Kühlsysteme im RZ

Der Schlüssel zu mehr Energieeffizienz

Durch eine effiziente Nutzung der Kühlsysteme lassen sich beim Betrieb von ­Rechenzentren die Betriebskosten senken. Dabei spielen Frequenzumrichter eine ­entscheidende Rolle.

Rostige Schlüssel auf Holztisch

Kühlsysteme sind Schlüsselfaktoren bei der Kostenbetrachtung von Rechenzentren.

Rechenzentren verbrauchen bereits heute rund zwei Prozent der weltweit erzeugten Energie, und ihr Bedarf dürfte sich künftig um das Achtfache erhöhen – bis 2030 auf etwa 3.200 Terrawattstunden (TWh). Dabei verbrauchen meist Kühlung und IT-Ausstattung dieselbe Menge an Energie, jeweils knapp 40 Prozent der Gesamtenergie. Deshalb ist es heute wichtiger denn je, die sogenannte Power Usage Effectiveness (PUE) zu verbessern. Dies ist durch eine höhere Energieeffizienz von Lüftern, Pumpen und Kompressoren, die in Rechenzentren das Herz der Kühlsysteme ausmachen, möglich. Dadurch lässt sich die Effizienz steigern und die Energiekosten lassen sich senken.

Mithilfe von Frequenzumrichtern kann die Drehzahl der Elektromotoren, die in den Kühlsystemen verwendet werden, effizient reguliert werden. Dadurch verbrauchen die Motoren nur so viel Energie, wie notwendig ist, um jederzeit den erforderlichen Durchfluss zu gewährleisten.

Problemquelle Oberschwingungen

Ein zuverlässiger Betrieb ist für Rechenzentren entscheidend und die Kühlsysteme spielen eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, die Anlage rund um die Uhr in Betrieb zu halten. Oberschwingungen im Stromnetz können sich jedoch negativ auf die Zuverlässigkeit auswirken. Daher ist die Wahl des richtigen Frequenzumrichters entscheidend. Auch wenn Frequenzumrichter einen großen Beitrag zur Energieeffizienz leisten, verursachen sie zusammen mit anderen nicht linearen Lasten (wie USV und Energiespeichersystemen) harmonische Oberschwingungen. Die daraus folgende mögliche Überhitzung kann bei Anlagen zu Fehlfunktionen und Störungen führen, die das Risiko von Ausfallzeiten erhöhen. Dies verursacht höhere Investitions- und Betriebskosten, da beispielsweise die Lebensdauer der Anlagen geringer wird, häufiger Fehler auftreten und sich die Wartungsintervalle verkürzen. Hinzu kommt, dass Stromversorger für Oberschwingungen in Stromnetzen Gebühren erheben können, wodurch sich die Betriebskosten weiter erhöhen. Eine Möglichkeit, die negativen Auswirkungen der Oberschwingungen zu verringern, ist, Kabel, Sicherungen, Schaltanlagen und Transformatoren zu überdimensionieren. In einigen Fällen ist allerdings eine Überdimensionierung von bis zu 30 Prozent erforderlich. Dies ist wenig wirtschaftlich.

Eine einfachere, weil effizientere Lösung bieten z. B. die speziell für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) entwickelten ABB Ultra-Low Harmonic Drives. Diese Frequenzumrichter sorgen am Ort des Geschehens konstant für einen geringen Oberschwingungsgehalt – selbst bei Teillasten. Mit einer sorgfältigen Systemanalyse und dem Einsatz von Ultra-Low Harmonic Drives in den Kühlgeräten können große Pumpen- und Lüftungsaggregate dafür sorgen, dass das Gesamtsystem ohne externe Lösungen zur Verringerung von Oberschwingungen auskommt. Darüber hinaus sorgen sie für eine effektive Nutzung elektrischer Energie. Durch eine höhere Energieeffizienz lassen sich Kosten vermeiden, besonders bei großen Rechenzentren mit hohem Energiebedarf.

Verbesserte Verfügbarkeit

Auch die Verfügbarkeit des Kühlsystems spielt eine wichtige Rolle im effizienten Rechenzentrum. Die Frequenzumrichter von ABB sind mit speziellen Funktionalitäten für HLK-Anlagen ausgestattet, mit denen die Verfügbarkeit des gesamten Kühl- und Lüftungssystems erheblich verbessert wird. So kann beispielsweise mit der Überwachung des Motordrehmoments der drohende Ausfall der Anlage wegen eines Lagerschadens vermieden werden. Auch kann der Druck eines Systems über den Umrichter überwacht werden. Bei Verletzung eines Grenzwerts wird Alarm ausgelöst. Dadurch lassen sich Probleme beheben, bevor diese zu einem Schaden führen. Darüber hinaus wird mit dem Override-Modus eine ordnungsgemäße Funktionsweise des Brandschutzsystems unterstützt, sodass Server-Anlagen und Mitarbeiter im Fall eines Brands geschützt sind. Zudem wird mit einem Soft-Start des Motors beispielsweise verhindert, dass das Rohrsystem und andere Komponenten wie Pumpen, Kompressoren oder Lüfter mechanisch belastet werden. Auch das trägt zur Steigerung der Verfügbarkeit bei, da es den Verschleiß minimiert.

Eines dürfte sicher sein: Die Serverdichte in Rechenzentren wird weiter zunehmen. Das bedeutet, dass auch die Wärmebelastung steigen wird. Um die Kühlsysteme von Rechenzentren zukunftsfähig zu machen, muss ihre Skalierbarkeit zukünftigen Anforderungen entsprechen. Hier bieten die speziell für HLK-Anlagen entwickelten Frequenzumrichter einen entscheidenden Vorteil, da sie mit der notwendigen Flexibilität und Skalierbarkeit ausgestattet sind. Dies wirkt sich auch auf die Systemeffizienz aus. Wenn große Pumpen und Kompressoren bei sehr geringer Last laufen, wird der Prozess äußerst ineffizient. Um eine optimale Systemeffizienz zu erreichen, ist es häufig sinnvoll, mehrere kleinere Einheiten im Aggregat einzusetzen. Mit der Kaskadenregelung der Frequenzumrichter können zusätzliche Einheiten je nach Kühlbedarf ein- oder ausgeschaltet werden. Damit werden die Verfügbarkeit und die Redundanz des Systems erhöht – wenn eine Einheit im Aggregat gewartet werden muss, kann der Rest für die erforderliche Kühlung sorgen.

Dies ist ein Artikel aus unserer Print-Ausgabe 11/2020. Bestellen Sie ein kostenfreies Probe-Abo.

Energieeffizienz wird in den nächsten Jahren ein immer wichtigeres Thema. Speziell für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen entwickelte Frequenzumrichter können dazu beitragen, den Energiebedarf der Anlage zu senken sowie ihre Verfügbarkeit zu erhöhen. Zudem leisten sie durch ein hohes Maß an Skalierbarkeit einen Beitrag zu einer größeren Flexibilität der Anlage. Dadurch kann die Energieeffizienz deutlich gesteigert werden. Gleichzeitig erhöht sich die Verfügbarkeit und Wartungskosten werden reduziert. So gelingt es auch bei großen Rechenzentren, Betriebskostenkosten nachhaltig zu senken.

Bildquelle: Getty Images / iStock / Getty Images Plus

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