Energieeffiziente Kühlung in Rechenzentren durch Kaltgangeinhausung

 

Mehrere Server-Racks stehen in einem abgeschlossenen Raum
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Der aktuelle Energiebedarf der deutschen Server- und Rechenzentren beläuft sich jährlich auf mehrere Milliarden kWh, wobei der Trend weiter steigend ist. Der wesentliche Anteil der in Rechenzentren verbrauchten Energie wird von den Hardwarekomponenten in Wärme umgewandelt. Um ein Überhitzen zu vermeiden, muss eine Kühlung der IT-Komponenten erfolgen. Diese erfolgt üblicherweise durch Kaltluft, die über einen doppelten Boden in den Serverraum eingebracht wird. Dabei wird oftmals mittels ungeregelter Lüfter die Kaltluft in den Klimaschränken auf die einzelnen Reihen der Serverracks (Racks = Gestelle) verteilt. Durch den Ansatz einer ungeregelten Lüftung entstehen deutlich überdimensionierte Volumenströme an Kaltluft. Darüber hinaus sind die Kaltluftströme der Klimaschränke und der internen Lüfter der Hardwarekomponenten mitunter nicht aufeinander abgestimmt, wodurch es zu Querströmungen zwischen den warmen und kalten Luftbereichen kommen kann. Als Folge muss die Temperatur der Kaltluft weiter abgesenkt werden, um die resultierende Temperaturerhöhung der Zuluft zu kompensieren.

Optimierungspotenziale und mögliche Effizienzmaßnahmen

Einen möglichen Ansatz zur Optimierung der Kühlung in Server- und Rechenzentren stellt die bedarfsgerechte und lokal kontrollierbare Temperaturregulierung mittels einer sogenannten Kaltgangeinhausung dar. Hierbei werden durch bauliche Maßnahmen an den Serverracks die Kalt- und Warmluftströme strikt voneinander getrennt. Hierdurch wird eine Durchmischung von Zu- und Abluft durch unkontrollierte Querströmungen vermieden, wodurch die Temperatur der Zuluft leicht erhöht werden kann. Zudem kann durch eine zusätzliche Druckdifferenzregelung der Lüfter in den Klimaschränken eine Reduzierung des Volumenstroms erreicht und damit die insgesamt umgewälzte Kühlluftmenge weiter reduziert werden. In Summe lassen sich durch derartige Maßnahmen Stromeinsparungen von 7 bis 15 % für den Bereich der Kälteversorgung realisieren.

Projektidee

In einem Server- und Rechenzentrum mittlerer Größe mit einer Fläche von circa 600 m², einer Anschlussleistung der Server von 800 kW und einer mittleren Auslastung von 30 % soll die Serverkühlung mittels einer Kaltgangeinhausung optimiert werden. Es ergeben sich dabei folgende Kosten:

  • Investitionskosten für die Kaltgangeinhausung von rund 90.000 €,
  • Investitionsnebenkosten (für Installation und Inbetriebnahme) in Höhe von 60.000 €
  • und damit in Summe Investitionsgesamtkosten in Höhe von 150.000 €.

Von diesen Kosten können bei STEP up! maximal 30 %, d.h. max. 45.000 €, gefördert werden. Die tatsächliche Höhe der jeweils förderfähigen Summe hängt letztlich davon ab, ob es sich bei der Maßnahme um eine vorgezogene Ersatzinvestition, eine Zusatzinvestition oder eine Erneuerungsinvestition handelt. (Hinweise zu den Investitionstypen finden sich im Merkblatt „Allgemeine Hinweise zur Antragstellung in STEP up!“, welches unter “Teilnehmen“ und “Ausschreibungsrunden“ auf der STEP up!-Webseite zu finden ist).

Grundlegende Kriterien für eine Förderung durch STEP up! sind, dass das Projekt sich erst nach mehr als drei Jahren amortisiert und der sogenannte „Kosten-Nutzen-Wert“ von maximal 0,10 €/kWh nicht überschritten wird.

Im Projektbeispiel können mittels der durch die Kaltgangeinhausung optimierten Kühlung jährlich 140 MWh eingespart werden. Bei einer Nutzungsdauer von zehn Jahren ergibt sich somit eine Stromeinsparung von 1.400 MWh. Bei einem angenommenen Strompreis von 0,15 €/kWh amortisiert sich die Effizienzmaßnahme ohne Förderung nach ca. sieben Jahren, mit maximaler Förderung bereits nach fünf Jahren.

Der Kosten-Nutzen-Wert des Projekts ergibt sich aus dem Quotienten der beantragten Fördersumme (Kosten) und der Stromeinsparung über die gesamte Nutzungsdauer eingesetzten Hocheffizienztechnik (Nutzen). Bei Beantragung der maximalen Förderquote von 30 % läge der Kosten-Nutzen-Wert bei 0,032 und damit unterhalb des bei STEP up! zugelassenen Grenzwertes von 0,1 €/kWh. Um die Chance auf den Förderzuschlag im Wettbewerb noch etwas zu erhöhen, könnte eine Fördersumme von nur 42.000 € beantragt werden, was einer Förderquote von 28 % entspricht. Der Kosten-Nutzen-Wert des Projekts würde sich damit auf 0,03 €/kWh reduzieren bzw. verbessern.