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Freie Kühlung im Rechenzentrum: Mehr Kosteneffizienz durch dynamische Regelung

Kaum ein Rechenzentrum kommt heute noch ohne Freikühlung aus. Abhängig von Größe, Lastprofil und Außenbedingungen erzielen entsprechende Systeme beim Stromverbrauch für die Klimatechnik Energieeinsparungen von bis zu 90 Prozent. Doch welche Vor- und Nachteile bieten die verschiedenen Konzepte? Benjamin Petschke, Produktmanager bei STULZ, gibt einen kurzen Einblick in die gängigsten Freikühloptionen und erläutert die Vorteile einer dynamischen Regelung.

Ab welcher Leistungsgröße ist es sinnvoll, über den Einsatz einer Free-Cooling-Lösung nachzudenken?

Generell gilt, je größer das Rechenzentrum, desto mehr Kosten lassen sich mit Free-Cooling auch einsparen. Bis vor einigen Jahren ging man davon aus, dass freie Kühlung nur bei größeren Rechenzentren sinnvoll ist. Die Amortisationsdauer für ein solches Freikühlsystem lag dann bei rund zwei bis drei Jahren. Allerdings ist die Entwicklung hier nicht stehengeblieben. Auch für mittlere und kleine IT-Anlagen gibt es inzwischen eine große Bandbreite an Freikühllösungen. Angefangen beim Free-Cool-Plenum für kleine Serverräume und Edge Computing ab 2 kW aufwärts bis hin zum 250-kW-Klimasystem mit indirekter Freikühlung und externem Rückkühler für Rechenzentren mittlerer Größe.

 

In Sachen freier Kühlung haben Betreiber heute eine breite Systemauswahl. Welche Unterschiede gibt es und wo liegen mögliche Fallstricke?

In den vergangenen Jahren hat die Systemvielfalt stark zugenommen, darüber hinaus sind Freikühllösungen auch insgesamt flexibler geworden. Die Zielsetzung der meisten Entwicklungen war dabei vor allem die Maximierung der Freikühlzeiten im Jahresverlauf. Einfache Systeme können oft nur zwischen mechanischer Kühlung und Freikühlung umschalten, dadurch beschränken sich die Freikühlzeiten auf wenige tausend Stunden im Jahr. Um solche Fallstricke zu vermeiden, sollte eine zeitgemäße Freikühllösung immer einen gleitenden Mischbetrieb unterstützen. Aber auch Technologien wie dynamische Regelungstechnik können die Betriebszeit im Free-Cooling-Modus nochmals deutlich erhöhen. Zu klären ist vor allem der grundsätzliche Aufbau, also die Entscheidung für ein System mit indirekter oder direkter Freikühlung. Neben der Effizienz stellt sich gerade hier immer die Frage nach der Praxistauglichkeit.

 

Die direkte Freikühlung gilt als das Nonplusultra in Sachen Effizienz. Warum eignet sich das Verfahren nicht unbedingt für jeden Standort?

Direkte Freikühlsysteme nutzen kühle Außenluft zur Wärmeabfuhr. Die Umgebungsluft muss aber erst aufwendig konditioniert werden, bevor sie problemlos in das Innere eines Rechenzentrums eingeleitet werden kann. Hier liegt eine der größten Schwächen der direkten freien Kühlung: Sie ist stark von den jeweiligen Standortgegebenheiten abhängig. Stimmen die Rahmenbedingungen, verspricht die direkte freie Kühlung mit rund 80 Prozent allerdings das größte Einsparpotenzial. Denn hier entstehen keine Wärmeübertragungsverluste durch zusätzliche Wärmetauscher.   

                                                                                                                                                       

Gibt es Standortbedingungen, die gegen den Einsatz eines direkten Freikühlsystems sprechen?

Schon allein die jeweiligen Temperatur- und Feuchtebedingungen im Inneren eines Rechenzentrums lassen eine direkte freie Kühlung nicht ohne Weiteres zu. Hinzu kommt, dass aufgrund von Luftverschmutzung und Feinstaubbelastungen häufig teure Filtersysteme mit hoher Filterklasse erforderlich sind. Im Winter sind zudem zusätzliche Befeuchtungsmaßnahmen notwendig, die ebenfalls mit entsprechenden Kosten zu Buche schlagen können. Diese Aspekte sprechen zwar nicht grundsätzlich gegen den Einsatz einer direkten Freikühllösung, trotzdem sollten Betreiber immer die Gesamtkosten verschiedener Varianten in Betracht ziehen. Und dazu zählen neben den zu erwartenden Energie-Einsparungen auch Detailkosten für Filterwechsel, Wartung und Befeuchtungsmaßnahmen.

 

Welche Alternativen bieten sich zur direkten Kühlung mit Außenluft an?

Als Alternative kommt in erster Linie die indirekte freie Kühlung in Frage – entweder als Kombination von Freikühlkaltwassersatz und CW-Klimageräten oder auf Basis von DX-Klimageräten mit integrierter freier Kühlung und Rückkühlern. In jedem Fall agiert ein Wasser-Glykol-Gemisch beim indirekten Free-Cooling als Wärmeträger zwischen Außenluft und Rechenzentrum, so dass kein direkter Luftaustausch mit der Umgebung stattfindet. Um der Arbeitsschutzrichtlinie gerecht zu werden und den nötigen Überdruck im Serverraum aufrechtzuerhalten, wird bei der indirekten Freikühlung lediglich ein geringer Anteil Frischluft beigemischt. Dadurch entfallen aufwendige Filtersysteme und die entsprechenden Kosten für Filtertausch und regelmäßige Wartung. Auch größere Öffnungen in der Gebäudehülle, die ein potenzielles Sicherheitsrisiko darstellen könnten, sind so nicht mehr notwendig.   

Warum hat die Wassertemperatur Auswirkungen auf die Effizienz der Freikühlanlage?

 

Herkömmliche indirekte Freikühlsysteme arbeiten mit festen Umschaltpunkten für die mechanische Kühlung. Der Zeitraum, in dem die freie Kühlung genutzt werden kann, ist dadurch stark begrenzt. Um in den Freikühlmodus umzuschalten benötigt ein Rückkühler eine Wassertemperatur von 7° C. Damit dieser Wert erreicht werden kann, ist eine Außentemperatur von 3° C notwendig. Die Anzahl der Tage, in denen die Außentemperatur, beispielsweise am Standort Frankfurt, maximal 3° C beträgt, ist jedoch relativ gering. Bei einer dynamischen Regelung wird die Wassertemperatur nicht mehr auf einen festen Wert geregelt, sondern an die Lastanforderungen im Rechenzentrum angepasst. Dabei hängt die Kühlleistung des Freikühlsystems systembedingt stark von der jeweiligen Kaltwassertemperatur ab. Je höher die Wassertemperatur, desto niedriger ist die Kühlleistung. Genau dieser Sachverhalt, der auf den ersten Blick nachteilig zu sein scheint, wird bei einer dynamischen Regelung als Vorteil genutzt, sobald das Rechenzentrum nicht mehr voll ausgelastet ist.

 

Könnten Sie das an einem Beispiel kurz erläutern?

Ein Rechenzentrum im Volllastbetrieb benötigt im Freikühlmodus beispielsweise eine Wassertemperatur von etwa 10 °C. Dieses 10 °C kalte Wasser kann vom Rückkühler erst ab Außentemperaturen unterhalb 7 °C produziert werden. Das gleiche Rechenzentrum benötigt bei 60 Prozent Last jedoch auch nur 60 Prozent der Kühlleistung. Das Kühlsystem kann diese Kühlleistung schon mit einer erheblich höheren Wassertemperatur von beispielsweise 16 °C im Freikühlbetrieb liefern. Diese Wassertemperatur kann dann bei etwa 13 °C Außentemperatur vom Rückkühler produziert werden.

 

Welches Einsparpotenzial verbirgt sich hinter diesem Ansatz?

In Frankfurt herrschen im Jahresverlauf für rund 3.000 Stunden Außentemperaturen von unter 7 °C. Hingegen bleiben die Temperaturen 5.300 Stunden unterhalb 13 °C. Dies bedeutet, dass die intelligente Regelung der Kaltwassertemperatur jährlich circa 2.300 Freikühlstunden zusätzlich erzielen kann. Herkömmliche Freikühlsysteme arbeiten hier noch im Mischbetrieb oder sogar komplett mit mechanischer Kühlung.

 

Was raten Sie Betreibern von Rechenzentren, die bisher noch kein Freikühlsystem nutzen? Gibt es Möglichkeiten zur Nachrüstung?

 

Natürlich sind Um- und Nachrüstungen immer mit Investitionen verbunden. In Anbetracht der technischen Entwicklung, insbesondere im Bereich der freien Kühlung, ist eine regelmäßige Analyse der bestehenden Infrastruktur sowie eine genaue Betrachtung der Umgebungsbedingungen immer sinnvoll. Aktuelle Kühlsysteme sind inzwischen derart effizient geworden, dass sich sogar größere Investitionen schnell amortisieren. Es gibt dabei nicht nur auf Seiten der Kältekomponenten Fortschritte, auch die Werkzeuge zur Analyse haben sich weiterentwickelt. Heute lassen sich durch den kombinierten Einsatz von Environmental Monitoring und moderner Klimatechnologie immense Energie- und CO2-Ersparnisse realisieren.

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