HVAC-Lösungen helfen Rechenzentren, Nachhaltigkeit zu erreichen

Oct 26, 2023

Das Wachstum von Rechenzentren ist in den letzten Jahren explosionsartig gestiegen; Dieser erhöhte Bedarf an Datenverarbeitung hat jedoch seinen Preis, da Rechenzentren für ihren enormen Energieverbrauch und ihren CO2-Fußabdruck bekannt sind. Tatsächlich verbrauchen Rechenzentren nach Angaben des Energieministeriums (DOE) das 10- bis 50-fache an Energie pro Grundfläche eines typischen kommerziellen Bürogebäudes, was etwa 2 % des gesamten US-Stromverbrauchs ausmacht.

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Um dieses Problem anzugehen, wurde mehr Wert auf die Förderung der Nachhaltigkeit in Rechenzentren gelegt. HLK-Systeme spielen eine große Rolle bei der Erreichung der Nachhaltigkeit, da diese Geräte dafür verantwortlich sind, dass die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einem Rechenzentrum 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche im akzeptablen Bereich bleiben. Durch die Implementierung nachhaltiger HVAC-Lösungen können Rechenzentrumsbetreiber ihren Energieverbrauch und ihre Umweltbelastung erheblich reduzieren.

Ein nachhaltiges Rechenzentrum zielt darauf ab, die Notwendigkeit einer zuverlässigen und effektiven Datenverarbeitung mit der Notwendigkeit einer Minimierung der Umweltauswirkungen in Einklang zu bringen. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeitet ein nachhaltiges Rechenzentrum aktiv daran, Stromverbrauch, Energie, Wasser und CO2-Emissionen zu reduzieren, sagte Michael Strouboulis, Leiter Geschäftsentwicklung, Rechenzentren, bei Danfoss.

„Verringerung der Stromverbrauchseffektivität (PUE), die das Verhältnis des Gesamtstroms, der in das Rechenzentrum gelangt, zum Stromverbrauch der Informationstechnologieausrüstung (ITE) misst, sowie der Wasserverbrauchseffektivität (WUE) und der Kohlenstoffnutzungseffektivität (CUE). ) und die zunehmende Wiederverwendung von Energie (ERE) sind der Schlüssel zum Erreichen der Nachhaltigkeits- und Netto-Null-Kohlenstoff-Ziele“, sagte Strouboulis. „Der Übergang zu allen vier dieser Kennzahlen erfordert natürlich die Betrachtung der gesamten Rechenzentrumsinfrastruktur, einschließlich der mechanischen Systeme, die die Kühlung des Rechenzentrums und das ITE-Wärmemanagement unterstützen und bis zu 30 % bis 40 % des Stroms in die Anlage ausmachen .“

Nachhaltige Rechenzentren streben außerdem danach, CO2-Neutralitätsziele zu erreichen und CO2-Emissionen zu senken, indem sie erneuerbare Energiequellen nutzen und energieeffiziente HVAC-Geräte und Überwachungstechnologien einsetzen, während sie gleichzeitig eine zuverlässige und effektive Stromversorgung gewährleisten, sagte Mukul Anand, Global Director of Business Development Globale HVAC-Produkte bei Johnson Controls.

„Digital ausgestattete BMS- und Optimierungssoftware bietet Einblicke und Kontrolle, die Facility Managern dabei helfen, Gebäude so effizient wie möglich zu betreiben“, sagte Anand. „Einige Facility Manager arbeiten auch mit HVAC-Herstellern zusammen, um Möglichkeiten zu finden, Abwärme in anderen Gebäudebereichen zu nutzen und so den Einsatz fossiler Brennstoffe zu minimieren. Als Reaktion darauf entwickeln HVAC-Ingenieure Produkte, die diese Abwärme sehr effizient nutzen können.“

Nachhaltigkeit in einem Rechenzentrum erstreckt sich nicht nur auf die Stromquellen, sondern umfasst auch dessen Konstruktion und Design. Beispielsweise müssen die verwendeten Materialien und Komponenten langlebig sein und den Abfall minimieren, indem unnötige Reparaturen und Ersetzungen vermieden werden, sagte Rachel (Ray) Larimore, Projektmanagerin bei Ruskin.

„Das Design sollte außerdem den Platz maximieren und gleichzeitig eine einfache Wartung ermöglichen“, sagte Larimore. „HVAC-Systeme sind für Wartungszwecke im Allgemeinen schwer zugänglich, da sie meist in Wände und hohe Decken eingebaut sind. Besitzer von Rechenzentren legen jedoch besonderen Wert darauf, ihre Anlagen unter Berücksichtigung von Wartungsplänen und Langlebigkeit zu gestalten.“

Schließlich verfügen nachhaltige Rechenzentren über eine End-of-Life-Strategie, die Abfall und Umweltschadstoffe begrenzt, was ein zentraler Aspekt dieser Art von Einrichtungen ist, sagte Justin Scott, Anwendungsingenieur bei Infinitum.

„Betreiber müssen Kältemittel und andere Flüssigkeiten verantwortungsvoll entsorgen und mit Partnern zusammenarbeiten, um Komponenten und Unterkomponenten zu recyceln oder wiederaufbereiten“, sagte Scott. „In Rechenzentren gibt es außerdem Tausende von Motoren mit wertvollen Materialien wie Aluminium, Stahl und Magneten, die von einer Sanierung und Wiederverwendung profitieren würden, anstatt auf einer Mülldeponie geworfen zu werden.“

Nachhaltigkeit in einem neuen oder bestehenden Rechenzentrum zu erreichen, kann eine Herausforderung sein, da es schwierig sein kann, Designbedingungen und Energieeffizienz in Einklang zu bringen. Die Betriebszeit ist für Rechenzentren von entscheidender Bedeutung, daher muss die HVAC-Ausrüstung so ausgelegt sein, dass die Anlage auch unter den extremsten Bedingungen betriebsbereit bleibt, sagte Anand.

OPTIMALE VERFÜGBARKEIT: In Rechenzentren laufen Prozesse rund um die Uhr, daher sind Verfügbarkeit und betriebliche Effizienz von größter Bedeutung. (Mit freundlicher Genehmigung von Danfoss)

„Dennoch ist ein Rechenzentrum möglicherweise nur wenige Male – wenn überhaupt – extremen Bedingungen ausgesetzt, und dies kann zu einem Kompromiss in Bezug auf Nachhaltigkeit führen“, sagte Anand. „Das liegt daran, dass Geräte typischerweise unter Bedingungen betrieben werden, für die sie ursprünglich nicht ausgelegt waren, und das kann zu einer verminderten Energieeffizienz führen.“

Eine weit verbreitete Technologie zur Steigerung der Nachhaltigkeit und Reduzierung des Energieverbrauchs in Rechenzentren ist die Freikühlung. Unter freier Kühlung versteht man die Nutzung kühlerer Außenluft, um die Temperatur des Kühlwassers oder der Kühlluft der Anlage zu senken, ohne dass eine mechanische Kühlung erforderlich ist. Durch den Einsatz von Freikühlung können HVAC-Systeme insbesondere in Regionen mit mildem Klima den Energieverbrauch und die Betriebskosten deutlich senken.

„Rechenzentren nutzen direkte Verdunstungskühlung, um Kühlung zu erreichen, was wasser- und energieintensiv sein kann“, sagte Anand. „Wir sehen dort eine Verschiebung. Fortschritte bei luftgekühlten Kältemaschinen ermöglichen stattdessen den Einsatz von Sparmaßnahmen. Einige luftgekühlte Kältemaschinen verfügen über zusätzliche Freikühlschlangen, die freie Kühlung erzeugen, wenn die Umgebungsbedingungen milder oder kälter sind. Die neuesten luftgekühlten Kältemaschinen arbeiten unter umgekehrten Bedingungen, was bedeutet, dass sie auch ohne Freikühlschlangen für freie Kühlung sorgen können und so eine hervorragende Effizienz bei niedrigen Umgebungsbedingungen bieten. Diese leichteren Kältemaschinen ermöglichen auch einen geringeren CO2-Fußabdruck.“

EINSPARMASSNAHMEN: Der Einsatz effizienter Motoren – wie der Infinitum-Motoren, die in dieser Lüfteranordnung für Rechenzentren verwendet werden – kann zu Einsparungen von 10 % beim Energieverbrauch und den Kosten führen. (Mit freundlicher Genehmigung von Infinitum)

Der Einsatz energieeffizienter Motoren und drehzahlvariabler Antriebe (VSDs) ist auch für die Optimierung des Energieverbrauchs von Kühlsystemkomponenten wie Kompressoren, Lüftern und Pumpen von entscheidender Bedeutung. Der VSD ermöglicht es, die Motorleistung an den Rechenbedarf anzupassen und Energie zu sparen, indem er zu jedem Zeitpunkt genau die Menge an Leistung liefert, die gerade benötigt wird, sagte Strouboulis.

„Der Effekt, den VSDs auf den Energieverbrauch haben, ist enorm“, sagte er. „VSD-Kältemaschinen mit ölfreien Magnetlagern gehören zu den effizientesten Geräten in Rechenzentren, da sie während ihres gesamten Lebenszyklus eine effiziente Wärmeübertragung und zuverlässige Kühlung bieten, ohne dass Wartungsanforderungen und Leistungseinbußen bei anderen Typen auftreten.“ von Kompressoren.“

Der Einsatz effizienter Komponenten in HVAC-Geräten zur Verbesserung der Nachhaltigkeit ist wichtig, stimmt Scott zu, insbesondere in Rechenzentren mit Nutzungszyklen. Als Beispiel nennt er Netflix und weist darauf hin, dass in deren Rechenzentren um 20 Uhr eine Spitzenlast auftreten kann, wenn Benutzer Inhalte streamen, und um 8 Uhr morgens eine geringere Last. Angesichts dieses Nutzungsprofils wäre es sinnvoll, die Belastung des HVAC-Systems während dieser Zeit zu verringern die Morgenstunden.

„EC-Motoren, die zusammen mit einem effizienten Lüfter verwendet werden, ergeben einen hocheffizienten EC-Lüfter mit einer flachen Effizienzkurve bei Voll- und Teillastbedingungen“, sagte Scott. „EC-Motoren können mit variabler Drehzahl und Teillasteffizienz betrieben werden und sparen so in Schwachlastzeiten Energie. Einige sind in der Lage, über einen breiten Last- und Geschwindigkeitsbereich hinweg einen hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten. Durch den Einsatz effizienterer Motoren wie EC-Motoren können insgesamt 10 % des Energieverbrauchs und der Kosten eingespart werden.“

Der Stromverbrauch in einem Rechenzentrum könne auch durch den Einsatz energieeffizienter Steuerungen und eine sorgfältige Planung zur Reduzierung des Energiebedarfs für den Betrieb von HVAC-Systemen gesenkt werden, sagte Larimore. Sie sagte beispielsweise, dass es möglich sein könnte, die Anzahl der zur Modulation des Luftstroms verwendeten Aktuatoren zu reduzieren, indem man die Anzahl der Abschnitte verringert oder die Installationsorte optimiert, um mehrere Klappenabschnitte von einem einzigen Aktuator aus anzutreiben. Dadurch kann der Gesamtstrombedarf im Design reduziert werden.

„Auch das Luftstromdesign muss berücksichtigt werden“, sagte Larimore. „In einem Rechenzentrum ist es von großer Bedeutung, die Elektronik kühl zu halten, um Ausfälle zu vermeiden. Anstatt eine Überkompensation durch die Zufuhr zusätzlicher Luft vorzunehmen, sollten HVAC-Geräte so konzipiert sein, dass sie den Luftstrom und die Zirkulation optimieren, um das Gebäude auf der erforderlichen Temperatur und mit ausreichend sauberer Luft zu halten, ohne Verschwendung zu verursachen.“

Der Trend zu nachhaltigen Rechenzentren wird sich angesichts der steigenden Nachfrage nach digitalen Diensten und des wachsenden Bewusstseins für die Auswirkungen dieser Art von Einrichtungen auf die Umwelt wahrscheinlich fortsetzen. Daher wird sich die für Rechenzentren entwickelte HVAC-Ausrüstung ständig weiterentwickeln. Beispielsweise ist Präzisionsluft heute das wichtigste Mittel zur Kühlung von Rechenzentren, und das wird auch für Rechenzentren mit „niedriger Rack-Leistungsdichte“ noch einige Zeit gelten, sagte Strouboulis.

„Mit der Verbreitung von Hochleistungsrechnen (HPC), künstlicher Intelligenz (KI), maschinellem Lernen (ML), IoT und anderen sich entwickelnden Computertechnologien steigt jedoch die Leistungsdichte in Racks, und Flüssigkeitskühlung wird für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit immer wichtiger.“ und Leistung“, sagte er. „Zum Beispiel sind CRAC/CRAH- und reihenbasierte Containment-Kühllösungen bis zu 15 bis 20 kW ideal, aber ab einem Punkt, vielleicht um die 20 kW, sind sie nicht mehr kosteneffektiv oder effizient. An diesem Punkt beginnen Sie, sich mit anderen Techniken zu befassen, die näher an der Wärmequelle kühlen und sich sehr nahe an den Racktüren oder sogar noch näher daran befinden, da diese Techniken Mikrochips direkt durch Direct-to-Chip kühlen Immersionsflüssigkeitskühlung.“

Im Vergleich zur herkömmlichen Luftkühlung leitet die Flüssigkeitskühlung die Wärme effizienter von elektrischen Komponenten ab, sagte Scott. Denn die Wärmetransportfähigkeit von Flüssigkeiten kann bis zu 3.500-mal größer sein als die von Luft.

„Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Flüssigkeitskühlung anzuwenden, und jede hat ihre Herausforderungen“, sagte er. „Ein Ansatz besteht darin, Flüssigkeit zum Chipsatz zu bringen, um Wärme abzuleiten. Das ist zwar gut für den Prozessor, kühlt aber andere Komponenten nicht. Ein zweiter Ansatz besteht darin, das Rack mit Flüssigkeitskühlung zu versorgen, wo Luft die Kühlung ergänzt. Ein dritter Ansatz ist die Tauchkühlung von Serverracks in einem Tank, wobei die Flüssigkeit die Serverplatinen umgibt und Wärme abführt. Die Herausforderung besteht darin, Teile in die Flüssigkeit hinein und aus ihr heraus zu bewegen und möglicherweise andere Komponenten zu verunreinigen/beschädigen. Bei der Flüssigkeitskühlung benötigen Sie immer noch herkömmliche Luftkühler, Kältemaschinen und Verdunstungskühlung.“

SPITZENEFFIZIENZ: Der luftgekühlte Zentrifugalkühler mit Magnetlager von York YVAM kann den Stromverbrauch des Kühlers bei Volllast reduzieren und einen Spitzenwirkungsgrad erzielen, der über die typischen Industriestandards hinausgeht. (Mit freundlicher Genehmigung von Johnson Controls)

Apropos Kältemaschinen: Es stehen neue Technologien zur Verfügung, die Auftragnehmern dabei helfen können, nachhaltigere Rechenzentrumssysteme zu entwerfen. Insbesondere reibungsarme, luftgekühlte, magnetgelagerte Zentrifugalkühler können den Stromverbrauch des Kühlers bei Volllast reduzieren und einen Spitzenwirkungsgrad erzielen, der über die typischen Industriestandards hinausgeht, sagte Anand. Darüber hinaus kann die elektrische Infrastruktur, die die Kältemaschine mit Strom versorgt – einschließlich Transformatoren, unterbrechungsfreier Stromversorgung (USV), Generatoren, automatischer Umschalter und Schaltanlagen – kleiner dimensioniert werden, was zu ersten Kosteneinsparungen führt.

„Es sind auch Kühlprodukte erhältlich, die Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotenzial verwenden, um den Ressourcenverbrauch weiter zu minimieren und die Auswirkungen auf die Gemeinschaft und den Planeten zu verringern“, sagte Anand. „Darüber hinaus arbeiten HVAC-Ingenieure an leiseren Produkten, die weniger natürliche Ressourcen verbrauchen und einen größtmöglichen Anteil an recycelbaren Inhaltsstoffen aufweisen.“

Ein weiterer Faktor, der die zukünftige Gestaltung von HVAC-Geräten beeinflussen wird, sind die steigenden Immobilienpreise.

„Da Land an wichtigen Standorten wie Ashburn, Phoenix, Dallas und Silicon Valley so wertvoll ist, wachsen Rechenzentren jetzt eher vertikal als horizontal“, sagte Anand. „Wenn ein Rechenzentrum vertikal wächst, nimmt die zu kühlende Innenfläche zu, nicht aber die Dachfläche für die Platzierung von Kühlgeräten. Mehrstöckige Rechenzentren sind eine der Herausforderungen, die weiterhin Innovationen im Design von HVAC-Geräten vorantreiben.“

Auftragnehmer können ihren Rechenzentrumskunden dabei helfen, Wege zur Verbesserung ihrer Nachhaltigkeit zu finden, indem sie ihre Betriebsbedingungen aus drei verschiedenen Perspektiven bewerten, sagte Mukul Anand von Johnson Controls:

„Während die ersten beiden ziemlich selbsterklärend sind, basiert die dritte auf dem Verständnis von Einrichtungstrends“, sagte Anand. „Wenn ein Rechenzentrum zum Beispiel normalerweise um 8 Uhr morgens die Wärmeerzeugung hochfährt, kann es automatisiert werden, um die Kapazität ab 7 Uhr morgens schrittweise hochzufahren, anstatt um 7:59 Uhr die 100-prozentige Kapazität zu erreichen. Dadurch können Systemspitzen minimiert und verbessert werden.“ Energieeffizienz und verlängern die Lebensdauer der Geräte.“

Für Auftragnehmer kann es manchmal schwierig sein, diese Art von Informationen zu erhalten, da einige Rechenzentren – aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Cybersicherheit und des Datenschutzes – ihre eigenen Echtzeit-KI-gestützten Überwachungs- und Nachverfolgungssysteme entwickelt haben, die zur Optimierung von Abläufen, Vorhersagen und Service eingesetzt werden Wartung, Optimierung des Energieverbrauchs, Kapazitätsmanagement und Planung, sagte Michael Strouboulis von Danfoss.

„Es gibt jedoch SaaS-Pakete von Drittanbietern, die zusätzliche Einblicke bieten, wie etwa prädiktive Analysen, um Unternehmens- und Edge-Rechenzentren zu bedienen“, sagte er. „Energieaudits und die Installation intelligenter Geräte wie Energiemessgeräte können dabei helfen, Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren. Auftragnehmer können auch Sensoren installieren, die Informationen an die cloudbasierte Überwachung wesentlicher Komponenten des Kühlsystems weiterleiten, um sicherzustellen, dass die Systeme mit Höchstleistung laufen und dadurch die CO2-Emissionen reduziert werden.“

Joanna Turpin ist leitende Redakteurin. Sie kann unter 248-786-1707 oder [email protected] kontaktiert werden. Joanna ist seit 1991 bei BNP Media und leitete zunächst die technische Buchabteilung des Unternehmens. Sie erwarb ihren Bachelor-Abschluss in Englisch an der University of Washington und arbeitete an ihrem Master-Abschluss in technischer Kommunikation an der Eastern Michigan University.