RZ - Klimatisierung Leitfaden für die Planung von Klima ...¤senta… · Kühlung Kyoto- Kühlung...

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RZ - Klimatisierung

Leitfaden für die Planung von Klima und Kältetechnik

in Rechenzentren

2

Referentenprofil:

Terrahe, Ulrich

dc-ce RZ-Beratung Berner Str. 38

60437 Frankfurt/Main

069-66161895

0173-6219556

069-66161911

u.terrahe@dc-ce.de

Berufliche Ausbildung:

Diplom-Ingenieur (Energie- und Wärmetechnik), Diplom-Wirtschafts-Ingenieur Maschinenschlosser

Fachgebiet der Referententätigkeit:

Technische Infrastruktur Rechenzentren, Risiko- und Schwachstellenanalyse

Energieeffizienz in Rechenzentren

Berufliche Tätigkeit:

Seit 1997 in der RechenzentrumspIanung; Inhaber der dc-ce RZ-Beratung und Beratender Ingenieur,

Frankfurt am Main, Initiator und Veranstalter des Events Future Thinking und des Deutschen

Rechenzentrumspreises

Erfahrung als Referent:

Referent für die Datacenter Dynamics in Frankfurt und Mumbai, für die IIR und Euroforum in Frankfurt

und Düsseldorf, Bitkom, Cast e.V., Universität Bochum, Computerwoche, Infrakon

Referent an der Technischen Akademie Wuppertal (Seminar: Fachkraft für betriebssichere

Rechenzentren)

3

Kaltgang-

Warmgang

Adsorber

wassergekühltes

Rack

direkte freie

Kühlung

Kyoto-

Kühlung

rel. Feuchte

PUE

> 1,3

Turbocor-

verdichter

Wärme-

pumpe

Einhausung

Verschattung

Adiabate

Kühlung Direktverdampfer Tier 4

? dynamische

Lasten

Monitoring

Wartung

Freikühlregister

Optimale Klimatisierung?

4

Kühlungsprozess im Rechenzentrum

Rückluft Zuluft Außenluft Außenluft

Vorlauf (Wasser)

Rücklauf (Wasser)

innen außen

Rack /Rechenzentrum Umgebung

3 =Kältemaschine *

1 = Lüfter

2 = Pumpen

4 = Kondensator (Lüfter)

5 = Wärmetauscher 5 = Wärmetauscher

1

5

5

Physikalische Gesetzmäßigkeiten

Q = VL x ρA x cpA x Δ𝛝

6

Physikalische Gesetzmäßigkeiten

𝑉 1

𝑉 2=

𝑝1𝑝2

−2

=𝑃1𝑃2

−3

=𝑛1𝑛2

𝑉 : Volumenstrom 𝑝: Druckverlust 𝑃: elektrische Leistung 𝑛: Drehzahl des Ventilators

Volumenstrom

𝑽 in m³/h

Druckverlust

p in Pa

Elektrische

Leistungsaufnahme

P in Watt

3.000 500 3000

2.500 347 1736

2.000 222 889

1.500 125 375

1.000 56 111

750 31 47

500 14 14

250 3 2

3.000

1.500=

500

𝑝2

−2

=3.000

𝑃2

−3

=𝑛1𝑛2

22 =500 Pa

𝑝2→ 𝑝2 = 125 Pa

23 =3.000 W

𝑃2→ 𝑃2 = 375 W

7

Das hx- Diagramm nach Molliere

1.25 kg/m3

1.20 kg/m3

1.15 kg/m3

1.10 kg/m3

20 kJ/kg

40 kJ/kg

60 kJ/kg

Ent

halp

ie

100%

50%

90%

80%

70%

60%

40% 30% 20% 15% 10% 5%

Re

l. F

eu

ch

te

-0 g

/kg

2 g

/kg

4 g

/kg

6 g

/kg

8 g

/kg

10

g/k

g

12

g/k

g

14

g/k

g

16

g/k

g

18

g/k

g

20

g/k

g

Wasser

-10 °

-5 °

0 °

5 °

10 °

15 °

20 °

25 °

30 °

35 °

40 °

Te

mp

era

tur

Meteorological datafor Frankfurtconcerning Meteonorm

Mollier-h-x-Diagramm für feuchte Luft - Druck 0.950 bar (537.000 m / 10.000 °C / 80.000 % rF)

1.30 kg/m3

1.25 kg/m3

1.20 kg/m3

1.15 kg/m3

20 kJ/kg

40 kJ/kg

60 kJ/kg

Ent

halp

ie

100%

50%

90%

80%

70%

60%

40% 30% 20% 15% 10% 5%

Re

l. F

eu

ch

te

-0 g

/kg

2 g

/kg

4 g

/kg

6 g

/kg

8 g

/kg

10

g/k

g

12

g/k

g

14

g/k

g

16

g/k

g

18

g/k

g

20

g/k

g

Wasser

-10 °

-5 °

0 °

5 °

10 °

15 °

20 °

25 °

30 °

35 °

40 °

Te

mp

era

tur

Meteorological datafor Frankfurtconcerning Meteonorm

Mollier-h-x-Diagramm für feuchte Luft - Druck 1.001 bar (100.000 m / 10.000 °C / 80.000 % rF)

1.25 kg/m3

1.20 kg/m3

1.15 kg/m3

1.10 kg/m3

1.05 kg/m3

0 kJ/kg

20 kJ/kg

40 kJ/kg

60 kJ/kg

Ent

halp

ie

100%

50%

90%

80%

70%

60%

40%

30% 20% 15% 10% 5%

Re

l. F

eu

ch

te

-0 g

/kg

2 g

/kg

4 g

/kg

6 g

/kg

8 g

/kg

10

g/k

g

12

g/k

g

14

g/k

g

16

g/k

g

18

g/k

g

20

g/k

g

Wasser

-15 °

-10 °

-5 °

0 °

5 °

10 °

15 °

20 °

25 °

30 °

35 °

40 °

Te

mp

era

tur

Meteorological datafor Frankfurtconcerning Meteonorm

Mollier-h-x-Diagramm für feuchte Luft - Druck 0.950 bar (537.000 m / 10.000 °C / 80.000 % rF)

früher Ashrea 2011 recommended

Ashrea 2011 allowable

Physikalische Gesetzmäßigkeiten

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Rückluft Zuluft

innen

Rack /Rechenzentrum

Klima im Rechenzentrum

Steuergrößen: • Zulufttemperatur • Rücklufttemperatur • Ventilatoren • Wärmetauscher

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Kühlkonzept von Rackservern

• Ansaugen von kalter Luft vorne

– Luftdurchfluß durch den Server optimiert mit Leitblechen

– Mehr Funktionen/Komponenten auf wenig Platz

• keine Kühlung von Einzelkomponenten

– kein Redundanzproblem

– Erlaubt höhere interne Skalierbarkeit

– Hitze wird mit angeordneten Lüftern aus dem Gehäuse effizienter entfernt

10

Benötigte Kälteleistung

IBM Blade Center • Jedes Blade-Center Gestell benötigt “7U” • Max. 6 Blade-Center passen in ein Standard-

“42U”-Rack • Max. Wärmelast pro BladeCenter: 4kW • Max. Wärmelast pro Rack: 24kW • Benötigte Luftmenge:

6 x 850 m³/h = 5100 m3/h • Luftführung von vorne nach hinten

Dell Blade Server • 10 PowerEdge 1855 Blades benötigen “7U” • Max. 6 PowerEdge 1855 Blades passen in ein

Standard-“42U”-Rack • Max. Wärmelast für 10 Blades: 4.17kW • Max. Wärmelast pro Rack: 25kW • Benötigte Luftmenge:

6 x 680 m3/h = 4080 m3/h • Luftführung von vorne nach hinten

11

Niedriges Luftvolumen Hohes Luftvolumen Einhausung

Luftströmung im Rechenzentrum

12

Ventilatoren in Reihe geschaltet

13

Testrechenzentrum dc-ce am Hermann Rietschel Institute

14

Komfortklima versus Präzisionsklimatechnik

- Geringeres Luftvolumen - Höhere Temperaturdifferenz - mehr Entfeuchtung - höhere latente Kühlleistung

- höheres Luftvolumen - geringere Temperaturdifferenz - weniger Entfeuchtung - niedrige latente Kühlleistung

Q = VL x ρA x cpA x ΔT

Bilder Fa. Stulz

15

Praxisbeispiel: Spielen mit der Temperatur

16

Praxisbeispiel: Vergrößerung des Wärmetauscher

wassergekühltes Rack

Präzisions- Klimaschrank

Präzisions- Klimaschrank

Ventilator im DB (Weiss Klimatechnik)

Klimawand Ventilator im DB

(Weiss Klimatechnik)

17 17

FIAS Patent submitted @ DPMA 5.7.2008 (Lindenstruth, Stöcker)

Rechenzentrum ohne externe Ventilationsleistung

18

Außenluft Außenluft

außen

Umgebung

Rückkühltechnik

Steuergrößen: • Außentemperatur • Wassertemperatur • Ventilatoren • Wärmetauscher • Außenfeuchte

20

Trockenrückkühler

Trockenrückkühler

Hochleistungs-(Trocken)rückkühler

Trockenrückkühler (axial)

Rückkühler (Kondensatoren, Verflüssiger)

Rückkühler

21 21

Temperaturverlauf FFM 2007 (Trockenkugel- und Feuchtkugeltemperatur)

22

Kühltürme und Hybridkühler

Hybridkühler

Kühltürme

23

* Steuergrößen: • Wassertemperatur • Anlagentechniken

Kälteerzeugung

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Kältemaschinen

luftgekühlter Schraubenverdichter (Bsp. Stulz) wassergekühlte Schraubenverdichter (Bsp. Carrier)

Absorbtionskältemaschinen Magnetgelagerter Turboverdichter (Turbocor Bsp. Smart Opk)

25

Direkte freie Kühlung

Zuluft Außenluft

Rack /Rechenzentrum Umgebung

Rückluft Außenluft

Steuergrößen: • Zulufttemperatur • Ventilatoren

26 19.04.2015 26

RL FL FL FL

RL RL

AuL AuL AuL

ZL ZL ZL

Außenluftbetrieb freie Kühlung

Mischbetrieb mit Kälteanlage

Umluftbetrieb über Kälteanlage

Bilder Fa. Hansa (Slimline)

Direkte freie Kühlung

FL = Fortluft RL = Rückluft ZL = Zuluft AuL= Außenluft

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Direkte freie Kühlung

• Zentralkimagerät auf Minimum (Mischkammer, Filter, EC- Ventilator, Hochdruck-befeuchtungskammer) beschränkt. Damit geringst möglicher Druckverlust!

• Trennung von der energieeffizienten direkten freien Kühlung 99 % Laufzeit und der Not- und Spitzentemperaturkühlung. (Einhaltung der Tier 3 –kostengünstig)

• Kurze Kanalführungswege, geringe Luftgeschwindigkeiten! Geringer Druckverlust!

• Adiabate Kühlung mit Hochdruckbefeuchte bei Spitzentemperaturen möglich.

28

Direkte freie Kühlung

Bilder RZ SMA

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Wärmetauscher innen

Wärmetauscher außen

Steuergrößen: • Wärmetauscher • Ventilatoren

Indirekte freie Kühlung

30

Indirekte freie Kühlung – Kyoto Cooling

31

Indirekte freie Kühlung – Airblock MIFC

32

Indirekte freie Kühlung – Airblock MIFC

33 33

Munters OASISTM IEC - Das Gerät im Detail

Umluft aus dem RZ

Fortluft

Gekühlte Umluft zurück zum RZ

Ansaug Außenluft

Fortluft

Außenluft

Detailausschnitt aus dem Wärmetauscherblock:

Optional: Direktverdampfersystem oder Kaltwasserregister zur Unterstützung bei Peakzeiten integriert

Luftanschlüsse von jeder Seite möglich

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Wassergekühlte Server kommen – im High Performance Computing

Ziele: • Wärme unmittelbar an den Komponenten

abholen.

• Kein Einsatz von Kompressionskühlung

• Nutzung der Wärme zum Heizen

Mit wassergekühlten Systemen braucht man keine Kälteerzeugung und kann die Wärme direkt zum heizen nutzen.

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Steuergrößen: • Wärmetauscher • Pumpen • Ventilatoren

Wasser als Kühlmittel

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Vergleich Energieverbrauch verschiedener Kälteerzeugungssysteme

37 37

Variante der Investition: 1: Modulare indirekte freie Kühlung für RZ

Strom: 13 Cent/kWh 2: Luftgek. Turbo-Kaltwassersatz mit ext. Kondensator, mit Freikühlbetrieb (100 %)

Zuluft: 25 °C, Abluft 37 °C 3: Wassergek. Turbo-Kaltwassersatz mit Hybridkühler, mit Freikühlbetrieb (0 …100 %)

IT-Wärmeabgabe: 873 KW 4: Klimageräte mit eingebautem Kältesystem, luftgekühlt, ohne freie Kühlung

Redundanz (n + 1) 5: Direkte Freie Kühlung mit RLT-Zentralgeräten

-6.000.000

-5.000.000

-4.000.000

-3.000.000

-2.000.000

-1.000.000

- Jahr 1

Jahr 2

Jahr 3

Jahr 4

Jahr 5

Jahr 6

Jahr 7

Jahr 8

Jahr 9

Jahr 1

0

Jahr 1

1

Jahr 1

2

Jahr 1

3

Jahr 1

4

Jahr 1

5

Jahr 1

6

Jahr 1

7

Jahr 1

8

Jahr 1

9

Jahr 2

0K

ap

ita

lwe

rt

Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Variante 5

1: Modulare indirekte freie Kühlung

3: Wassergek. Turbo-Kaltwassersatz

2: Luftgekühlter Turbo-Kaltwassersatz

4: Luftgekühlte Klimageräte ohne FK

5: Direkte Freie Kühlung mit RLT-Zentralgeräten

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Temperatur rauf – Spielräume nutzen Server- Kühlung ist auf eine Umgebungstemperatur von 30-35 °C 20% - 80% rel. F. ausgelegt!

Kompressionskühlung vermeiden Freie Kühlung nutzen (Idee: Wasserspeicher, um so Spitzentemperaturen im Sommer

abzufangen)

Vermischung von Zuluft und Rückluft vermeiden

Klimatisierung genau planen Wärmequellen entzerren, Widerstände vermeiden, mit energieoptimierter Technik

planen

Weitsichtiger denken und planen Standorte auswählen, neue Ideen und Techniken berücksichtigen

Zusammenfassung: Optimierung der Kälte und Klimatechnik

39

Ulrich Terrahe Dipl.Ing.- Dipl.Wirtsch.Ing. dc-ce RZ-Beratung GmbH & Co. KG Berner Str. 38 60437 Frankfurt Tel.: 069 950 947 20 u.terrahe@dc-ce.de

Vielen Dank für Ihr Interesse! Für Fragen stehe ich gerne zur Verfügung

Ulrich Terrahe