Energieeinsparung durch innovative Rückkühlung

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Betriebskostensenkung im Rechenzentrum
Referent: Dipl.-Ing (FH) Joachim Weber
JAEGGI Hybridtechnologie AG
27.05.2010; Thomas Odrich; Jäggi/ Güntner (Schweiz) AG
Agenda
Grundlagen
Kühlverfahren in Rechenzentren
Funktion von Kälteanlagen
Leistungzahl COP bzw. neu EER
Hybridkühler
Funktionsweise und Eigenschaften
Beispielrechnung Kälteanlage mit Hybridkühler
Freie Kühlung (Free-Cooling)
2 Fallbeispiele: RZ-Kühlung ohne Kältemaschine
Fazit
Ausblick
24.5.2012; Joachim Weber; JAEGGI Hybridtechnologie AG
2
Ausgangssituation: Kühlung ist mit 25% zweitgrösster Stromverbraucher
Ziel:
PUE (Power Usage Effectiveness) so gering wie möglich
Typische Anteile von IT-Hardware und Betriebstechnik am
Stromverbrauch in einem neuen Rechenzentrum
Quelle: DENA; Leistung steigern, Kosten senken: Energieeffizienz im Rechenzentrum
3
Kühlverfahren in Rechenzentren
Quelle: BITKOM-Leitfaden 2009, Betriebssichere Rechenzentren
4
Funktionsschema einer Kälteanlage zur Raumluftkühlung
1250 kW
1000 kW
Energieabfuhr an
die Umgebung
Energiezufuhr aus
dem Serverraum
Kältemaschine
(Kaltwassersatz)
Luftkühler
20/15°C
Kaltwasser
Verdampfer
Verflüssiger
Rückkühler
32/27°C
Kühlwasser
250 kW
Energiezufuhr durch Verdichter der Kälteanlage, Pumpen, Gebläse, …
5
Kälteprozess im h - log p - Diagramm
je geringer der
Temperaturhub bzw. die
Druckdifferenz zwischen
Verdampfer (1) und
Verflüssiger (3), umso
weniger Energie wird am
Verdichter (2) benötigt:
Hier liegt der Hebel für die
Energieeinsparung bei der
Kälteerzeugung.
6
Leistungszahl COP ( neu EER =Energy Efficiency Ratio)
COP
=
Q0
Nutzen
Kälteleistung
=
=
Aufwand elektr. Leistungsaufnahme Welektr .
COPSIA382
=
Kälteleistung
elektr. Leistungsaufnahme der gesamten Anlage
Luftkühler
Rückkühler
Verdampfer
Verflüssiger
7
Besondere Vorgaben in der Schweiz: SIA 382/1:2007
5.6.1 Kälteerzeugung inklusive Rückkühlung und Kälteverteilung sind als
Gesamtsystem zu betrachten und bezüglich Energieeffizienz zu
optimieren.
5.6.3 Die Anlage ist bedarfsgerecht zu betreiben. Der Sollwert der Kaltwassertemperatur soll bedarfsabhängig variiert werden.
5.6.4 Bei konventioneller Kälteerzeugung muss die Vollast- und die TeillastLeistungszahl (COP) der Kälteanlage inklusive Rückkühlung (Pumpen
und Ventilatoren) die Anforderungen gemäss Tabelle 18 erfüllen.
Tabelle 18 Leistungszahlen von Kälteanlagen inkl. Rückkühlung (Pumpen und Ventilatoren)
Gesamtkälteleistung der Anlage in kW bei 100%
1
10
20
50
100
200
500
1000
Minimale Leistungszahl
Bei Teillast 50% (inkl. Rückkühlung)
Grenzwert
Zielwert
3.2
4.0
4.4
5.2
4.8
5.8
5.5
6.6
6.0
7.3
6.2
8.0
6.2
8.2
6.2
8.2
Minimale Leistungszahl
Grenzwert
Bei Volllast 100% (inkl. Rückkühlung) Zielwert
3.2
4.0
3.3
4.1
3.5
4.3
3.8
4.6
4.1
4.9
4.2
5.0
4.2
5.0
4.2
5.0
Quelle: SIA; SIA 382/1:2007 Lüftungs- und Kälteanlagen – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen
8
Leistungszahl COP eines modernen Turboverdichters
COP(30 / 35) = 5
COP(25/ 30) = 6
WElektr. (30 / 35) = 200kW
WElektr. (25/ 30) = 167kW
33kW 16% 3%
≈
⇒
200kW 5K
1K
Strom sparen an der Kältemaschine durch niedrigere
Verflüssigungstemperaturen: ca. 3% pro 1K
9
Funktion und Vorteile des JAEGGI-Hybridkühlers
Vorteile gegenüber
Trockenkühlern:
- viel niedrigere
Wassertemperaturen
- geringerer
Stromverbrauch
- geringerer Platzbedarf
Vorteile gegenüber
Kühltürmen:
- viel geringerer
Wasserverbrauch
- schwadenfrei
- Abluft ohne Aerosole
- deutlich leiser
10
Beispiel für Kälteanlage mit 1000 kW Kälteleistung
Kälteleistung 1000 kW mit Kaltwasser 20/15°C: EER = 4 , somit Pel= 250 kW
Rückkühlleistung 1250 kW mit Kühlwasser 32/27°C bei Tf = 22°C:
HTK 1.8/10.9
m
HTK 1.8/10.9: 4 Ventilatoren x 6,3 kW + 2 Pumpen x 0,9 kW =
27 kW
• free cooling 1000 kW, 20/15°C: trocken bis Umgebungstemp. 6,9°C
• benetzt bis Tf =9,4°C z.B. 15°C/49% rel. Feuchte
11
R+I Schema Kälteanlage im Kältemaschinenbetrieb
Kältemaschine KM
Rückkühler RK
32°C
27°C
20°C
15°C
Verbraucher/
Wärmelieferant
12
R+I Schema Kälteanlage im Freikühl-/ Free-Cooling Betrieb
Rückkühler
19°C
14°C
20°C
15°C
Verbraucher/
Wärmelieferant
13
Free-Cooling: Rückkühler ersetzt zeitweise die Kältemaschine
Stromeinsparung durch „Free-Cooling“
in Kaltwassersystemen kann der Hybridkühler in der kälteren Jahreszeit die energieintensiven
Kältemaschinen ersetzen: bei 1000 kW Kälteleistung und Wassertemperaturen 20/15°C sinkt
der Leistungsbedarf von ca. 277 kW (KM+RK) auf ca. 27 kW für den Hybridkühler, d.h. -90%!!!
2220 h/a
860 h/a
270 h/a
60 h/a
Diagramm: Jahresbetriebsstunden Free-Cooling mit hybridem Trockenkühler bei steigenden Kaltwassertemperaturen, Standort Zürich
14
Stromverbrauch des Beispiels mit 1000 kW ohne/mit Free-Cooling
Vergleich Jahresstromverbrauch KM+RK
- 71%
- 88%
- 94%
- 97%
29/24°C
15
Betriebskosten des Beispiels mit 1000 kW ohne/mit Free-Cooling
Vergleich Jahresbetriebskosten KM + RK
(0,1 Euro/kWh Strom, 4 Euro/m3 Wasser inkl. Abwasser)
- 64%
- 78%
- 85%
- 91%
29/24°C
16
Wie kalt muss es im Serverraum tatsächlich sein?
Quelle: Weiss ITK Airconditioning, Vortrag Suisse Frio November 2011
17
Wie kalt muss es im Serverraum tatsächlich sein?
CCI, 10. Januar 2012, Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl
Intel sagt: 100 °F im Rechenzentrum sind kein Problem
"100 °Fahrenheit (fast 38 °C) stellen für den sicheren Betrieb eines
Rechenzentrums kein Problem dar". Dies verkündete der MikrochipHersteller Intel Ende 2011 und empfahl den Betreibern, zur Verringerung der
Kosten zur Kühlung in ihren Rechenzentren deutlich höhere Temperaturen
zuzulassen.
Die Temperatur im Rechenzentrum könne durchaus auf Werte von deutlich über
30 °C ansteigen, ohne dass dadurch die Betriebssicherheit der Server gefährdet
wird. So könnten weltweit pro Jahr mehr als 2 Mrd. US-$ Betriebskosten
eingespart werden. Hier verweist Intel auch auf ein eigenes Rechenzentrum in
New Mexiko, bei dem die Temperatur auf 33 °C angehoben wurde.
Ergebnis: Die Stromkosten sanken um 67 %.
18
Fallbeispiel 1: Rechenzentrumskühlung ganz ohne Kältemaschine
Neubau ÖKK Landquart, Graubünden/CH
Quelle: ÖKK / Architekten Bearth+Deplazes
19
RZ-Kühlung mit
Umluftkühlgerät,
130 kW
Hybridkühler
JAEGGI HTK 1.2/3.0,
mit 130 kW, 31/22°C
bei Tf=18,2°C
(z.B. 30°C/33% oder
32°C/27%)
Quelle: Anlagenschema Amstein+Walthert AG
20
hybrider
Trockenkühler
JAEGGI
HTK 1.2/3.0
aufgestellt auf
dem Dach, aus
architektonischen
Gründen in einer
Einhausung
Quelle: Amstein+Walthert AG
21
22
23
Fazit
wassergekühlte Kältemaschinen mit hohem EER
energie- und wassersparende Rückkühler
Kühlwassertemperatur möglichst niedrig
Raumluftemperatur so hoch wie möglich (ASHRAE 2011:
32°C) d.h. Kaltwassertemperatur so hoch wie möglich
maximale Zeit für freie Kühlung nutzen
ganz ohne Kältemaschine fahren
Minimaler Energie- und Wasserverbrauch
24
Ausblick - zukünftige Herausforderungen
WUE = Water Usage Effectiveness
WUE
=
Annual Site Water Usage
IT Equipment Energy
WUESource
=
Annual Source Energy Water Usage + Annual Site Water Usage
IT Equipment Energy
neben dem Stromverbrauch muss auch der Wasserverbrauch im Rechenzentrum reduziert werden
25
Wasser sparen mit JAEGGI-Hybridkühler, Beispiel: 1000 kW, 38/28/21°C
Luft-
Fahrw eise
Zustandsbereich
Ventilator Wasserverbrauch
drehzahl Frisch-
Ab-
von
bis
Phi
trok-
be-
[°C]
[°C]
%
ken
netzt
%
Betriebs- Kühl-
bedarf
w asser w asser
(Betriebszustand) des Kühlers
Energie-
stunden leistung
gesam t
Kühlw asser
Ein
Aus
(E = 3)
[m ³]
[m ³]
[kWh]
h
[kW]
[°C]
-29
-20
0
1
0
28
0
0
2
5
1000
38
28
-20
-17
0
1
0
30
0
0
7
16
1000
38
28
-17
-14
0
1
0
31
0
0
19
38
1000
38
28
-14
-11
0
1
0
34
0
0
47
77
1000
38
28
-11
-8
0
1
0
36
0
0
97
129
1000
38
28
-8
-5
0
1
0
39
0
0
257
276
1000
38
28
-5
-2
0
1
0
42
0
0
649
552
1000
38
28
-2
1
0
1
0
45
0
0
1'911
1263
1000
38
28
1
4
0
1
0
50
0
0
1'952
972
1000
38
28
4
7
0
1
0
55
0
0
2'635
959
1000
38
28
7
10
0
1
0
62
0
0
4'117
1038
1000
38
28
10
13
0
1
0
72
0
0
6'894
1117
1000
38
28
13
16
0
1
0
87
0
0
10'769
1005
1000
38
28
16
18
0
1
0
100
0
0
7'289
446
1000
38
28
18
19
66
1/2
1/2
77
187
63
1'430
175
1000
38
28
19
22
60
1/2
1/2
89
456
153
4'518
374
1000
38
28
22
24.1
56
1/2
1/2
99
223
74
2'768
165
1000
38
28
24.1
25
55
0
1
53
100
33
201
53
1000
38
28
25
28
48
0
1
56
176
59
357
84
1000
38
28
28
31
41
0
1
59
59
20
123
26
1000
38
28
31
33
36
0
1
61
9
3
18
4
1000
38
28
1210
403
46060
8760
Wasserverbrauch hybrider
Trockenkühler bei 3Schicht-Betrieb, 8760 h/a,
Eindickung 3-fach:
1.210 m3 Frischwasser
403 m3 Abwasser
x
12
und entsprechend
mehr
Chemikalien/Biozid !!
vgl. mit Nasskühlturm: 15.060 m3 Frischwasser, 5.020 m3 Abwasser
Referenzen: 185 JAEGGI-Kühler im RZ-Einsatz mit insgesamt 230 MW
… einer von 30 JAEGGIHybridkühlern bei SAP, der dort
zur Strom- und Wassereinsparung
beiträgt
27
Betriebskostensenkung im Rechenzentrum
Vielen Dank für ihr
Interesse.
Haben Sie noch Fragen?
JAEGGI Hybridtechnologie AG
Hirschgässlein 11
CH-4051 Basel
27.05.2010; Thomas Odrich; Jäggi/ Güntner (Schweiz) AG
Tel.: +41 61 560 91 45
[email protected]
www.jaeggi-hybrid.ch

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