Energiesparende Klimatisierung

Gerätebeschreibung

Eine mögliche mechanische Bauart des neuartigen Klimagerätes ist in Bild 8 (ähnlich zu Bild 1 in Teil 1 des Beitrags) ohne die MSR-Angaben dargestellt. Die beim WRG-Modul im Fortluftweg grau und gestrichelt dargestellten Teile werden nur in warmen Klimazonen verwendet. Die Details für den bei diesem Kühlverfahren erforderlichen speziellen MSR-Teil (für die diversen Teilstrombildungen, Umschaltung auf die Betriebsarten und deren genaue Funktion) können interessierte RLT-Gerätehersteller ggf. von mir (jeweils in Lizenz) erfahren.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Luftanschlüsse für Abluft und Zuluft an der linken Seite und die für Außenluft („Frischluft“) und Fortluft an der rechten Seite. Neben diesem Beispiel gibt es noch viele andere Konstruktionsformen, je nach Örtlichkeit und notwendigem Nennvolumenstrom. Das RLT-Gerät gibt es in Links-/Rechts-Ausführung, höher, tiefer und länger, aber zumeist so einfach konstruiert und herstellbar wie in Bild 8 noch einmal dargestellt (sog. „Kastengerät“).

Das Klimakompaktgerät und seine Einbauteile werden für den Nennvolumenstrom ausgelegt, der bei der maximal abzuführenden Kühllast und beispielsweise bei der Nutzung eines ∆t_Raum (= Differenz zwischen T_ZU und T_AB) von 12 K in der Betriebsart (BA) 5 = Umluftkühlung entsteht.

Es folgen die fünf Standard-Betriebsarten des Klimagerätes, die in Bild 9 im h-x Diagramm und hier in der Reihenfolge ihrer Nutzungshäufigkeit dargestellt sind.

Direkte Freie Kühlung (Betriebsart 2):

Bei der am häufigsten genutzten Betriebsart der direkten freien Kühlung verringert sich der Nennvolumenstrom automatisch auf einen aktuellen Betriebsvolumenstrom, weil hier ein größeres ∆t_Raum genutzt werden kann; in der Regel hier dann: T_ZU = 18 °C und T_AB = 34 °C. Durch das nunmehr entstehende höhere ∆t von 16 K sinken der Nennvolumenstrom (ohne eine häufig zusätzlich mögliche Lastreduktion) auf 75 % und die Stromaufnahme für die Raumkühlung auf fast 33 %. Bei zwei parallel genutzten RLT-Geräten sinkt die Stromaufnahme der Ventilatoren auf fast 10 %, wobei das jetzt (an ca. 62 % des Jahres) der gesamte Kühlaufwand für den Raum ist. Schließlich sind hier weder Kältemaschine noch Befeuchtung oder Pumpen erforderlich. Ein Beispiel folgt in Teil 3 des Beitrags.

Bei der Betriebsart 2 strömt die Außenluft über den Filter in die Außenluftverteilkammer. Danach wird sie in Zuluftrichtung auf zwei in etwa gleich große Luftwege aufgeteilt und gelangt über den stufenlos geregelten Ventilator (mit integrierter Volumenstrommessung) in den Zuluftkanal zum IT-Raum. Die Zuluft kann vom Gerät aus auch direkt in den Kaltgang oder eine Kaltzone des IT-Raumes eingebracht werden (dann ohne Doppelboden).

Konstruktiv bedingt saugt der Zuluft-Ventilator zumeist noch den aktuell notwendigen Umluftanteil (UML 1) mit an, damit unabhängig von der Außenlufttemperatur die vom Kunden gewünschte Zuluftemperatur entsteht. Bei möglicher unterer Ausblasung könnte die Zuluft vom RLT-Gerät aus auch direkt in einen Doppelboden eingeführt werden. Es gibt sogar eine Ausführungsart bei der Fa. Krenn in Freyung, bei der der Zuluftventilator direkt im Doppelboden sitzt.

Die Abluft des Raumes wird nach Durchströmen eines Filters in einer Abluftverteilkammer auf den notwendigen Umluftanteil und den Fortluftanteil aufgeteilt. Der hierbei variable Fortluftanteil entsteht angepasst an die notwendige Abluftmenge durch den stufenlos drehzahlgeregelten Fortluftventilator. Dieses besonders Strom sparende Luftverteilsystem im RLT-Gerät wurde von dem bewährten Telekom-Kühlsystem übernommen (siehe Teil 1 des Beitrags).

Bei Bild 8 wird der Fortluftvolumenstrom vor dem Fortluftventilator auf zwei parallele Luftwege aufgeteilt, in denen die momentan nicht benötigten thermischen Behandlungsmodule (jetzt inaktiv) sitzen. Ein halber Teilluftstrom geht über das Wärmerückgewinnungsmodul (blau), der andere geht über den luftgekühlten Kondensator (rot). Im Prinzip könnte der Ventilator auch vor den thermischen Modulen sitzen. Anstelle der parallelen Luftwege könnten die beiden Module auch hintereinander angebracht sein und (dann weniger Strom sparend) geeignete Bypassklappen haben.

Indirekte Freie Kühlung (Betriebsart 1)

Bei der Betriebsart 1 ist das Δt_Raum auch häufig größer als 12 K. Hier gelangt zumeist ein Teil der Abluft über das bewusst im Umluftweg angebrachte Wärmerückgewinnungsmodul (blau) und der Rest über die Bypassklappe UML 1 zum Zuluftventilator. Die Kühlenergie für das Wärmerückgewinnungsmodul im Umluftweg UML2 wird durch ein, über ein Kreislaufverbundsystem verknüpftes zweites Wärmerückgewinnungsmodul in der Fortluft/Außenluft gewonnen. Der Fortluftventilator wird auch hier stufenlos drehzahlgeregelt und fördert nur so viel kalte Außenluft über das Wärmerückgewinnungsmodul, wie zur momentanen Umluftkühlung erforderlich ist bzw. für die auch hier genutzte Teilstrombildung sinnvoll ist. 

Betriebsart Entfeuchtungsbetrieb (Betriebsart 4)

Wenn die Außenluft zu feucht ist, wird ein Teil der Außenluft über das Kühlmodul im Zuluftbereich zum Ventilator gelenkt und dort bis zum Taupunkt stark gekühlt. Der Ventilator saugt sich zudem einen geregelten Umluftanteil (UML 1) an, so dass die jetzt beispielsweise 22-grädige Zuluft aus entfeuchteter Außenluft und warmer Umluft gebildet wird. Die restliche Abluft wird als Fortluft zur Kühlung des Kondensators genutzt. Reicht diese Menge nicht aus, wird der Fortluft über besondere Klappensteuerungen noch Außenluft beigemischt. Jetzt muss der Fortluftventilator allerdings ggfs. mehr als den aktuell beim Zuluftventilator aktuell erforderlichen Kühlluftstrom fördern.

Betriebsart Außenluftkühlbetrieb (Betriebsart 3)

Wenn bei direkter freier Kühlung (BA 2) 100% Luftanteile für die genutzte Außenluft entstehen und diese für die gewünschte Zuluft von jetzt z.B. 22oC zu warm würde, wird sie nunmehr teilweise über das Kühlmodul geführt und dort stark gekühlt, wobei dort bewusst ein Bypassluftstrom gebildet wird. Beide Teilluftströme bilden die Zuluft mit jetzt bewusst höherer Temperatur als bei der BA 2.

Über die restliche Abluft wird wiederum der Kondensator gekühlt – ähnlich wie bei BA 4.

Betriebsart Umluftkühlbetrieb (Betriebsart 5)

Falls die Außenluft zu warm oder zu feucht ist oder für eine direkte Nutzung ggf. nicht geeignet ist, wird auf BA 5 umgeschaltet. Das geschieht auch, wenn beim Entfeuchtungsbetrieb (BA 4) die notwendige Kälteleistung der Kältemaschine höher werden sollte als die, welche für die BA 5 maximal benötigt wird. In der Software kann man auch noch andere Punkte vorgeben, bei der auf die BA 5 umgeschaltet werden soll. Bei der BA 5 gelangt ein großer Teil der zu kühlenden Abluftmenge über den Umluftweg UML 2 zum Kühlmodul im Zuluftteil des Gerätes. Dort wird dieser Teil so weit abgekühlt, dass dort keine starke latente Kühlung anfällt. Durch Teilstrombildung, d. h. parallele Nutzung des Umluftweges UML 1, wird die jetzt gewünschte Zulufttemperatur von beispielsweise 22 °C erzeugt. Diese in gemäßigten Klimazonen selten erforderliche BA 5 hat hat zwar die größten Luftwiderstände aller Betriebsarten für beide Ventilatoren, wirkt sich aber beim Stromverbrauch im Jahresmittel kaum aus. Es wirkt sich umso weniger aus, desto häufiger BA 2 genutzt werden kann.

Übrigens:

Wenn jemand jedoch meint, in kühlen Klimazonen auf die BA 3 bis 5 zu verzichten, also

Hohe Stromeinsparungen

Die hohen Einsparungen im Vergleich zu einer reinen Umluftkühlung von über 90 % im Jahresmittel entstehen bei Idealanordnung mit Warm- und Kaltzonen und kürzest möglicher Außenluftansaugung und Fortluftabfuhr und bei zwei parallel genutzten RLT-Geräten. Dabei betragen die Zulufttemperaturen in den Kaltgang oder in eine Kaltzone zumeist nur ca. 18 °C.

Eine Idealanordnung ist beim mehrfach modularen Beispiel dargestellt, das in Teil 3 des Beitrags folgen wird. Die hohen Einsparungen entstehen – unabhängig von diesem Idealfall – grundsätzlich so:

1. Die größte Einsparung kommt von der häufig möglichen Nutzung der direkten freien Kühlung, ähnlich wie beim Vorgängersystem der Telekom durch die generelle Einsparung von Kühlgradstunden (im Teil 1 beschrieben). Diese Einsparung kann noch höher sein, wenn bei steigender Außenlufttemperatur eine maximale Zulufttemperatur von mehr als 22 °C zugelassen wird. Zudem gibt es durch Nutzung der Teilstrombildung (siehe Bild 6 im Teil 1 des Beitrages) ganz geringe Luftwiderstände, speziell beim Fortluftventilator.

2. Bei direkter freier Kühlung im Klimagerät gemäß Bild 8 muss der Kältemaschinenbetrieb erst bei höheren Außentemperaturen einsetzen als bei der indirekten freien Kühlung in einem beliebig anders konstruierten Klimagerät, je nach Wirkungsgrad des Wärmerückgewinnungssystems. Diesen Einspareffekt kann man prinzipiell auch aus Bild 2 (siehe Teil 1 des Beitrags) entnehmen. Dort sind einige Stäbchen schwarz markiert:

Die direkte freie Kühlung benötigt bei einer jeweils gleichen, maximal zugelassenen Zulufttemperatur von beispielsweise 22 °C erst weiter links eine maschinelle Kühlungsunterstützung als bei der indirekten freien Kühlung. Hier muss nämlich eine doppelte Wärmeübertragung (Luft zu Wasser und Wasser zu Luft) stattfinden, wodurch die Kältemaschine früher und häufiger benötigt wird (siehe höhere Stäbchen weiter rechts im Bild 2 im Teil 1 des Beitrags).

Dadurch gibt es bei der direkten freien Kühlung weniger Kühlgradstunden im Jahr (Bild 10) und somit weniger Stromverbrauch für die Kältemaschine als wie bei einem Kühlgerät mit lediglich indirekter freier Kühlung.

3. Über die systembedingte Volumenstromreduktion wird Strom gespart. Der Kühlluftstrom (der Nennluftvolumenstrom X), sprich die Zu- und Abluftmenge werden bei diesem Kühlsystem für den Fall der Betriebsart 5 (Umluftkühlbetrieb) für die maximale Kühllast ermittelt – so oben: ∆t_Raum = 12 K.

Wenn nun die Betriebsart 2 der direkten freien Kühlung genutzt wird, was in dem dargestellten Beispiel (Bild 9) sehr häufig (an ca. 62 % des Jahres) vorkommt, nutzt man in der Regel eine Zulufttemperatur von 18 °C. Dabei wird die Abluft im Warmgang an der Decke ganz oben abgesaugt. Diese lässt man beispielsweise regelmäßig bis auf 34 °C steigen. Das ergibt nunmehr ein für die Raumkühlung nutzbares ∆t von 16 K. Damit sinkt der aktuelle Kühlluftstrom bei der Betriebsart 2 auf 75 % von X und bringt bei den Ventilatoren (ohne eine zudem noch mögliche IT-Lastreduktion!) bereits eine große Luftwiderstandsreduktion, was zu einer Stromeinsparung von etwa 55 % führt. Das kleinere ∆t wirkt sich häufig auch bei der BA 1 aus.

4. Durch die besondere Volumenstromregelung wird gegenüber dem vorigen Punkt 3 nochmals Strom gespart. Wenn die Auslegungs-IT-Last sinkt, was bei einem IT-Raum häufig der Fall ist, oder die Kühllast des IT-Raumes sinkt, werden durch eine besondere Regelung der Zuluft- und Abluftvolumenstrom automatisch gesenkt. Diese Volumenstromreduktion wirkt sich bei der häufig genutzten direkten freien Kühlung besonders Strom sparend aus. 

Begründung: Da hierbei keine weiteren Teile zur Raumkühlung benötigt werden als lediglich die Ventilatoren zur Luftförderung (für den Luftaustausch im Raum), sinkt die aufgenommene elektrische Leistung für den gesamten Kühlaufwand fast in dritter Potenz zur Lastreduzierung. Dieser Vorteil wird nochmals besonders verstärkt, wenn beispielsweis für einen IT-Raum (Raummodul) zwei  Klimageräte parallel genutzt werden (siehe folgender Punkt 5).

5. Idealerweise sind pro Raummodul der IT zwei parallel genutzte Klimakompaktgeräte vorgesehen. Ein mehrfach modulares Kühlsystem folgt im geplanten Teil 3 des Beitrags. Bei dieser modularen Anordnung von jeweils zwei Geräten pro Modul können Wärmenester einzeln und besonders Strom sparend abgefahren werden. In einem üblichen Großraum, in dem häufig zwei große Klimageräte den gesamten Raum versorgen, muss stets der gesamte Volumenstrom erhöht werden, wenn es irgendwo zu warm wird. 

6. Durch die mehrfach genutzte Teilstrombildung wird Luftwiderstand und damit Antriebsleistung bei den Ventilatoren gespart. Das Grundprinzip der Teilstrombildung ist in Bild 6 im Teil 1 des Beitrags erklärt.

7. Ein besonderer Vorteil entsteht durch die Nutzung der Teilstrombildung bei der Betriebsart 4. Hier wird im Mischluftbetrieb nur ein Teil der aktuell benötigten Zuluft (der Außenluftanteil) entfeuchtet. Dabei wird nur dieser Teilluftstom stark gekühlt. Um die dabei gewünschte Zulufttemperatur zu erreichen, wird Umluft über den Umluftweg UML 1 beigemischt.

Erfahrungen

Bei dem von mir entwickelten Kühlgerät (System), das derzeit nur von Fa. Huber & Ranner GmbH aus Pocking unter dem Markennamen „IT-Case“ in Lizenz von mir vertrieben wird, sind wie oben beschrieben, alle notwendigen Teile für die Lüftungs-, Kälte- und MSR-Technik im Klimagerät untergebracht. Die Fa. Huber & Ranner GmbH bietet gemäß Lizenzvertrag Einzellösungen für interessierte Kunden in Deutschland an – ohne Seriengeräte katalogmäßig anzubieten und danach herzustellen.

Die Fa. Huber& Ranner GmbH hat erstmalig Ende 2011 ein derartiges Kühlsystem bei einem Rechen­zentrum des Bayerischen Staates (Amt für Verfassungsschutz) auf Wunsch des damaligen Sachbearbeiters beim Staatlichen Bauamt München 1 (Herr Thilo Angermann) eingebaut. Die Geräte haben noch keine adiabate Kühlung und eine etwas andere Bauform mit oberen Luftanschlüssen für die Abluft, Fortluft und Außenluft [5], [6].

Es spart, nachgewiesen durch den Betreiber gegenüber dem vorher eingesetzten Kühlsystem mit direkter freier Kühlung 85 % an Strom. Laut einer Bachelorarbeit der FH München spart es gegenüber einem üblichen Umluftkühlsystem 70%. Leider konnten dort noch keine Warm- und Kaltzonen geschaffen werden, sonst wären dort womöglich 90% Strom eingespart (so berechnet) worden.

Der Nachweis der 90%-igen Stromeinsparung konnte im Jahr 2016 durch Einsatz eines Klimagerätes bei der Fa. Krenn aus Freyung mit Kaltzone und Warmgang erbracht werden. Erfahrungswerte von einem dritten ausgeführten Beispiel – auch ohne adiabate Kühlung – für ein RZ in Mannheim fehlen mir noch.

Jedes bisher gebaute Klimagerät mit den fünf Standard-Betriebsarten ist anders gebaut, benutzt aber noch nicht die im Bild 8 dargestellte besondere Teilstrombildung im Fortluftbereich des Gerätes.

Zusatzidee für kleine Serverräume

Bei Serverräumen mit so geringer Verlustwärme, dass sich ein, in der MSR-Technik aufwendiges und damit relativ teures, Klimakompaktgerät wie z.B. in Bild 8 aus wirtschaftlichen Gründen nicht lohnt, kann ein „abgespecktes“ Kühlgerät genutzt werden: Das RLT-Zusatzgerät.

Dieses enthält keine Kältetechnik aber auch die bewährte direkte und indirekte freie Kühlung. Dabei bleiben die vorhandenen Umluftkühlgeräte im IT-Raum betriebsbereit, werden jedoch wegen der Nutzung des RLT-Zusatzgerätes nur noch an ca. 9 % der Jahreszeit benötigt. (s. Literaturverzeichnis [8, 9].
Das spart auch 90 % an Strom (elektrische Arbeit) im Jahr.

Bestehende Decken-Splitgeräte benötigen nämlich viel mehr Strom als Präzisionsklimageräte, welche die Zuluft unten einblasen. Um die Server ausreichend zu kühlen, müssen die Deckengeräte eine sehr niedrige Zulufttemperatur erzeugen, die zumeist unter dem Taupunkt liegt. Das führt zur (hier eigentlich ungewollten) zusätzlichen latenten Kühlung [8, 9].

Leider hat sich bisher noch kein derartiger Einsatzfall verwirklichen lassen. Die bisher befragten IT-Betreiber von kleinen Serverräumen haben durchwegs „zu viel Angst“, als erster eine Neuheit einzuführen. Das liegt vielleicht auch daran, dass die bei meinem System genutzte Physik nicht sofort verstanden wird oder nicht richtig rüberkommt. Dieser Artikel soll daher als Hilfestellung dienen.

Literatur

[1] 1993  Fachbuch Innovationen für Raumkühlung“, ISBN 978-3-929 900-00-2“ von Jürgen Loose [2] 2008  Patent erteilt für Jürgen Loose DE 10 2008 029 922 [3] 2011  Patentanmeldung von Jürgen Loose DE 2011 0540257 A1                                      [4] HLH 11/2013 Seite 40 bis 43 – von Jürgen Loose, „Hohe Stromeinsparungen durch Teilstrombildung bei Klimageräten“ [5] CCI  9/2011  „Die doppelte freie Kühlung“ von Udo Ranner
und Jürgen Loose {6] tab 7-8/2017 Seite 10 – 11, „Mit Jahresmittelwerten zur Transparenz“ von Thilo Angermann [7] tab 9/2017  Seite 32 - 36   „Stromeinsparung bei RLT-Geräten“
von Jürgen Loose [8] CCI 2014   „Kühlung von kleinen Serverräumen“,cci31628
von Jürgen Loose [9] 2014 Datacenter Insider von Ulrike Ostler und Jürgen Loose; siehe: //www.datacenter-insider.de/wirtschaftliche-kuehlung-von-kleinen-server-raeumen-a-458763/ :https://www.datacenter-insider.de/wirtschaftliche-kuehlung-von-kleinen-server-raeumen-a-458763/  [10] 06.2016    Kühlung von RZ ohne mechanische Kühlung
von Prof. Dr. Christoph Kaup u.a. www.tga-fachplaner [11] VDI 20 /2015 „Wetterdaten optimieren Außenluft-Kühllösung“
in VDI-Nachrichten von A. Rüdiger