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Datencenter

Kühlung und Kälteerzeugung
Datencenter-Cooling Solutions

Datencenter Kühlung und Kälteerzeugung

Anwendung
  • Kälteerzeugung auf hohem Niveau
  • Maximales Freecooling dank hohen Kaltwasser Temperaturen
  • Hohe COP-Werte dank tiefen Rückkühltemperaturen
  • Minimale Kältemaschinen-Laufzeiten dank bedarfsabhängiger Lastabfuhr
  • Sicherheit durch n+1 Redundanz
Funktionsbeschrieb

In einem Datencenter muss einerseits die Wärme aus dem DC-Bereich abgeführt werden, andererseits muss die Kälteenergie zur Verfügung gestellt werden. Es können somit eine Primärseite (DC-Wärme) und eine Sekundärseite (Kälteerzeugung) definiert werden. Für beide Anlagenteile gilt unter Umständen wieder die Tier 3 Regel, also n+1 Redundanz.

 

Primärseite Wärmeabfuhr

Die in einem Datencenter installierten Rechner erzeugen neben Rechnerleistung hauptsächlich Wärme. Diese muss abgeführt werden. Dabei übernehmen die installierten Rechner eine wichtige Rolle. Interne Temperaturüberwachungssysteme lassen die Rechner-internen Kühlsysteme bedarfsabhängig laufen. Im Falle einer Luftkühlung ist die Rechner Platine mit einem Temperatursensor ausgestattet, welcher stetig die Oberflächentemperatur der Platine überwacht. Steigt die Temperatur an, werden die Ventilatoren hochgefahren. Schlussfolgerung, es soll nur so viel Kaltluft in den DC-Bereich gefördert werden wie die Rechner benötigen. Dies ist gegeben, wenn beidseits der Rechner der gleiche Druck herrscht, also kein Differenzdruck vorhanden ist. Dies ist eine Aufgabe zur Regulierung der Kaltluftmenge.

Weiter werden die DC-Flächen unterschiedlich aufgeteilt. Ist ein einziger Mieter vorhanden oder sind es diverse, unabhängige Mieter die einen Teil der DC-Flächen beanspruchen? Die Rackreihen sind heutzutage sehr standardisiert. Ein Rechner hat eine definierte Breite und eine variable Höhe, je nach Leistung. Es ergibt sich eine Rackreihe. Eine Möglichkeit ist die Bildung eines Warm- und eines Kaltgangs zur räumlichen Trennung der Rackreihen. Im Kaltgang wird die benötigte kalte Luft eingeblasen und den Rechner zur Kühlung zur Verfügung gestellt. Im Warmgang wird die bedarfsabhängig erwärmte Luft durch die Kühlmodule abgesaugt und wieder auf Einblastemperatur gekühlt. Je nach Tageszeit und Geschäftstätigkeit ist die bezogene Leistung unterschiedlich. Eine ausgeklügelte Regulierung macht es möglich, dass die UML-Kühleinheiten nur soviel fördern, wie aktuell gerade benötigt wird. Mountair hat hierzu sogenannte „Kühlwand-Module“ entwickelt, welche den räumlichen und leistungsabhängigen Gegebenheiten angepasst werden – Auslegung und Konstruktion unterscheiden sich in jedem Projekt. Nachfolgend ein Beispiel einer Kühlwand und ein Anlagenbeschreib ausgelegt auf 2+1-Redundanz sowie eine Kühlleistung von 100 kW pro Rackreihe.

Kühlwandmodule

Ein Kühlwand Modul hat 100 kW Nennleistung und ist in drei Zonen aufgeteilt. Entfällt eine Zone aufgrund eines Defektes sind die zwei verbleibenden Zonen in der Lage die geforderten 100 kW Kühlleistung zu erbringen.

Ein Kühlwand Modul ist einer Serverreihe zugeordnet. Die Server werden von der gleichen Seite aufgestellt. Hinten wird kalte Luft angesaugt (Kaltgang) und vorne (Bedienerseite) wird die durch die Server aufgewärmte Luft ausgeblasen (Warmgang). Die Server fördern die zur Kühlung benötigte Luft mit eigenen Computer-Ventilatoren selbst vom Kalt- in den Warmgang. Das Kühlwand Modul hat die Aufgabe die erwärmte Luft aus dem Warmgang abzusaugen, diese herunterzukühlen und im Kltgang wieder einzublasen. Die Kühlwand arbeitet als Umluft-Einheit (UML).

Das zur Kühlung benötigte Kaltwasser (20 °C) wird redundant bereitgestellt. Es gibt zwei Wassernetzte (A+B). Je Kühlwand sind drei Zonen realisiert. Im Normalbetrieb leistet jede Zone 33,3 kW Kühlleistung, im Notbetrieb leistet eine Zone bis zu 50 kW Kühlleistung. Jede Zone ist mit einem eigenen Ventilator bestückt. Im Normalbetrieb fördert ein Ventilator 10’000 m3/h. Im Notbetrieb fördert ein Ventilator 15‘000 m3/h je Zone.

Das UML-Kühlwand Modul ist als Umlenkmodul konzipiert. Die erwärmte Luft (34 °C) wird über eine Filterwand ins Modul gesogen und über Wasser-Luft-Wärmetauscher abgekühlt (24 °C) um danach wieder in den Kaltgang befördert zu werden. Das erwärmte Wasser (30 °C) wird per «Erzeuger Gruppe Kühlung» wiederum auf die benötigten 20°C heruntergekühlt. Die UML-Kühlwand-Module werden so betrieben, dass sie best möglich arbeiten. Das heisst, es soll nur so viel Luft gefördert werden wie nötig. Die Luft soll sich in den Server-Computern maximal zulässig erwärmen. Die hierfür benötigte Luftmenge wird optimiert. Sinkt das delta-T ab, so werden die Ventilatoren zurückgefahren. Das delta-T soll optimaler Weise möglichst nah dem Wert 10 K sein.

Sekundärseite Kälteerzeugung

Unabhängig wie die Rechner im DC-Bereich gekühlt werden, Kälteenergie muss dazu zur Verfügung gestellt werden. wir sprechen von Kaltwasser, dass dann in den Wärmeübertragern der UML-Kühlwand-Module verwendet werden. Auch im Falle von direkter Rechnerkühlung mittels Kaltwasser-Rohren innerhalb der Computer, wird Kälteenergie in Form von Kaltwasser benötigt. Datencenter-Rechner brauchen keine sehr kalten Bedingungen um effizient betrieben werden zu können. Wie bereits beschrieben, haben die Rechner eine interne Temperaturregelung. Ein DC-Rechner arbeitet optional im Bereich von 20–40°C. Dieser Fakt hat zur Folge, dass verhältnismässig hohe Kaltwassertemperaturen ausreichend sind. Es ist also nicht notwendig 6°C PKW zur Verfügung zu stellen. Zumal dies weitere Nachteile wie Kondensatbildung mit sich bringt.

Grundsätzlich gilt – umso kleiner der Hub, umso effizienter kann eine Kälteanlage betrieben werden. Je kleiner der Hub sein soll, desto höher muss die Kaltwassertemperatur sein (unabhängig von der Lastabführung auf der Sekundärseite der Kälteanlage). Die Kaltwassertemperaturen müssen also so gewählt sein, dass die Wärmeübertrager nicht zu gross sind (hoher Druckverlust = stetiger Energieverbrauch), gleichzeitig aber die Kälteenergie effizient aufbereitet werden kann. Es ist also gut möglich mit 18–20°C Kaltwasser Vorlauftemperatur zu arbeiten, um gleichzeitig die DC-Luft von 34°C auf 24°C runterzukühlen. Die Wahl einer hohen Kaltwassertemperatur hat den Vorteil, maximales Freecooling arbeiten zu können und die Betriebszeiten der Kältemaschinen zu reduzieren.

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