Freie Kühlung von Rechenzentren

Freie Kühlung durch Außenluft

Außenluft kann als Wärmesenke zur Kühlung von Rechenzentren genutzt werden, da die Außenluft im Jahresverlauf meistens kälter als beispielsweise 23 °C ist und in Deutsch­land nur ca. 600 h/a eine Kühlung bei Außenlufttemperaturen über 23 °C erfor­derlich wird. Es besteht im Prinzip entweder die Möglichkeit die Außenluft ohne Umwege zu verwenden, also das Rechen­zentrum direkt mit Außenluft zu belüften und damit zu kühlen, oder aber die Außenluft über einen Wärmeübertrager zu entkoppeln, also indirekt zur Küh­lung zu nutzen.

Die direkte freie Kühlung hat den großen Vorteil, dass der Wärmewiderstand und der Druckabfall eines sonst not­wendigen Wärmeübertragers nicht berücksichtigt werden müssen. Sie hat aber auch den Nachteil, dass die Zuluft im Winter be­feuchtet und im Sommer entfeuchtet werden muss.

In Abhängigkeit der Außenluftfeuchte ist daher eine Kombination aus der direkten und der in­direkten freien Kühlung anzustreben. Bei zu hoher und 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 Außenluftkon­ditio­nen 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 zu­sätzliche thermodynamische Luftaufbereitung die geforderte Zulufttemperatur 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 Zulufttem­peratur durch Mischen von Außenluft mit Abluft energetisch effizient gewähr­leistet werden, da keine Luftbe­handlungsfunktionen erforderlich sind (Tabelle 1 gelb-beiger Be­reich). 

Im Bereich über 26,5 °C Außenluft und bis zu einer Außenluft­feuchte von 10,5 g/kg kann durch tro­ckene, sensible Kühlung die ge­forderte Zulufttemperatur in ca. 250 h/a sicher­gestellt werden (Tabelle 1, dunkelgrüner, blauer und hellblauer Bereich). Die not­wendige Kühlung wird dann durch ein Rückkühlwerk (RKW) auf Basis eines Wärme­übertragers mit indirekter Verdunstungskühlung bereitgestellt.

Durch die Verwendung eines Rückkühlwerkes, das mit Außenluft betrieben wird, wird die Temperatur nach dem Rückkühlwerk je nach Außen- und Abluftluftkondition auf ca. 18 bis 24 °C reduziert, ohne dass eine zusätzliche Kälte­maschine benötigt wird.

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

Wenn die Summenhäufigkeiten der einzelnen Betriebszustände (Tabelle 1) ad­diert werden, so ergibt sich für die direkte freie Kühlung (hellgrauer und gelb-beiger Be­reich) 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 einzel­nen Be­triebszustände entsprechend.

Im Bereich über 10,5 g/kg Außenluftfeuchte wird Umluft mit einer indirekten Verduns­tungskühlung durch Außenluft genutzt, da die abso­lute 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 Klimatechnik GmbH in Zu­sammenarbeit mit dem Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier entwickelt wurde, können die Einspareffekte der Freien Kühlung standortbezogen berechnet wer­den. Hierzu sind sämtliche deutsche Klimazonen, sowohl nach DIN 4710, als auch nach VDI 4710 hinterlegt. Darüber hinaus werden die erforderlichen Rahmenbedingungen, wie Kaltgang- und Warm­gangtemperaturen, sowie Feuchtgrenzwerte berücksichtigt.

In Bild 1 ist die Eingabe- und Übersichtsmaske einer Wirtschaftlichkeitsberechnung dar­gestellt. Im Bei­spiel werden 100 kW an ganzjähriger Kühlleistung berechnet. Die Volu­menströme glei­ten im Beispiel zwischen etwa 35.100 m³/h bis rund 18.100 m³/h.

Auch die spezifischen Energiedaten für Strom und Wasser, Wärmeübertrager und Kälte­maschine 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 Befeuchtungsstufen der indirekten Ver­dunstungskühlung. Tabelle 4 zeigt die Zuluftvolumenströme, die erforderlich sind, um die Kühlleistung zu erbringen. Aus Tabelle 5 können die Leistungsaufnahmen der bei­den Ventilatoren entnommen 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 vollständig verzichtet werden kann, redu­zieren sich die Betriebskosten der Freien Kühlung, kombiniert mit der indirekten Ver­dunstungs­küh­lung im Beispiel 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 Ersparnisse sowie sämtliche Investitionskosten, die überschlägig be­rechnet werden. Auch eine individuelle Berechnung der/mit tatsächlichen Investitionskosten ist möglich.

Die Nutzung der Außenluft als Temperatursenke ist demnach eine zu bevorzugende Technologie.

Gegenüber der traditionellen Kühlung im Umluftverfahren mittels einer Kompressions­kälteanlage sind die Betriebs­kosten be­deutend geringer.

Zudem kann bei der Verwendung der kombinierten direkten und indirekten freien Küh­lung der Bedarf an Befeuchtungs- und Entfeuchtungsleistungen eliminiert werden.

Bei der Nutzung der indirekten Verdunstungs­kühlung und effizi­enter Wärmeübertrager kann häufig auf eine mecha­nische Kühlung verzichtet werden. Überdies kann in den meisten Betriebsfällen die Luft­menge reduziert werden.

Die Wirtschaftlichkeit der Rechenzent­rumskühlung wird dadurch deutlich erhöht und die etwas höheren Investitionskosten des Raumlufttechnischen Gerätes werden dadurch mehr als kompensiert.

Mit dem Softwaretool von Howatherm können die Daten leicht simuliert und visua­lisiert werden. Somit wird eine verlässliche Basis für eine Investitionsentscheidung be­reitgestellt.

Nichtsdestotrotz wird die abgeführte Wärme weiter ungenutzt 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 Wärmerückge­win­nungssys­teme (WRG) mit nied­rigen Übertra­gungsgraden in der Raumlufttechnik ver­wendet. Bei der Be­ach­tung der konstruktiven Kriterien können KV-Systeme als Hochleis­tungs­systeme mit bis zu 80 % Systemübertra­gungsgrad wirtschaftlich eingesetzt wer­den. Neben der Funktion der RZ-Kühlung kön­nen dann aber auch zusätzliche Funktio­nen der Energierückgewinnung im System realisiert wer­den. Dabei kann die zurückübertragene Wärme nicht nur an die Umgebung (Ursprungsprozess) abgegeben werden, son­dern auch vollständig oder teilweise einem anderen Prozess direkt oder indirekt zugeführt werden.

 

Zusatzenergien – Mehrfachfunktionale Nutzung des WRG-Systems

Der Umlaufmassenstrom (Wasser-Glykol-Gemisch) eines Hoch­leistungs-Kreislaufverbund-Systems, des­sen eigentliche Funktion die Wärmeübertragung ist, kann daneben auch genutzt werden, um Wärme aber auch Kälte in das System ein­- oder auszukoppeln. Da­durch, dass in einem solchen Fall kein zusätz­licher Luft-Wärmeübertrager notwendig ist, erhöht sich die Wirtschaftlichkeit eines Hoch­leistungs-KV-Sy­stems be­trächtlich, da zum einen die In­vesti­tionskosten verrin­gert und zum anderen die Be­triebskosten, ver­ursacht durch die geminderten Druckver­luste, reduziert werden kön­nen.

 

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 Ab­wärme, die an anderer Stelle genutzt werden soll, muss der Einfluss auf das System be­rücksichtigt werden. Hierbei ist zu unterscheiden, ob dies im Vorlauf oder im Rücklauf des Systems ge­schieht [3].

Hierbei wird der Übertragungsgrad der WRG entsprechend beeinflusst. Dieser Ein­fluss muss bei einer seriösen Betrachtung der Ge­samt­effizienz der WRG berechnet wer­den. Denn durch das Ein- und Auskoppeln von Wärme kann der Gesamtübertra­gungsgrad des Systems sowohl negativ als auch positiv beeinflusst werden.

Diese Beeinflussung muss natürlich bei der Aus­legung des Systems und bei Wirtschaft­lichkeits­betrachtungen berücksichtigt werden.

 

Die erweiterten Funktionen – Indirekte oder direkte Nachkühlung

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

 

Kältemaschinenabwärme

Die Abwärme einer evtl. erforderlichen Kältemaschine kann energetisch vorteilhaft, über das in Luftrich­tung ge­sehen letzte Register des Wärme­übertragers im Fortluft­strom, abgegeben werden. Hierzu wird das letzte Re­gister aus dem Wärmeabfuhrprozess aus­gekop­pelt und der Kälte­maschi­nenrück­kühlung zur Verfügung ge­stellt oder die Kälte­maschinen­ab­wärme wird über einen Platten­wärmeübertrager im Rücklauf einge­speist.

 

Abwärmeauskopplung

Hier kann Wärme dem Prozessluft­strom ent­zogen werden. In diesem Fall wird durch die Ver­wendung eines Platten­wärmeübertragers dem Medien­strom Wärme z. B. zur Brauchwas­servorerwärmung entzogen (Bild 4). Durch die Ab­wärmenutzung (Wärmeauskopplung) verbessert sich der Über­tra­gungsgrad der Wärmeübertragung 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 Rechen­zentrum Vorlauf­temperaturen von bis zu 33 °C erreichen. Reicht dieses Temperaturniveau nicht aus, kann das Niveau mit einer Wärme­pumpe auf ein höheres Niveau gehoben werden. Dabei ist zusätzliche Energie notwendig, welche die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems reduziert.

 

Mehrstufige adiabatische Verduns­tungssysteme

Über den Rückkühler wird die Verduns­tungskälte, die durch einen adia­ba­tischen Befeuchter erzeugt wird, auf die Prozess­luftseite übertragen. Durch die Aufteilung des Gesamtsystems in meh­rere Stufen entsteht ein komplexes Hyb­ridsys­tem.

Der Vorteil der Mehrstufigkeit liegt in der höheren Kälteleistung gegenüber einem einstufi­gen System, die daraus resultiert, dass die Lufttemperatur in den folgenden Stufen noch­mals ab­ge­senkt wird und somit die mittlere Temperatur tiefer liegt als bei einem einstufigen System. Die Kälteleistung kann mit diesem Verfahren um etwa 25 % gesteigert werden, ohne dass sich dabei die Druckverluste des Systems erhöhen, da die ohnehin benö­tigten Lamellen nicht nur der Wärme­übertragung dienen, son­dern auch als Verdunstungsober­flä­che (Stoffübertra­gung) heran­gezogen wer­den (Hybrid­system) (siehe Bild 5).

Durch Hybridsysteme werden die Elekt­roenergiekosten reduziert, da die Druck­verluste der im Vergleich benötigten Befeuchter (mehrstufig) entfallen und die me­chanische Kälteer­zeu­gung erheblich später zum Einsatz kommen kann.

Im Sommerbetrieb wird bei 33 °C Au­ßenlufttemperatur eine Zulufttemperatur von ca. 22 °C erreicht.

 

Leistungssteigerung der indirekten, hybriden Verdunstungskühlung

Will man den Einsatz von Kälte­maschinen deutlich verringern, ist eine Optimierung der Leistungsdaten der Verdunstungskühlung zwin­gend erforderlich.

Eine zusätzliche Leistungserhöhung kann nur durch eine erhebliche Steige­rung der Nachverdunstung erzielt werden. Hierzu benötigt die Verdunstungskühlung eine besonders große Hydrophilie der Ober­fläche, die durch die Zugabe eines speziel­len Additivs erreicht wird.

Durch den damit verbundenen größeren Nachverdunstungseffekt des Befeuch­tungswassers wird ein Befeuchtungsgrad erreicht, der dem äquivalenten Befeuch­tungsgrad eines einstufigen separaten Befeuchters von über 100 % entspricht. Mittels dieses besonderen Verfahrens kann die Nachverdunstung zudem stufenlos ge­regelt werden.

Durch die Leistungssteigerung kann selbst bei 32 °C und 40 % Außenluftkondition und 35 °C und 30 % Abluftkondition eine Zulufttemperatur von 23 °C erreicht werden. Dies wurde bei Vali­dierungsmessungen durch die Dekra bestätigt. Somit kann die Zulufttempera­tur zusätzlich um bis zu 3 K gegenüber einer standardmäßigen Verdunstungskühlung 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 Zulufttempera­tur 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 Gebäudeausrüstung – t,x-Korrelationen der Jahre 1991 bis 2005 für 15 Klimazonen in Deutschland, 03-2011 [3] Kaup, Mehrfachfunktionale Hochleistungs-Wärmerückgewinnungssysteme, HLH 02/2009