Systemische Effizienz in der Rechenzentrumskühlung

Warum Regelung und Systemintegration entscheidend sind

Moderne Rechenzentren verfügen über hochentwickelte Kühlinfrastruktur: Präzisionsklimageräte, leistungsfähige Chiller, drehzahlgeregelte Pumpen, Freikühlsysteme und komplexe Hydraulik. Dennoch wird ein großer Teil dieser Systeme weit unter ihrem möglichen Effizienzgrad betrieben.

Der Grund liegt selten in der Hardware selbst, sondern in der fehlenden systemübergreifenden Optimierung der Regelung.

Viele Anlagen werden als Kombination einzelner Komponenten betrieben, deren Regelung unabhängig voneinander erfolgt. Präzisionsklimageräte regeln Raumtemperaturen, Pumpen reagieren auf Druckdifferenzen und Chiller arbeiten mit festen Vorlauftemperaturen. Dadurch entstehen Regelkonflikte und ineffiziente Betriebspunkte im Gesamtsystem.

Hardwarehersteller liefern in der Regel optimierte Einzelkomponenten. Die energetische Optimierung des gesamten Systems – bestehend aus Hydraulik, Luftführung, Kälteerzeugung und IT-Last – ist jedoch selten Teil dieser Lösungen.

Die größten Effizienzverluste entstehen typischerweise in vier Bereichen.

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1. Zu niedrige Kaltwassertemperaturen

Viele Rechenzentren betreiben ihre Kaltwassersysteme mit Vorlauftemperaturen zwischen 6 °C und 8 °C, obwohl deutlich höhere Temperaturen möglich wären.

Niedrige Vorlauftemperaturen verursachen mehrere Effizienzverluste:

• höherer Verdichter-Lift im Chiller

• geringerer COP der Kälteerzeugung

• reduzierte Freikühlpotenziale

• unnötig hohe Luftvolumenströme

Eine Anhebung der Kaltwassertemperatur um wenige Kelvin kann den Energieverbrauch der Kälteerzeugung erheblich reduzieren und gleichzeitig die Nutzung von Freikühlung verlängern.

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2. Geringe Temperaturspreizung im Hydrauliksystem (Low ΔT Syndrome)

Ein häufiges Problem in Rechenzentren ist eine zu geringe Temperaturspreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf im Kaltwassersystem.

Typische Ursachen:

• überdimensionierte Volumenströme

• ungünstige Regelung der Klimageräte

• hydraulische Fehlanpassungen

• parallele Regelstrategien

Eine geringe Spreizung führt zu:

• höheren Pumpenleistungen

• schlechterem Teillastbetrieb der Chiller

• reduzierter Effizienz der Wärmetauscher

Durch eine systemische Optimierung der Volumenströme und der Kühlregisterregelung lässt sich die Temperaturspreizung deutlich verbessern.

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3. Überhöhte Luftvolumenströme im Serverraum

Präzisionsklimageräte werden häufig mit hohen Luftvolumenströmen betrieben, um mögliche Hotspots sicher zu vermeiden.

Das führt zu:

• erhöhtem Ventilatorstromverbrauch

• unnötiger Luftzirkulation im Raum

• ineffizientem Wärmeübergang

Durch eine Analyse der thermischen Lastverteilung und eine optimierte Luftführung lassen sich Luftmengen deutlich reduzieren, ohne die thermische Sicherheit der IT zu gefährden.

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4. Ineffizienter Teillastbetrieb der Kälteerzeugung

Rechenzentren arbeiten häufig im Teillastbereich. Viele Chilleranlagen erreichen ihren besten Wirkungsgrad jedoch nur in bestimmten Betriebsbereichen.

Ohne koordinierte Regelstrategie entstehen typische Probleme:

• unnötige Zuschaltung zusätzlicher Chiller

• ineffiziente Lastverteilung

• ungünstige Betriebszustände der Verdichter

Eine systemische Steuerung kann die Lastverteilung zwischen den Kältemaschinen optimieren und damit den COP des Gesamtsystems verbessern.

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Modellbasierte Optimierung der Kühlinfrastruktur

CPI verfolgt einen Ansatz der modellbasierten Systemoptimierung, bei dem das gesamte Kühlsystem als thermodynamisches Gesamtsystem betrachtet wird.

Dabei werden unter anderem folgende Parameter analysiert:

• IT-Lastverteilung im Serverraum

• Luftströmungen und Temperaturfelder

• hydraulische Betriebszustände

• Chillerkennlinien und Teillastverhalten

• Freikühlpotenziale

Auf dieser Basis können optimierte Regelstrategien entwickelt werden, die den energetisch optimalen Betriebspunkt des Systems bestimmen.

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Modellprädiktive Regelung

Ein besonders wirkungsvoller Ansatz ist die modellprädiktive Regelung (MPC).

Hierbei werden nicht nur aktuelle Messwerte berücksichtigt, sondern auch:

• thermische Trägheit der Infrastruktur

• prognostizierte IT-Last

• Wetterdaten und Außentemperaturen

Das System berechnet kontinuierlich die energetisch optimale Kombination aus:

• Kaltwassertemperatur

• Pumpenleistung

• Luftvolumenstrom

• Chillerbetrieb

• Nutzung der Freikühlung

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Auswirkungen auf PUE und Betriebskosten

Durch eine koordinierte Optimierung aller Komponenten lassen sich typische Effekte erzielen:

• höherer COP der Kälteerzeugung

• reduzierte Pumpenleistung

• geringere Ventilatorleistungen

• längere Freikühlphasen

• stabilere Temperaturverhältnisse im Serverraum

Diese Effekte wirken direkt auf die Power Usage Effectiveness (PUE) des Rechenzentrums.

In vielen Anlagen lassen sich durch eine regelungsbasierte Systemoptimierung zweistellige Energieeinsparungen in der Kühlinfrastruktur erreichen – ohne Austausch der bestehenden Technik.

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Intelligenter Betrieb statt zusätzlicher Hardware

Während klassische Anbieter vor allem Kühlgeräte und Infrastruktur liefern, konzentriert sich CPI auf die Optimierung des Gesamtsystems im Betrieb.

Der Fokus liegt auf:

• systemischer Analyse der Kühlinfrastruktur

• thermodynamischer Modellierung

• datenbasierter Betriebsoptimierung

• intelligenter Regelstrategie

So wird aus vorhandener Kühltechnik ein deutlich effizienteres System.

 

Nicht mehr kühlen – intelligenter kühlen.