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Technische Grundlagen Energie Management

In der Praxis ist ein Gesamtsystem (wie Produktionsstätte, Rechenzentrum, oder Logistikzentrum) immer eine Kombination aus verschiedenen Teilsystemen. Aufgrund ihres Zusammenspiels, ist es schwierig die besten Einstellungen der Teilsysteme zu ermitteln. Jedes Teilsystem hat für sich einen optimalen Arbeitspunkt. Außerdem gibt es viele Beschränkungen, die zu berücksichtigen sind. Zum Beispiel darf ein Kompressor nur mit einer Mindestdrehzahl arbeiten, da sonst der Öldruck nicht ausreicht. Es ist eine reizvolle Aufgabe, die verschiedene Systeme so zu optimieren, dass sie im Verbund wenig Energie verbrauchen und die Sicherheit des Betriebs gewährleistet bleibt.

Aus der Erfahrung - primär bei der Optimierung von technischen Einrichtungen im Rechenzentren - fassen wir hier einige Beispiele zusammen. Sie sollen als Anregung verstanden werden. Gerne stehen wir Ihnen bei der Planung und Umsetzung von Projekten unterstützend zur Verfügung.

Einsparen statt Umverteilen

Don't squeeze the ballon!

Unser Ziel ist Einsparen statt Umverteilen. Wir wollen nicht zum Beispiel Gas einsparen und dafür wesentlich mehr für Strom ausgeben.
Oder bei der Kühlung einsparen, dafür aber bei der Ventilation mehr verbrauchen. Entscheidend ist also die Erfassung und Messung der wesentlichen Verbraucher als Basis für effektive Kostensenkung.

Oftmals sind die genauen Beziehungen zwischen den Anlagenteilen nicht bekannt. Die hohe Gesamtkomplexität erschwert eine Simulation. Daher ist es sinnvoll über geeignete Messverfahren und -Instrumente die Ursachen-Wirkungs-Beziehung zu ermitteln. Änderungen müssen hinreichend dokumentiert werden. Damit ist es möglich jederzeit zu einem stabilen Ausgangspunkt zurückgehen zu können.

Eine Optimierung an Teilsystemen, kann absolut zu steigenden Energiekosten führen.
Die ganzheitliche Betrachtung / Messung stellt sicher, diese negativen Effekte vermieden werden.

Ein Beispiel: Energie sparen durch anheben der Raumluft-Temperatur im Rechenzentrum

Wird die Raumluft-Temperatur in einem Rechenzentrum erhöht, kann auch die Temperatur des Kühlwassers erhöht werden.
Dies reduziert die Betriebsstunden der Kälteanlage und führt so massgeblich zur Energieeinsparungen.

Allerdings besitzen moderne Raumkühlgeräte, Computer und Router geregelte Ventilatoren zur Belüftung.
Bei steigender Temperatur werden also die Lüfter erheblich mehr Energie aufnehmen, als dies vorher der Fall war.
Da der Energiebedarf mit der Ventilatordrehzahl in der dritten Potenz zunimmt, steigen deren Verbräuche deutlich.
Zudem kann es vermehrt zu Ausfällen kommen. Bei Batterien wird die Lebensdauer unter Umständen stark reduziert.

Es ist also entscheidend, den Gesamtenergieverbrauch zu überwachen und auch weitere Qualitätsmerkmale zu beobachten.

Da die Kühlenergie unter anderem von der Außentemperatur abhängt, sollte ein Abgleich erfolgen, um die richtigen Schlussfolgerungen zuziehen.

Idealerweise findet eine Messung auf allen Ebenen statt. Dadurch ist es möglich die Ursachen-/Wirkungs-Beziehungen klar zu identifizieren und eine langfristige, wirkungsvolle Strategie zu entwickeln.

Venturi-(Benoulli)-Effect

Venturi Effekt

Wenn Fluide (z. B. Luft) schnell an einer Oberfläche vorbei strömen, erzeugen sie einen Unterdruck. Bei einem Flügel wird so ein Auftrieb erzeugt.

Vermeidung von Luftvermischung durch richtige Belüftung

In Rechenzentren wird meisst kalte Luft über einen Doppelboden in die zu kühlenden Schränke eingeblasen. Stehen diese Schaltschränke sehr nah an dem Kühlgerät, so ist es sehr wahrscheinlich, dass die Luft aus dem Schrank herausgesaugt wird, statt eingeblasen zu werden. Dies wird als Venturi-Effekt bezeichnet.

Es wird daher empfohlen, neben einer Temperatur- auch eine Luftmengenmessung durchzuführen. Damit kann sichergestellt werden, das die Schränke ausreichend mit kühlender Luft versorgt werden. Im einfachsten Fall reicht hierzu ein Blatt Papier. Um Veränderungen genauer zu erfassen wird ein Luftmengenmesser empfohlen.

Um den Venturi-Effekt zu vermeiden muss der dynamische Druck in statischen Druck umgewandelt werden. Hierzu können sie entweder :

  • die zu kühlenden Schränke mindestens 1,8m von den Kühlgeräten entfernt aufgestellt sein, oder
  • es kann eine Prallwand in den Strom eingesetzt werden.

Grundsätzlich sollten die Strömungsgeschwindigkeiten gering sein.

  • Das spart Geld für die Ventilator Antriebsenergie.
  • Das reduziert den Venturi-Effekt und sorgt somit für ein direktes einwirken des Kühlmediums
  • Das verlängert die Einwirkdauer des Kühlmediums und erhöht die Temperatur-Differenz (ΔT) zwischen Zu- und Abluft. Dies wiederum erhöht den Wirkungsgrad der Kühlung.

Beispiele für die negativen Auswirkungen des Venturi-Effektes im Datenzentrums Design

Pumpleistung reduzieren = Wärmeübergang steigern

Weniger ist mehr

Venturi Effekt

weniger Pumpleistung führt zu geringerem Fördervolumen und damit zu Effizienzsteigerung der Wärmetauscher

Doppelt Energie sparen durch optimale Förderleistung

In vielen Fällen gilt je mehr desto mehr. Dies ist aber bei Wärmetauschern nicht unbedingt der Fall. Es ist leicht ersichtlich, dass wenn ein Kühlmedium mehr Zeit Δt für den Wärmetransport hat, dieser effizienter wird. Dadurch wird mehr Wärme aufgenommen und die Temperatur-Differenz ΔT zwischen Vorlauf und Rücklauf steigt.

zwei Effekte senken den Energieverbrauch:

Natürlich kann dieses Vorgehen nur solange angewendet werden, bis mindest Fördermengen unterschritten werden oder die Temperaturen in den Räumen nicht zu weit steigt.
Es müssen also geeignete Mess- und Überwachungseinrichtungen bereit stehen, um jederzeit reagieren zu können.

Sollwerte für Temperatur und Luftfeuchte

Arbeitsbereiche für Temperatur und Luftfeuchte in Computerräumen

Das Psychrometrische-Diagram zeigt die Arbeitsbereiche für Temperatur und Luftfeuchte in Computerräumen. Durch das Ausnutzen dieser Bereiche, kann der Energieverbrauch massiv gesenkt werden.

In Rechenzentren wird traditionell die meiste Energie für die Kühlung aufgewendet. Um das Risiko einer Überhitzung des Equipments zu vermeiden, sind die Sollwerte für Temperatur und Luftfeuchte sehr niedrieg eingestellt. Auch die Toleranzen sind oft zu eng gefasst.

Bei den Temperaturen führt die zu unnötig hohem Kühleinsatz mit entsprechenden Kosten.

Enge Toleranzen für die Luftfeuchtigkeit sorgt für hohen Energiebedarf beim Trocknen und beim Befeuchten.

Heutiges Equipment verträgt dauerhaft Temperaturen über 40°C. Die Luftfeuchte kann zwischen 10% und 70% variieren.
In der Abbildung sind die erlaubten Wertebereiche angegeben, wie sie die ASHREA und die xxx empfielt.

Es ist also zu prüfen:

  • Welche Temperaturen vorherrschen.
  • Welches Equipment niedrigere Temperaturen erfordert und
  • Wie die Temperaturverteilung im Raum ist

Dann kann - unter Umständen in mehreren Schritten - die Temperatur angehoben werden.

Modernste Rechenzentren arbeiten mit Einblastemperaturen oberhalb von 27°C. Dadurch kann fasst aussschließlich die Umgebungsluft zum kühlen verwendet werden.
Teure Kompressionskälteanlagen gehören damit der Vergangenheit an.

Erweiterte Nutzung der freien Kühlung durch Anheben der Betriebstemperaturen

Temperaturverteilung in Frankfurt

Die Anhebung der Kühltemperturen reduziert die Energiekosten für die Kühlung.
Mechanische Kühlung kann weitgehend durch Freie-Kühlung ersetzt werden.

Zum Kühlen von Datenzentren kommt vielfach Mechanische-Kühlung zum Einsatz. Wie bei Kühlschränken, wird das Kältemittel mit einem Kompressor verdichtet und über ein Drosselventil expandiert. Die Kühlwasser wird dabei auf die gewünscht Temperatur abgekühlt.

Der Energieeinsatz hierbei ist immens. Er hängt von der Temperaturdifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangs-Temperatur ab. Eine Vorkühlung über die Außenluft kann deshalb die Kosten deutlich senken.

Im besten Fall ist die Temperatur der Umgebung soweit unter der des Kühlwasservorlaufs, dass die Mechanische-Kühlung komplett vermieden derden kann. Dies bezeichnet man als Freie-Kühlung.

Sollte die Temperatur der Umgebung nur einige Grad unter der des Kühlwasservorlaufs liegen, wird im ersten Schritt die Freie-Kühlung genutzt. Im 2. Schritt muss die Mechanisch-Kühlung die Temperatur-Differenz überbrücken. Dies ist dann die Begleitende Freie-Kühlung.

Wie im nebenstehenden Bild ersichtlich, kann der Anteil der freien Kühlung erhöht werden, wenn die Temperaturen des Kühlwassers angehoben werden.

Vermeidung von Be- und Entfeuchtung

Psychometrisches Diagramm

Einfluss durch Zuführung warmer, feuchter Luft in Rechenzrentrumsräume

Die Be-und Entfeuchtung von Rechenzentrumsräumen kann in der Regel in Europa komplett entfallen. Der Grund liegt in den durchschnittlichen Feuchtewerten. Sie liegen etwa zwischen 40% und 100%.

Da die Aussentempertur meisst niedriger ist als der Raum, sinken die Feuchtewerte automatisch durch die Erwärmung.

Hinzu kommt die Kondensation der Luftfeuchte in den Klimaschränken.

Kritisch sind also warme Tage mit starken Niederschlägen. In diesen Phasen sollte die Luftwechselrate ohnehin reduziert werden, um nicht warme Frischluft kühlen zu müssen. Die weitere Entfeuchtung wird dabei von den Klimaschränken übernommen.

Je feuchter die eintretende Luft in den Klimaschrank ist, desto mehr Feuchte kondensiert am Wärmetauscher durch die Abkühlung. So wird kontinuierlich Feuchtigkeit aus dem Raum entzogen. Durch die einströmende Frischluft wird dieser Wasserverlust ausgeglichen. Ein Psychrometrisches-Diagram kann verwendet werden um diese Vorgänge zu berechnen.