapital Ventilatoren Kälteenergie

0 0 /a 3.524 /a 46.766 /a Ertrag

(1. Jahr) Investition Kapital Ventilatoren Wasserkosten Additiv

108.629 9.099 /a 0 /a 719 /a 262 /a Aufwand

770.982 577.945 2,2 Jahre 20,0 38,1

Einnahmen Ausgaben

(n. Laufzeit) Kapitalwert der Ersparnisse Amortisation COP (Mittelwert) COP (gewichtet)

193.038 (n. Laufzeit)

Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung können KV-Systeme als Hochleis tungs systeme mit bis zu 80 % 3

Systemübertra gungsgrad wirtschaftlich eingesetzt wer den.

Neben der Funktion der RZ-Kühlung kön nen dann aber auch zusätzliche Funktio nen der Energierückgewinnung im System realisiert wer den. Dabei kann die zurückübertragene Wärme nicht nur an die Umgebung (Ursprungsprozess) abgegeben werden, son dern auch vollständig oder teilweise einem anderen Prozess direkt oder indirekt zugeführt werden.

Zusatzenergien –

Mehrfachfunktionale Nutzung des WRG-Systems

Der Umlaufmassenstrom (Wasser-Glykol-Gemisch) eines Hoch leistungs-Kreislaufverbund-Systems, des sen eigentliche Funktion die Wärmeübertragung ist, kann daneben auch genutzt werden, um Wärme aber auch Kälte in das System ein - oder auszukoppeln. Da durch, dass in einem solchen Fall kein zusätz licher Luft-Wärmeübertrager notwendig ist, erhöht sich die Wirtschaftlichkeit eines Hoch leistungs-KV-Sy stems be trächtlich, da zum einen die In vesti tionskosten verrin gert und zum anderen die Be triebskosten, ver ursacht durch die geminderten Druckver luste, reduziert werden kön nen.

Einfluss der Ein- und Auskopplung

von Energieströmen in gekoppelte Wärmeübertrager Wenn in den Zwischenkreis der WRG nun weitere Energieströme ein- oder ausgekoppelt werden wie z. B. die Ab wärme, die an anderer Stelle genutzt werden soll, muss der Einfluss auf das System be rücksichtigt werden. Hierbei ist zu unterscheiden, ob dies im Vorlauf oder im Rücklauf des Systems ge schieht [3].

Hierbei wird der Übertragungsgrad der WRG entsprechend beeinflusst. Dieser Ein fluss muss bei einer seriösen Betrachtung der Ge samt effizienz der WRG berechnet wer den. Denn durch das Ein- und Auskoppeln von Wärme kann der Gesamtübertra- gungsgrad des Systems sowohl negativ als auch positiv beeinflusst werden.

Diese Beeinflussung muss natürlich bei der Aus legung des Systems und bei Wirtschaft lichkeits betrachtungen berücksich- tigt werden.

Die erweiterten Funktionen – Indirekte oder direkte Nachkühlung

Über einen Plattenwärmeübertrager kann z. B. Kaltwasser-Kälte in das System (Zwischenkreis) ein gespeist werden, wenn ein zusätzlicher Kältebedarf notwendig wird.

Kältemaschinenabwärme

Die Abwärme einer evtl. erforderlichen Kältemaschine kann energetisch vorteilhaft, über das in Luftrich tung ge sehen letzte Register des Wärme übertragers im Fortluft strom, abgegeben werden. Hierzu wird das letzte Re gister aus dem Wärmeab- fuhrprozess aus gekop pelt und der Kälte maschi nenrück kühlung zur Verfügung ge stellt oder die Kälte maschinen ab wärme wird über einen Platten wärmeübertrager im Rücklauf einge speist.

Abwärmeauskopplung

Hier kann Wärme dem Prozessluft strom ent zogen werden. In diesem Fall wird durch die Ver wendung eines Platten wärmeübertragers dem Medien strom Wärme z. B. zur Brauchwas servorerwärmung

entzogen (Bild 4). Durch die Ab wärmenutzung (Wärmeaus- kopplung) verbessert sich der Über tra gungsgrad der Wärme- übertragung zudem wesentlich.

Kann die gesamte Abwärme nicht genutzt werden, wird die restliche Abwärmemenge über den Rückkühler an die Umgebung abgegeben.

Diese Abwärme kann auch zur Erwärmung der Zuluft einer Raumlufttechnischen Anlage verwendet werden.

Mit dieser Technik lassen sich im Rechen zentrum Vorlauf- temperaturen von bis zu 33 °C erreichen. Reicht dieses Tem- peraturniveau nicht aus, kann das Niveau mit einer Wärme- pumpe auf ein höheres Niveau gehoben werden. Dabei ist

zusätzliche Energie notwendig, welche die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems reduziert.

Mehrstufige adiabatische Verduns tungssysteme Über den Rückkühler wird die Verduns tungskälte, die durch einen adia ba tischen Befeuchter erzeugt wird, auf die Prozess- luftseite übertragen. Durch die Aufteilung des Gesamtsystems in meh rere Stufen entsteht ein komplexes Hyb ridsys tem.

Der Vorteil der Mehrstu- figkeit liegt in der höheren Kälteleistung gegenüber einem einstufi gen System, die daraus resultiert, dass die Lufttempe- ratur in den folgenden Stufen noch mals ab ge senkt wird und somit die mittlere Temperatur

(5)

Q 30°C 15°C

35°C Abluft RZ 10°C Fortluft

Wärmeauskopplung

Rechenzentrum Rückkühler

-5°C Außenluft

20°C Zuluft RZ

22,0°C

11,3 g/kg

42,2 l/h

23,7°C

11,3 g/kg

50,9 l/h

27,2°C

11,3 g/kg

69,2 l/h

33,0°C

11,3 g/kg 36,0%

23,0 Pa

56,0%

26,0°C 20,2°C

23,0 Pa

22,0°C

23,0 Pa

23,7°C

20,3°C 21,4°C

27,2°C

11,8 g/kg 14,1 g/kg 14,8 g/kg 15,8 g/kg

mit Abwärmeaus kopplung (z.B. Brauch wasser vorerwärmung)

KV-System Mehrstufige indirekte Verduns tungskühlung

4 5

tiefer liegt als bei einem einstu- figen System. Die Kälteleistung kann mit diesem Verfahren um etwa 25 % gesteigert werden, ohne dass sich dabei die Druck- verluste des Systems erhöhen, da die ohnehin benö tigten La- mellen nicht nur der Wärme- übertragung dienen, son dern auch als Verdunstungsober flä- che (Stoffübertra gung) heran- gezogen wer den (Hybrid system) (siehe Bild 5).

Durch Hybridsysteme werden die Elekt roenergiekosten reduziert, da die Druck verluste der im Vergleich benötigten Be- feuchter (mehrstufig) entfallen und die me chanische Kälteer- zeu gung erheblich später zum Einsatz kommen kann.

Im Sommerbetrieb wird bei 33 °C Au ßenlufttemperatur eine Zulufttemperatur von ca.

22 °C erreicht.

Leistungssteigerung der indirekten, hybriden Verdunstungskühlung Will man den Einsatz von Kälte- maschinen deutlich verringern, ist eine Optimierung der Lei- stungsdaten der Verdunstungs- kühlung zwin gend erforderlich.

Eine zusätzliche Leistungs- erhöhung kann nur durch eine erhebliche Steige rung der Nachverdunstung erzielt

werden. Hierzu benötigt die Verdunstungskühlung eine besonders große Hydrophilie der Ober fläche, die durch die Zugabe eines speziel len Addi- tivs erreicht wird.

Durch den damit verbundenen größeren Nachverdunstungsef- fekt des Befeuch tungswassers wird ein Befeuchtungsgrad erreicht, der dem äquivalenten Befeuch tungsgrad eines einstu- figen separaten Befeuchters von über 100 % entspricht. Mittels dieses besonderen Verfahrens kann die Nachverdunstung zudem stufenlos ge regelt werden.

Durch die Leistungssteige- rung kann selbst bei 32 °C und 40 % Außenluftkondition und 35 °C und 30 % Abluftkondition eine Zulufttemperatur von 23 °C erreicht werden. Dies wurde bei Vali dierungsmessungen durch die Dekra bestätigt. Somit kann die Zulufttempera tur zusätz- lich um bis zu 3 K gegenüber einer standardmäßigen Ver- dunstungskühlung abgesenkt werden.

Das Additiv wird nur dann eingesetzt, wenn die zusätzliche Nachverdunstung durch die Anforderung an eine höhere Kühlleistung erforderlich wird.

Dabei erfolgt die Zudosierung kontrolliert, wodurch die erforderliche Zulufttempera tur über

die Additivkonzentration geregelt wird. Somit wird der Bedarf des Additivs auf ein Minimum beschränkt.

Diese Neuentwicklung hat den Vorteil, dass eine zusätzliche mechanische Kälteerzeugung wesentlich seltener eingesetzt werden muss.

Zusammenfassung

Die Nutzung der Abwärme eines Rechenzentrums ist technisch einfach zu realisieren.

Dazu existieren effiziente Systeme. Allerdings ist es notwendig, dass es neben dem Anfall von Wärme auch einen Nutzer gibt, der die Wärme verwenden kann. Kann die Wärme nicht verwendet werden, würde „Energiemüll“ zurückgewonnen. Das macht aus ökologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten keinen Sinn.

Auch wird es nicht so sein, dass die insgesamt anfallende Wärme zu jedem Zeitpunkt genutzt werden kann. Aus diesem Grund werden Hybridsysteme benötigt, die sowohl die Abwärme an die Umgebung abgeben, als auch die Wärme in andere Systeme auskoppeln können.

Hier werden sicherlich quartierübergreifende Konzepte notwendig werden. Neben jedem Rechenzentrum müsste eigentlich ein Schwimmbad oder ein Gewächshaus errichtet werden, welches die Abwärme ganzjährig sinnvoll nutzen kann.

Literatur

[1] Freie Kühlung von Rechenzentren mit zentralen Raumlufttechnischen Geräten, HLH 10/2015

[2] VDI 4710 Blatt 3 Meteorologische Grundlagen für die Technische Ge- bäudeausrüstung – t,x-Korrelationen der Jahre 1991 bis 2005 für 15 Klimazonen in Deutschland, 03-2011

[3] Kaup, Mehrfachfunktionale Hochleistungs-Wärmerückgewinnungssysteme, HLH 02/2009