Abstrakt: Kontinuierliche Kühlung ist eine obligatorische Anforderung des UPTIME Institute (UTI) für die Zertifizierung aller Tier-IV-Rechenzentren. Wärmespeichertanks (TES) sind eine weit verbreitete technische Lösung, um einen angemessenen Puffer für diesen Zweck bereitzustellen und die UTI-Anforderungen zu erfüllen (TES-Tanks werden auch von der UTI empfohlen und entwickeln sich zur Standardindustriepraxis für alle Tier-III-Rechenzentren mit hochdichten IT-Racks. Die Eigentümer und Betreiber von Rechenzentren können jedoch nicht nur von der kontinuierlichen Kühlung profitieren, sondern auch ihre jährlichen Betriebskosten mit TES-Tanks senken.
Thermische Energiespeichertanks und ihre Anwendung in Rechenzentren:
Kontinuierliche Kühlung ist eine obligatorische Anforderung von UPTIME-Institut (UTI) für alle Tier-IV-Rechenzentren. Thermische Energiespeicher (TES) sind in den meisten Fällen die beste Möglichkeit, diese Anforderung zu erfüllen (außer bei Konstruktionen mit DX-Einheiten, z. B. CRAC in Datenhallen). Daher müssen redundante TES-Tanks mit gleichzeitig wartbarer und fehlertoleranter Konfiguration für Rohrleitungen und Steuerung vorgesehen werden. Darüber hinaus wird die Bereitstellung von TES-Tanks in Tier-III-Rechenzentren von UTI für IT-Racks mit hoher Dichte (mehr als 5 kW/Rack) dringend empfohlen und wird von vielen Rechenzentrumsbesitzern und -betreibern zur Erhöhung der Ausfallsicherheit immer häufiger angenommen.
Bei herkömmlichen Konstruktionen ist in der Regel ein großer, geschlossener Puffertank aus Stahl mit ausreichender Kapazität vorgesehen, um die IT-Geräte bei einem Stromausfall ununterbrochen zu kühlen, bis die Generatoren (bei Netzstrom als Hauptstromquelle) in Betrieb genommen werden und die Kältemaschine wieder ihre volle Kühlleistung erbringt.
Diese Tanks sind in der Regel sperrig, nehmen Platz/Land ein und haben hohe Herstellungskosten, werden aber während des gesamten Lebenszyklus eines Rechenzentrums nur wenige Male verwendet. Ein intelligenterer Weg wäre jedoch, das Design leicht zu ändern und sie häufiger (z. B. täglich) statt nur gelegentlich zu verwenden, um die Energieeffizienz und die Energieeinsparung in Rechenzentren zu verbessern, was wiederum zu niedrigeren Betriebskosten führt.
Natürlich kann die unten vorgeschlagene Anwendung in bestimmten Fällen nicht anwendbar sein, und dies muss von Fall zu Fall für jedes Projekt unter Berücksichtigung der klimatischen Bedingungen, der Tag/Nacht-Temperaturschwankungen, der Kühllastprofile, des Vorhandenseins anderer freier Kühlung und kühlerloser Systeme in der Konstruktion usw. untersucht werden. Entgegen der landläufigen Meinung sind die Kühllastprofile von Rechenzentren nicht notwendigerweise immer flach (100% Volllast), und die tatsächlichen Betriebsdaten zeigen Schwankungen (mit Höhen und Tiefen) im Kühlprofil, je nach Anwendung und Art der IT-Lasten; außerdem ist, selbst wenn die Kühllast in einigen Anwendungen 100% Volllast anzeigt, das Temperaturprofil des Wetters NICHT flach und wir sehen Temperaturschwankungen während der Tage und Nächte am Standort; dies gibt dem Planer die Möglichkeit, die thermische Energiespeicherung klüger zu nutzen und alle ihre Vorteile voll auszuschöpfen.
Geschichtete thermische Energiespeicher sind eine ausgezeichnete und wirtschaftliche (im Vergleich zu Batterien) Möglichkeit, Energie in Form von gekühltem Wasser zu speichern; durch die Nutzung dieser Schwankungen in den Kühllastprofilen und der Trocken-/Nasskugeltemperatur der Umgebung können wir den TES-Tank in den Stunden aufladen, in denen dies möglich ist:
- das Kühlsystem kann effizienter arbeiten (weniger kW/TR)
- die Kühlleistung der Kältemaschine wird erhöht (niedrige Trocken-/Nasskugeltemperatur)
- der Kühllastbedarf ist gering (Kältemaschinen arbeiten im Teillastbetrieb)
und entladen, wenn:
- das Kühlsystem ist weniger effizient (hohe kW/TR)
- Die Kühlleistung der Kältemaschine ist geringer (hohe Trocken-/Nasskugeltemperatur).
- der Kühllastbedarf ist auf dem Höhepunkt (eine oder mehrere Kältemaschinen können vollständig abgeschaltet werden und trotzdem die Spitzenlast decken)
Diese Entlade-/Lademodi können mit Hilfe von SCADA/PLC vollständig automatisiert werden, um optimale und effiziente Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Etwaige zusätzliche Kapitalkosten, die durch die erhöhte TES-Kapazität und das Automatisierungssystem entstehen, können für jedes Projekt mit Hilfe von Finanzmodellen untersucht werden, um die Durchführbarkeit und Rentabilität der Investition nachzuweisen, die durch die jährlichen Stromverbrauchseinsparungen ausgeglichen werden können.
Die Anforderung der Stufe UTI für die kontinuierliche Kühlung kann weiterhin mit demselben Tank erfüllt werden, um sicherzustellen, dass die Tanks NIEMALS unter die Mindestschwellenkapazität entleert werden (durch Überwachung des Thermokline-Pegels im Tank), die die Mindestkapazität darstellt, die für eine "kontinuierliche Kühlung" immer im Tank verbleiben muss.
Designhinweise und Vorteile:
- Der TES-Tank ist für eine 4-stündige Speicherung der vollen Kühlkapazität ausgelegt, im Vergleich zu den 10 bis 15 Minuten, die in der gängigen Praxis üblich sind, d.h. wenn ein Rechenzentrum mit einer IT-Last von 4.000 kw typischerweise 5.200 bis 5.600 KW (1,3 bis 1,4 x IT-Last) an Kühlkapazität benötigt, sollte die thermische Speicherkapazität 4 Stunden x 5.600 kw = 22.400 kwh oder 6.370 Tonnen-Stunden betragen.
- Derzeit wird die kontinuierliche Kühlung über spezielle, mit der USV verbundene Kaltwasserpumpen mit geringer Leistung gewährleistet.
- Im Vergleich zu Pufferspeichern bieten sie eine stabilere Kaltwasservorlauftemperatur für etwa 80% bis 90% des Speichervolumens.
- Sollte überdimensioniert sein und in der täglichen Betriebsroutine verwendet werden, um Kaltwasser in der Nacht zu erzeugen und den Betrieb von Teillastkältemaschinen zu vermeiden.
- Vorzugsweise offen zur Atmosphäre und mindestens 2 m höher als die höchste CRAH-, FCU- oder AHU-Schlange.
- Sie können im Keller untergebracht werden, erfordern aber komplexe Stützventile und eine spezielle Pumpen- und Steuerungsanlage.
- Kann unter Druck gesetzt werden, erfordert jedoch dickeren Stahl und eine kritische Konstruktion des Diffusors. Die Erfahrung ist unzureichend und die Verwendung ist extrem selten.
- Die Kalt- und Warmluftdurchlässe benötigen jeweils 450 mm Höhe, und die Sprungschicht ist in der Regel 600 mm hoch, so dass etwa 1,5 m der Höhe des Wassersäule ungenutzt bleiben.
- Die Wärmeverluste betragen etwa 1% pro Tag und erfordern eine Isolierung der Wände, des Bodens und des Daches von mindestens 100 mm Dicke.
- Zusätzlicher Wasserspeicher kann als Brandschutztank verwendet werden (abhängig von den örtlichen Vorschriften und Bestimmungen)
- Der atmosphärische Tank dient als Ausdehnungsgefäß und Druckausgleichssystem.
Phase-Change-Material (PCM) TES-Tanks:
Das Volumen eines PCM-TES-Tanks kann im Vergleich zu einem Wasser-TES-Tank um das 3 bis 4fache reduziert werden, was zu einer wesentlich geringeren Stellfläche führt. Zur weiteren Bestätigung und Einführung in größerem Maßstab sind jedoch umfangreichere Studien und tatsächliche Feldergebnisse und Tests erforderlich.
Schlussfolgerung: Konstrukteure, Eigentümer und Betreiber haben die Möglichkeit, die Versorgungseffizienz und den PUE-Wert ihrer Rechenzentren durch tägliches Laden und Entladen der thermischen Energiespeicher weiter zu verbessern, doch ist vor der Einführung einer solchen Lösung eine sorgfältige Prüfung und Studie in der Projektdurchführbarkeits- und Konzeptionsphase erforderlich. Zukünftige Fortschritte in der Automatisierung, insbesondere beim maschinellen Lernen, werden sich definitiv auf die Optimierung eines solchen Systems auswirken, indem sie die Lastprofile und -trends sowie das beste Szenario für die Lade-/Entladezyklen im Hinblick auf interne und externe Faktoren vorhersagen.
