Blauer Engel für die Kühlung

Nachweis erbracht, klimafreundliche Kühlung ist einsatzbereit

7. Juli 2022, 8:06 Uhr | Corinna Puhlmann-Hespen
Anlage im Testaufbau
Anlage im Testaufbau. Zum Einsatz kommen die ersten serienreifen Kältemaschinen am Markt, die reines Wasser als Kältemittel nutzen.
© Schäfer IT-Systems

Schäfer IT-Systems hat zusammen mit Efficient Energy den Nachweis erbracht, dass auch kleinere Rechenzentren dank energieeffizienter Kühlung einen wichtigen Beitrag zu Klimaschutz und Nachhaltigkeit leisten können. 

Den ökologischen Fußabdruck von Rechenzentren und deren Infrastruktur zu reduzieren, ist eine der zentralen Aufgaben zur Erreichung der Klimaziele 2030. Ein Lösungsansatz ist die Optimierung der IT- und Infrastruktur-Kühlung nach den Vorgaben des Bundesumweltamts. Die Voraussetzung für ein positives Umwelt-Audit sind dabei zwingend energieeffiziente Kühllösungen ohne Fluorkohlenwasserstoffe (FKW), eine Jahresarbeitszahl (JAZ) größer 8 und eine Power Usage Effectiveness (PUE) von kleiner 1,3.

Diesen Anforderungen hat sich Schäfer IT-Systems in einem Testaufbau am Standort Betzdorf gestellt.

Die europaweite Kältemittelverordnung hat für Rechenzentrumsbetreiber umfassende Pflichten zur Folge. Für bestehende Anlagen gibt es Übergangsfristen. Neuanlagen dürfen mit traditionellen Kältemitteln nicht mehr errichtet werden. Für zukunftsfähige Neuanlagen ist es sinnvoll, diese nach den Anforderungen des "Blauen Engel" zu planen und eine Zertifizierung anzustreben.

Doch sind die Effizienz-Anforderungen des Umweltbundesamtes für Rechenzentren mit Anschlussleistungen bis 40 kW erfüllbar?

Testaufbau mit Kaltwassersatz von Efficient Energy

Die von Schäfer IT-Systems zusammen mit Efficient Energy aufgebaute und getestete Kälteanlage beruht auf einem Kreislaufkonzept mit rechenzentrumstypischen Edge-Computing-Komponenten. Hintergrund ist, dass durch die zunehmende Digitalisierung und das Wachstum von Datenströmen dezentrale Systeme am äußeren Rand der Infrastruktur an Bedeutung gewinnen – hinsichtlich Latenzzeiten, Skalierbarkeit, Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit.

In konventionellen Rechenzentren wird nur etwa die Hälfte des verbrauchten Stroms von den Prozessoren, Speichermedien, Netzwerkkarten und anderen Computerchips genutzt. Zwischen 40 und 60 Prozent des RZ-Gesamtstrombedarfs entfallen auf die Infrastruktur. Die Kühlung ist hier der größte Verbraucher. Aus diesem Grund wurde der bestehende Ansatz von Schäfer IT-Systems neu gedacht und eine bewährte Wasserkühlung aus „iQdata-Cooling“-Komponenten mit dem Kaltwassersatz „eChiller“ ergänzt. 

Der Vorteil der Wasserkühlung: die Wärmeleistung wird direkt im IT-Schrank abgeführt. Hierzu werden mit reinem Wasser (R718) durchströmte Kühler, sogenannte Cooler, eingesetzt, die indirekten Kontakt mit den zu kühlenden Bauteilen haben. Der Wärmeübertrager kann wahlweise im oder am Schrank befestigt werden. Folglich führt die Wasserkühlung die unvermeidbare thermische Verlustleistung der IT-Komponenten unmittelbar dort ab, wo sie entsteht. 

Testaufbau

  • Das Kühlsystem besteht im Wesentlichen aus einem „iQdata SideCooler“ mit einer Kälteleistung von 30 kW, einem 30-kW-Kaltwassersatz von Efficient Energy und Freikühlern bzw. Rückkühlern, die im Verbund einer vollständigen Anlage installiert sind. Zentral ist die Rackanlage mit einer EdgeRow – ein geschlossenes Racksystem mit einer maximalen IT-Leistung von 30 kW, die neben den vier „iQdata-IS1“-Schränken auch den „SideCooler Enterprise“ enthält.  Der praxisnahe Aufbau der Gesamtanlage ermöglicht im Testbetrieb  die Ermittlung realer Betriebs- und Effizienzwerte für die Freikühlung, wie der Expertenkreis "Blauer Engel" bestätigt. Das erwärmte Wasser strömt vom Racksystem über ein Rohrsystem zum eChiller. Abhängig von der Außentemperatur wird das warme Wasser über den Freikühler oder den im eChiller integrierten Kompressor abgekühlt, bevor es im Kreislaufsystem dem Verbraucher, also der „EdgeRow“, erneut zugeführt wird. Die benötigte Regelungstechnik, Sensoren, Aktuatoren sowie auch die Hydraulik inklusive Umschaltventilen für die Betriebsmodi befinden sich im Kaltwassersatz.

Reines Wasser als Kältemittel

Der „eChiller“ von Efficient Energy ist derzeit die einzige serienreif verfügbare Kältemaschine, die reines Wasser als Kältemittel nutzt. Sie arbeitet mit der nachhaltigen „Bluezero“-Technologie, die Wasser als Kältemittel mit Vorlauftemperaturen ab 12 °C nutzbar macht. 

Wasser als Kältemittel hat einen entscheidenden Vorteil z.B. für Rechenzentrumsbetreiber: Es entfallen alle kältemittelrelevanten Umwelt- und Sicherheitsvorschriften, die aktuell, aber auch in Zukunft für den Betrieb und die Wartung von Kälteanlagen gelten.

Der Kostenaufwand für das Kältemittel des eChillers beschränkt sich auf eine einmalige Anlagenfüllung mit 80 Liter entkalktem Wasser. Das senkt den wartungstechnischen Aufwand der Anlage, reduziert Ausfallzeiten und folglich die Betriebskosten.

Ein weiterer Vorteil dieser Cooling-Lösung ist Skalierbarkeit: mit zunehmender Anschlussleistung der IT-Schränke und entsprechend steigendem Kältebedarf lässt sich die Kühlleistung langsam steigenden Kältelasten anpassen. Einerseits arbeitet diese Kältemaschine bereits bei Teillasten von unter 20 Prozent effizient, sodass eine anfängliche Überdimensionierung kein Leistungshemmnis ist, andererseits können bestehende Kühlkreisläufe mit zusätzlichen Kaltwassersätzen und Freikühlern erweitert werden, indem man sie parallel zueinander installiert.

„Blauer-Engel“-Zertifizierung

Die Grundlage des Blauer-Engel-konformen Tests ist ein Anlagebetrieb bei einem städtetypischen Temperaturprofil für Frankfurt mit Umgebungstemperaturen von 1,4 °C bis 33,8 °C. Die Anlage ist während des Tests komplett in Innenaufstellung, sodass die oben beschriebenen Temperaturprofile simuliert werden können. Die Randparameter IT-Last, Temperaturprofil Kalt- und Warmgang im geschlossenen Kühlsystem sowie die Vorlauftemperatur des Kaltwassers sind das Ergebnis einer mehrstündigen Vorbereitungsphase. Sie dienen als Führungswerte und sind während des Tests konstant.

Neben den bekannten Betriebsparametern eines Rechenzentrums werden zusätzlich sehr hohe Luft- und Wassertemperaturen im Rahmen der normativen Grenzen und Vorgaben nachgebildet. Ein Testlauf hat eine Zeitdauer von sechs Stunden. Die Aufzeichnung der Messdaten erfolgt im Sekundenintervall, um aussagefähige Rückschlüsse auf Leistung und Effizienz während den Jahreszeiten ziehen zu können. Innerhalb des sechsstündigen Testlaufs hat die Umgebungstemperatur eine Dynamik zwischen 12,4 °C und 33,8 °C. 

PUE- und JAZ-Werte

Die Power Usage Effectiveness (PUE) ist eine Kennzahl, mit der sich die Energie-Effizienz eines Rechenzentrums darstellen lässt. Der Wert setzt die insgesamt in einem Rechenzentrum verbrauchte Energie ins Verhältnis mit der Energieaufnahme der Infrastruktur. In einem idealen System beträgt der Wert 1. Der Grenzwert für die Blauer-Engel-Konformität ist 1,3. Für die Testanlage wurde ein Wert von 1,12 erreicht. 
Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist das Verhältnis der innerhalb eines Jahres vom Kühlsystem aus dem RZ abzuführenden Wärmemenge zur dazu eingesetzten elektrischen Arbeit des gesamten Kühlsystems. Laut den Blauer-Engel-Kriterien muss dieser Wert größer 8 sein. Für die Testanlage wurde eine JAZ von 8,7 festgestellt. 
Die überwiegende Kühlung mittels Freikühler wirkt sich positiv auf den Energieverbrauch aus. Am Standort Frankfurt ist ein Kompressoreinsatz nur im Hochsommer notwendig, also an weniger als 100 Tagen im Kalenderjahr. 

Fazit: Im Vergleich zu bisher verbreiteten Kühllösungen wird der Stromverbrauch mit dem neuen Kühlungskonzept um zwei Drittel reduziert –  bezogen auf ein Jahr über die vier Jahreszeiten hinweg. Damit einhergehend reduziert sich der jährliche CO2-Footprint um fast 70 Prozent. Im Vergleich zu einer traditionellen Anlage amortisiert sich die Investition innerhalb einer Betriebszeit von ca. drei Jahren. 

Bei der Konformitätsbescheinigung, welche die Einhaltung der Kriterien des „Blauen Engel“ dokumentiert, hat Dr. Dieter Thiel, Mitglied des Expertenkreises „Blauer Engel“ des Umweltbundesamtes mitgewirkt. Er bestätigt: »Die im Testbetrieb getestete Kälteanlage erfüllt alle Anforderungen für das Umweltzertifikat Blauer Engel.« Somit sind alle Kriterien für eine „Blauer-Engel“-Zertifizierung für den Teilbereich Kühlung gegeben. Damit hat Schäfer IT-Systems als Spezialist für rackbasierte Klimatisierungslösungen zusammen mit Efficient Energy den Nachweis erbracht, dass auch bei Rechenzentren mit einer Leistung von unter 40 kW sowohl Energieeffizienz als auch Nachhaltigkeit umsetzbar sind. 

 


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