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1 RZ - Klimatisierung Leitfaden für die Planung von Klima und Kältetechnik in Rechenzentren
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RZ - Klimatisierung
Leitfaden für die Planung von Klima und Kältetechnik
in Rechenzentren
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Referentenprofil:
Terrahe, Ulrich
dc-ce RZ-Beratung Berner Str. 38
60437 Frankfurt/Main
069-66161895
0173-6219556
069-66161911
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)
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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?
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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
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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
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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
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Niedriges Luftvolumen Hohes Luftvolumen Einhausung
Luftströmung im Rechenzentrum
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Ventilatoren in Reihe geschaltet
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Testrechenzentrum dc-ce am Hermann Rietschel Institute
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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
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Praxisbeispiel: Spielen mit der Temperatur
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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
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Außenluft Außenluft
außen
Umgebung
Rückkühltechnik
Steuergrößen: • Außentemperatur • Wassertemperatur • Ventilatoren • Wärmetauscher • Außenfeuchte
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Trockenrückkühler
Trockenrückkühler
Hochleistungs-(Trocken)rückkühler
Trockenrückkühler (axial)
Rückkühler (Kondensatoren, Verflüssiger)
Rückkühler
21 21
Temperaturverlauf FFM 2007 (Trockenkugel- und Feuchtkugeltemperatur)
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Kühltürme und Hybridkühler
Hybridkühler
Kühltürme
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* Steuergrößen: • Wassertemperatur • Anlagentechniken
Kälteerzeugung
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Kältemaschinen
luftgekühlter Schraubenverdichter (Bsp. Stulz) wassergekühlte Schraubenverdichter (Bsp. Carrier)
Absorbtionskältemaschinen Magnetgelagerter Turboverdichter (Turbocor Bsp. Smart Opk)
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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.
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Direkte freie Kühlung
Bilder RZ SMA
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Wärmetauscher innen
Wärmetauscher außen
Steuergrößen: • Wärmetauscher • Ventilatoren
Indirekte freie Kühlung
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Indirekte freie Kühlung – Kyoto Cooling
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Indirekte freie Kühlung – Airblock MIFC
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Indirekte freie Kühlung – Airblock MIFC
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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
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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
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Ulrich Terrahe Dipl.Ing.- Dipl.Wirtsch.Ing. dc-ce RZ-Beratung GmbH & Co. KG Berner Str. 38 60437 Frankfurt Tel.: 069 950 947 20 [email protected]
Vielen Dank für Ihr Interesse! Für Fragen stehe ich gerne zur Verfügung
Ulrich Terrahe
