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Blauer Engel konforme Green IT

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

Den ökologischen Fußabdruck von Rechenzentren und deren Infrastruktur zu reduzieren ist eine der zentralen Aufgaben zur Erreichung der Klimaziele 2030. Ein bedeutender Lösungsansatz ist die Optimierung der IT- und Infrastruktur-Kühlung nach den Vorgaben des Bundesumweltamtes. Eine zwingende Voraussetzung für ein positives Umwelt-Audit sind energieeffiziente Kühllösungen ohne Fluorkohlenwasserstoffe (FKW), eine Jahresarbeitszahl (JAZ) größer acht und eine Power Usage Effectiveness (PUE) von kleiner 1,3. Diesen Anforderungen hat sich Schäfer IT-Systems in einem Testaufbau am Standort Betzdorf gestellt.

Deutschland ist der größte Rechenzentrumsstandort in Europa und der Drittgrößte in der Welt. Das Gros der Rechenzentren Deutschlands befindet sich in Frankfurt am Main. Ohne Strom kommt kein Rechenzentrum aus. Stromfresser sind im Betrieb teuer und ein Hemmschuh zur Erreichung der im Bundesklimaschutzgesetz formulierten Ziele. Die Rechenzentren in Frankfurt – der größte RZ-Standort innerhalb der Europäischen Union – verantworten etwa ein Fünftel des gesamten Stromverbrauchs der Stadt, mit steigender Tendenz.

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 Engels zu planen und eine Zertifizierung anzustreben – das Umweltzertifikat „Blauer Engel“ ist als Garant für nachhaltige Umweltverträglichkeit bekannt. 

Testaufbau mit Kaltwassersatz von Efficient Energy

Die von SCHÄFER IT-Systems zusammen mit Efficient Energy aufgebaute und getestete Kälteanlage ist ein Kreislaufkonzept aus rechenzentrums-typischen Edge Computing Komponenten. Hintergrund ist, dass durch die zunehmende Digitalisierung und den Anstieg an Datenströmen dezentrale Systeme am „Edge“, dem äußeren Rand der Infrastruktur, an Bedeutung gewinnen – hinsichtlich Latenzzeiten, Skalierbarkeit, Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit.

In konventionellen Rechenzentren werden nur etwa die Hälfte des verbrauchten Stromes 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 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. Dabei kann der Wärmeübertrager im oder am Schrank befestigt werden. Folglich führt Wasserkühlung die unvermeidbare thermische Verlustleistung der IT-Komponenten unmittelbar dort ab, wo sie entsteht. 

Testaufbau für den Versuch zu den Anforderungen des blauen Engels
Abbildung 1

SideCooler mit einer Kälteleistung von 30kW

Abbildung 1 zeigt schematisch den Testaufbau. Das Kühlsystem besteht im Wesentlichen aus einem iQdata SideCooler mit einer Kälteleistung von 30 kW, einem 30 kW Kaltwassersatz von Efficient Energy und Freikühler bzw. Rückkühler, welche 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, welche neben den vier iQdata IS1-Schränken auch den SideCooler Enterprise enthält.  

Der praxisnahe Aufbau der Gesamtanlage erlaubt im Testbetrieb, siehe Abbildung 2, die Ermittlung realer Betriebs- und Effizienswerte für die Freikühlung, wie Dr. Dieter Thiel, Mitglied des Expertenkreises Blauer Engel bestätigt. 

Testaufbau für den Blauen Engel
Abbildung 2

eChiller ist wichtige Komponente der Cooling-Lösung

Das erwärmte Wasser strömt vom Racksystem über ein Rohrsystem zum eChiller. In Abhängigkeit der Außentemperatur wird das warme Wasser über den Freikühler oder den im eChiller integrierten Kompressor abgekühlt, bevor es im Kreislaufsystem dem Verbraucher, d. h. der EdgeRow, erneut zugeführt wird. Die benötigte Regelungstechnik, Sensoren, Aktuatoren als auch Hydraulik inklusive Umschaltventilen für die Betriebsmodi befinden sich im Kaltwassersatz, wie aus Abbildung 3 hervorgeht. 

Warum eChiller? Die eChiller Familie von Efficient Energy sind derzeit die einzigen serienreif verfügbaren Kältemaschinen mit Wasser als Kältemittel. Sie arbeiten mit der sogenannten Bluezero® Technologie, die Wasser als Kältemittel mit Vorlauftemperaturen ab 12 °C nutzbar macht. Folglich entfallen alle kältemittelrelevanten Umwelt- und Sicherheitsvorschriften, die jetzt als 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. 

Skalierbarkeit

Ein weiterer Vorteil dieser Cooling-Lösung ist Skalierbarkeit: mit zunehmender Anschlussleistung der IT-Schränke und entsprechend steigendem Kältebedarf kann die Kühlleistung langsam steigenden Kältelasten angepasst werden. 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.

Testdurchführung und Testauswertung

Die Grundlage des Blauen 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. Diese dienen als Führungswerte und sind während des Tests konstant.

Sehr hohe Luft- und Wassertemperaturen

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. 

Entscheidend sind die ermittelten 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 Blaue Engel Konformität ist 1,3. Für die Testanlage wurde ein Wert von 1,12 erreicht. 

Jahresarbeitszahl

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist hingegen das Verhältnis der innerhalb eines Jahres vom Kühlsystem aus dem RZ abzuführenden Wärmemenge zur dazu eingesetzten elektrischen Arbeit des gesamten Kühlsystems. Laut den Blaue Engel Kriterien hat dieser Wert größer 8 zu 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, d. h. an weniger als 100 Tagen im Kalenderjahr. In bisher verbreiteten Kühllösungen wird der Stromverbrauch mit diesem neuen Klimatisierungskonzept um zwei Drittel reduziert, dies bezogen auf ein Jahr über die vier Jahreszeiten hinweg. Damit einhergehend reduziert sich der jährliche Kohlendioxid-Footprint um fast 70 Prozent. Im Vergleich zu einer traditionellen Anlage amortisiert sich die Investition innerhalb drei Jahren Betriebszeit. 

Ergebnis 

Bei der Konformitätsbescheinigung, welche die Einhaltung der Kriterien des „Blauen Engel“ dokumentiert, hat Dr. Dieter Thiel, Mitglied des Expertenkreises „Blauer Engel“ des Umweltbundesamtes mitgewirkt. Dr. Thiel bestätigt: „Die im Testbetrieb getestete Kälteanlage erfüllt alle Anforderungen für das Umweltzertifikat Blauer Engel.“ Somit sind alle Kriterien für eine Blaue Engel Zertifizierung für den Teilbereich Kühlung erfüllt. 

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 möglich sind.

eChiller
Abbildung 3

Die Veröffentlichung des Artikels in der LANline finden Sie in der Ausgabe 05/2022 auf den Seiten 26-28 oder unter diesem Link.

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Christina Fuss

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