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Moderne Serverräume setzen auf natürliche Kältemittel zur Kühlung Ihrer Infrastruktur.

Steigende Stromkosten, verschärfte F-Gase Verordnung, Ökodesign Richtlinien, gesetzliche Auflagen, und vieles mehr sind Rahmenbedingungen, die ein Umdenken bei der Klimatisierung von Serverräumen erfordern. Die Deckung des kontinuierlichen Kühlbedarfs von Serverräumen, sowie die gesetzlich vorgeschriebenen Wartungskosten für konventionelle Kompressionskältemaschinen lassen die Betriebskosten ansteigen. Aktuell hinzu kommt die im März 2017 von der 42. Bundesimmissionsschutzverordnung (BlmSchV) über Verdunstungskühlanlagen und Nassabscheider auf den Weg gebrachte Legionellenverordnung.

Eine Kältemaschine mit Wasser als Kältemittel bietet die Lösung

Der eChiller ist eine Kältekompressionsmaschine, die reines Wasser (R718 ) als Kältemittel verwendet und deren Technologie zudem bis zu 80% Energie beim Abtransport der Abwärme von Servern einspart. Diese neuartige Technologie wurde durch ein komplett neues Verfahren möglich, dass von der Efficient Energy GmbH einem Unternehmen aus Feldkirchen entwickelt wurde.

Eine Innovation die 2016 vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative (NKI) mit dem Deutschen Kältepreis ausgezeichnet und für den diesjährigen Rechenzentrumspreis 2017 nominiert wurde.

Optimal geeignet ist die Technologie für Einsatzbereiche die einen kontinuierlichen Kühlbedarf aufweisen, wie dies zur Kühlung von Serverräumen erforderlich ist.

Im Folgenden werden zwei eChiller-Installationen bei der Sparkasse Pforzheim Calw und der DMK Deutsches Milchkontor GmbH vorgestellt.

Kühlung hocheffizienter Serverräume – Sparkassen IT Calw

Die Sparkassen-IT GmbH & Co. KG, als Tochterunternehmen der Sparkasse Pforzheim Calw, ist der Betreiber eines Breitbandnetzes mit ca. 800 km Trassenlänge in der Region Nordschwarzwald. Das Netz besteht aus Glasfasern höchster Güte und dient dem Transfer von großen Daten in extrem hohen Bandbreiten. Im neu errichteten Rechenzentrum in Calw werden seit Juni 2016 sowohl eigene als auch Kundenserver betrieben.

Die Kühlung des hocheffizienten Serverraums der Sparkassen-IT Calw erfordert bei 100 %-tiger Auslastung eine Kaltgangtemperatur von maximal 25 °C bei einer maximalen Kühlleistung in der letzten Ausbaustufe von 35 kW.

Das Besondere an dieser Anwendung war jedoch der langsam wachsende Kälteleistungsbedarf durch den stufenweisen Aufbau der Server.

Als Lösung wurden im Serverraum Serverracks in einer Kaltgangeinhausung aufgestellt. Die Kühluftzufuhr zu den Servern erfolgt über Sidecooler. Die Kälteerzeugung erfolgt mittels eines eChillers. Für die erforderliche Redundanz ist ein herkömmlicher Kaltwassersatz mit HFKW als Kältemittel installiert worden. Angebunden wird der Serverraum an die Kälteerzeugung mittels einer hydraulischen Weiche und redundanten Pumpen. Die Kühlung der Server erfolgte ausschließlich über den eChiller.

Die Herausforderung war hier, die anfänglichen rund 8-10 kW Kälteleistung, was ca. 20 bis 25 % der maximalen Leistung entspricht, mit einem Turboverdichter kontinuierlich zu erzeugen. Dies wurde in Verbindung mit einem Pufferspeicher realisiert. In der Abbildung ist der Verlauf der erzeugten Kältelast seit Inbetriebnahme im Juni 2016 bis zum Februar 2017 dargestellt.

In der weiteren Abbildung ist der Verlauf der erzeugten Kältelast während einer Woche dargestellt.

Der Kältebedarf schwankt nur leicht um ca. 3 kW und ist damit nicht abhängig von Tag-, Nacht- oder Wochenendbetrieb.

Energiebilanz:

Im Zeitraum von Juni 2016 bis Februar 2017 (ca. 5640 h) wurden vom eChiller etwa 80 MWh Kälte erzeugt. Der erforderliche Strombedarf des eChillers zur Kälteerzeugung betrug hierfür etwa 4 MWh. Dies war u.a. dadurch bedingt, dass die Maschine ab Oktober überwiegend im Freikühlbetrieb arbeitete und hierfür wiederum nur eine Leistungsaufnahme von ca. 300 W benötigt. Damit ist der eChiller etwa 6-mal effizienter, als die HFKW -Redundanzmaschine.

Klimatisierung des RZ des Deutschen Milchkontors (DMK)

Die Klimatisierung des RZ des Deutschen Milchkontors (DMK) in Bremen erfolgt seit Dezember 2014 mit dem eChiller. Ende Mai 2016 wurde die Feldtestanlage durch das aktuelle Modell des eChillers ersetzt. Im Serverraum werden Server mit einer IT-Leistung von 21 kW betrieben. Wobei derzeit eine maximale Kühlleistung von ca. 30 kW, bei einer maximal zulässigen Kaltgangtemperatur von 26 °C, abgedeckt wird.

In der Abbildung ist der Verlauf des gemessenen COP (Coefficient of Performance) über der Außentemperatur dargestellt. Die blaue Linie gibt die real gemessenen Werte wieder, die grüne Linie die Tendenz über den betrachteten Zeitraum.

Es ist gut zu erkennen, dass der eChiller bis zu einer Außentemperatur von 19 °C mit einem COP von über 50 ausschließlich im Freikühlbetrieb betrieben werden kann. Mit steigender Außenluft- und dadurch steigender Kühlwassereintrittstemperatur regelt der eChiller stufenlos die verschiedenen Betriebszustände und die Verdichterdrehzahlen. Selbst bei Außentemperaturen von 26 °C arbeitet der eChiller noch mit einem COP von 10.

Nachweisbar wirtschaftlich und betriebssicher

In beiden Referenzprojekten wurden im laufenden Betrieb sowohl die Erwartungen an die Betriebssicherheit als auch an die hohen wirtschaftlichen Vorteile erfüllt.

Unabhängig davon wurden die Leistungsdaten des eChiller auf Prüfständen namhafter Kälteanlagenherstellern in Dänemark und Italien nachgemessen und erfolgreich bestätigt. Auch der TÜV Süd hat durch unabhängige Messungen die Effizienz der eChiller-Technologie validiert.

Insgesamt betrachtet wurden Ende 2014 die ersten Anlagen im Markt installiert und bis April 2017 mit mehr als 260 Betriebsmonaten die Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit der neuen Technologie zuverlässig nachgewiesen. Hochgerechnet ergibt dies eine Einsparung von 1120 t CO2 Äquivalent bzw. ca. 280.000,- € Stromkosten.

Die Technologie des eChillers

Der eChiller arbeitet mit der Direktverdampfung von Wasser (R718) in einem vakuumdichten, geschlossenen Kreislauf, der über Plattenwärmeübertrager hydraulisch vom externen Kühl- und Kaltwasserkreis getrennt ist. Zentrale Bedeutung haben dabei zwei identisch aufgebaute Kältemodule, in denen der komplette thermodynamische Kreisprozess abgebildet wird.

Funktionsweise des Kältemoduls:

1. Der Verdampfer: Wasser tritt in den Verdampfer ein, ein Teil verdampft und entzieht dadurch dem restlichen Wasser Energie, wodurch es sich abkühlt.
2. Der ct-turbo: Der Wasserdampf wird von dem Turboverdichter mit einer Drehzahl von bis zu 90.000 U/min. verdichtet, wobei sich Druck und Temperatur des Dampfes erhöhen.
3. Der Verflüssiger: Der komprimierte Wasserdampf kondensiert im Verflüssiger und erwärmt so den Kühlwasserstrom.
4. Die Expansion: Das kondensierte Wasser wird in den Verdampfer zurückexpandiert.

Der eChiller kennt neben Stand-by vier unterschiedliche Betriebszustände die vom System in Abhängigkeit der Kühlwassertemperatur geregelt werden.

FreeCooling: Kühlwassertemperatur

FreeCooling PLUS: Kühlwassertemperatur 18 °C – 24 °C. Ein Modul komplettiert die geforderte Kälteleistung.

Stage I: Kühlwassertemperatur 24 °C – 30 °C. Ein Modul erzeugt den Temperaturhub und die geforderte Kälteleistung.

Stage II: Kühlwassertemperatur 30 °C – 45 °C. Beide Module erzeugen den Temperaturhub und die geforderte Kälteleistung in Serie.

Die Temperaturangaben der Betriebszustände beziehen sich alle auf den Nennarbeitspunkt, Kaltwasserein- und -austritt von 28 °C auf 22 °C und die Kälteleistung von 35 kW.

Der modulare Aufbau des Systems erlaubt es, durch die beschriebene Verschaltung der Kältemodule sowohl in Abhängigkeit der inneren Wärmelast als auch der Kühlwassertemperatur jeweils nur die Anlagenteile zu betreiben, die notwendig sind, um die geforderte Kälteleistung zu erbringen. Dies gewährleistet, dass die Maschine immer im optimalen Arbeitsbereich und somit mit dem minimal notwendigen Energieaufwand betrieben wird. Zudem ist die Kälteleistung stufenlos von 20%–100% regelbar.

Das Wasser dient gleichzeitig auch als Kälteträger, sodass ein Verdampfer verzichtbar ist und damit ein Wärmeübergang entfällt. Die Maschine läuft bereits im Freikühlbetrieb, wenn die Kühlwassertemperatur nur minimal geringer ist, als die gewünschte Kaltwasservorlauftemperatur. In diesem Betriebsmodus werden sehr hohe Effizienzwerte (COP) von um die 100 erreicht – siehe hierzu auch die Tabelle links. Der COP 100 beschreibt, dass für das Erzeugen von 1 kW Kälteleistung weniger als 10 W elektrische Leistung benötigt werden.

Betriebsbereich

eChiller sind auf die Kühlung von Prozessen mit hohen Kaltwasser-Vorlauftemperaturen ausgelegt. Optimal kühlt der eChiller bei 22 °C. Es können Vorlauftemperaturen zwischen 10 °C und 28 °C gefahren werden – ein Spektrum, das herkömmliche Kältemaschinen nur teilweise abdecken können.

In der folgenden Abbildung sind die optimalen Anwendungsbedingungen des eChillers dargestellt.

Ein Kaltwassersatz mit Systemlösung

Die Efficient Energy GmbH fertigt den eChiller seit Anfang 2016 in Serie im eigenen Hause in der Nähe von München. Angeboten werden neben dem Kaltwassersatz auch alle hydraulischen Komponenten in Modulen, die für die Gesamtinstallation erforderlich sind. Der eChiller stellt eine Systemlösung dar, welche die Regelung externer Komponenten mit integriert hat.

Vorteile der neuen eChiller-Technologie:

• Reines Wasser (R718) als Kältemittel ist F-Gase-frei, absolut CO2-freundlich und 100 % umweltverträglich – alle kältemittelrelevanten Richtlinien entfallen.
• Die hohe Energieeffizienz sorgt für schnelle Amortisierung und langfristige Kosteneinsparung
• Der eChiller ist BAFA und z.B. KfW-Bank förderfähig.
• Diese Technologie ist ideal für alle Anwendungen, die ganzjährig einen kontinuierlichen Kühlbedarf haben.
• Besonders wirtschaftlich sind Kaltwassertemperaturen von 28/22 °C und höher, die herkömmliche Kältemaschinen in der Regel nicht bedienen können.
• Durch den Einsatz von Trockenrückkühlern besteht keine Legionellengefahr
• Keine Dichtigkeitsprüfung nach der F-Gase-Verordnung erforderlich
• Extrem geräusch- und schwingungsarm
• Der eChiller ist eine Systemlösung die alle hydraulischen Komponenten als Modul mit anbietet inkl. der Regelung der externen Komponenten

„Wasser als Kältemittel“ ist die Alternative für die kosteneffiziente und ökologisch zukunftsweisende Klimatisierung jedes modernen Serverraums.

www.efficient-energy.de.