RZ-Klimatisierung per eChiller: Wie effiziente RZ-Wasser­kühlung arbeitet

Die vakuum­dichte H₂O-Kälte­maschine

Von Florian Hanslik, Efficient Energy

Konventionelle Kältemaschinen werden in der Regel mit fluorierten Kältemitteln (FKW und HFKW) betrieben, die als Treibhausgase bekannt und reglementiert sind. Vor dem Hintergrund des weltweit wachsenden Kältebedarfs haben die europäischen Behörden mit verschärften Umweltanforderungen und der F-Gase-Verordnung Nr. 517/2014 reagiert. Dies führt dazu, dass die Kosten für konventionelle Kältemittel und die Wartung der Anlagen, die damit betrieben werden, weiter steigen. Dies bekommen die Betreiber von Serverräumen bei ihrer Betriebskostenabrechnung zu spüren.

Alternativen sind gefragt. Ein offensichtlicher Lösungsansatz sind Kältemaschinen, die ohne (teilweise) halogenierte Fluorkohlenwasserstoffe auskommen und stattdessen auf ein Kältemittel setzen, das ein niedriges Treibhauspotenzial aufweist: R718, also Wasser. Wasser ist aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften besonders klima- und umweltfreundlich, es hat einen GWP-Wert (Global Warming Potential) von 0, es ist nicht nur CO₂-neutral, sondern auch ungiftig, leicht zu handhaben, gut verfügbar und natürlich auch nicht brennbar.

Ausgezeichnete eChiller-Technologie

Auch aus Gründen der Energieeffizienz erlebt die Wasserkühlung derzeit eine regelrechte Renaissance in der RZ-Klimatisierung. Größere Hochleistungsrechner können das Warmwasser bereits als Heizenergiequelle für die Gebäude nutzen oder ins Fernwärmenetz einspeisen. Auch andere wassergekühlte Systeme, zum Beispiel von Cloud&Heat Technologies aus Dresden, verwenden die Abwärme der Server für Heizzwecke. Tatsächlich besteht eine der Hauptschwierigkeiten der Wasserkühlung derzeit darin, die Lösungen auch für überschaubare Rechenzentren praktikabel zu machen. So hat die niederbayerische Thomas-Krenn.AG hat unter dem Namen Hot Fluid Computing einen Wasserkühlkreislauf für kleine bis mittlere RZ entwickelt.

Blick in den eChiller. Als Kältemittel kommt reines Wasser zum Einsatz. (Bild: Efficient Energy)

Bereits serienreif ist der Kaltwassersatz, den die Efficient Energy GmbH aus Feldkirchen bei München unter dem Namen eChiller anbietet. Der eChiller ist eine Kompressionskältemaschine für den Leistungsbereich 35 kW, die mit reinem Wasser als Kältemittel arbeitet – und noch dazu je nach Anwendung bis zu 80 % Energie spart. Die Lösung gewann im September den RAC Cooling Award 2017 in London, sie erhielt im Juni den Partslife-Umweltpreis 2017 und erreichte im April 2017 auf der Future Thinking in Darmstadt den ersten Platz des Deutschen Rechenzentrumspreises 2017 in der Kategorie RZ-Klimatisierung und Kühlung. Bereits 2016 wurde der eChiller vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) im Zuge der Nationalen Klimaschutzinitiative mit dem Deutschen Kältepreis 2016 ausgezeichnet. Derzeit ist die Anlage für Bundespreis ecodesign 2017 nominiert.

Funktionsweise und Einsatzfelder

Der eChiller arbeitet mit der Direktverdampfung von Wasser in einem vakuumdichten, geschlossenen Kreislauf, der über Plattenwärmeübertrager hydraulisch vom externen Kühl- und Kaltwasserkreis getrennt ist. Besondere Bedeutung haben dabei zwei identisch aufgebaute Kältemodule, in denen jeweils der komplette thermodynamische Kreisprozess abgebildet ist. In jedem Modul befinden sich ein Verdichter, ein Verdampfer, ein Verflüssiger sowie das Expansionsorgan: Wasser tritt in den Verdampfer ein, ein Teil verdampft und entzieht dadurch dem restlichen Wasser Energie, wodurch es sich abkühlt. Der Wasserdampf wird von dem Turboverdichter mit einer Drehzahl von bis zu 90.000 U/min verdichtet, wobei sich Druck und Temperatur des Dampfes erhöhen. Der komprimierte Wasserdampf kondensiert im Verflüssiger und erwärmt so den Kühlwasserstrom. Das kondensierte Wasser wird schließlich in den Verdampfer zurückexpandiert.

Funktionsschema des eChillers (Bild: Efficient Energy)

Die Verschaltung der Kältemodule bewirkt, dass die Anlage immer im optimalen Arbeitsbereich arbeitet, sodass die geforderte Kälteleistung mit minimalem Energieaufwand erzeugt werden kann. Der eChiller kann über eine integrierte SPS-Schnittstelle an alle externen Kommunikationssysteme angeschlossen werden. Die Maschinensteuerung enthält die komplette Regelungstechnik für die notwendigen Peripheriegeräte (Kalt-/Kühlwasserpumpen, Rückkühler, Ventile usw.). Dadurch wird erreicht, dass der eChiller im Verbund mit der Gesamtanlage immer am energetisch sinnvollsten Punkt betrieben wird. Da die Anlage bereits bei Kühlwassertemperaturen, die nur geringfügig unterhalb der geforderten Kaltwassertemperatur liegen, in den Freikühlmodus schaltet, erreicht die Maschine COP-Werte (Coefficient of Performance) von über 120. Das bedeutet, dass die Leistungsaufnahme weniger als 300 W beträgt, um die Nennkälteleistung von 35 kW zu erbringen. Den Leistungsbereich von 35 kW kann man durch traditionelle modulare Zusammenschaltung der Maschinen beliebig erweitern.

Der COP (Coefficient of performance) ist ein Maß der Effizienz, das die erbrachte Kälteleistung zum Energieaufwand ins Verhältnis setzt. (Bild: Efficient Energy)

Energieoptimierte Selbstregelung

Der eChiller kennt (außer Stand-by) vier Betriebszustände, die das System je nach Kühlwassertemperatur regelt (die Temperaturangaben beziehen sich alle auf den Nennarbeitspunkt sowie den Kaltwasserein- und -austritt von 28 °C auf 22 °C und eine Kälteleistung von 35 kW):

• FreeCooling: < 18 °C – beide Module nehmen nicht aktiv am Prozess teil, maximaler COP.
• FreeCooling PLUS: 18–24 °C – ein Modul komplettiert die geforderte Kälteleistung.
• Stage I: 24–30 °C – ein Modul erzeugt den Temperaturhub und die geforderte Kälteleistung.
• Stage II: 30–45 °C – beide Module erzeugen den Temperaturhub und die geforderte Kälteleistung in Serie.

Bewährung in der Praxis

Anwendungsfälle mit einem kontinuierlichen Kühlbedarf bei gleichzeitig hohem Kaltwasserniveau sind der ideale Einsatzbereich dieses innovativen Kaltwassersatzes. Es können Kaltwasseraustrittstemperaturen von 16 °C bis 22 °C erzeugt werden – ideal zur Kühlung von Serverräumen und ein Bereich, den herkömmliche Kältemaschinen nur teilweise abdecken können. In verschiedenen Referenzprojekten wird der eChiller bereits zur Kühlung von Serverräumen und Rechenzentren verwendet, etwa bei der DMK Deutsches Milchkontor GmbH und der Sparkassen IT Calw GmbH & Co. KG. Die Server werden dort mit 20 bis 26 °C kalter Luft gekühlt, die der eChiller erzeugt: Kaltluft wird mit Ventilatoren durch die Server transportiert und nimmt die Abwärme der Elektronik auf. Die erwärmte Abluft wird dann von einem Kühler, der mit dem eChiller verbunden ist, wieder auf die Zulufttemperatur gekühlt. Die Rückkühlung (Wärmeabgabe an die Umgebung) erfolgt über Trockenkühler und Solekreislauf. Für die erforderliche Redundanz ist ein herkömmlicher Kaltwassersatz mit HFKW als Kältemittel installiert worden. Das ist insofern interessant, als ein direkter Energieeffizienzvergleich möglich ist: Von Juni 2016 bis Februar 2017 erzeugte der eChiller etwa 80 MWh Kälte, wozu er etwa 4 MWh Strom benötigte – was unter anderem daran liegt, dass die Maschine ab Oktober überwiegend im Freikühlbetrieb arbeitete und in dieser Zeit eine Leistungsaufnahme von nur ca. 300 W hat. Damit ist der eChiller etwa sechsmal effizienter als die HFKW-Redundanzmaschine.

Die Klimatisierung des DMK-Rechenzentrums in Bremen erfolgt seit Dezember 2014 mit dem eChiller. Dort werden Server mit einer Leistung von 21 kW betrieben, wobei derzeit eine maximale Kühlleistung von ca. 30 kW, bei einer maximal zulässigen Kaltgangtemperatur von 26 °C, abgedeckt wird. Beim Milchkontor ist die Redundanz ebenfalls in Gestalt einer Standardkälteanlage (mit R410A) und Freikühlung installiert, sodass man auch hier beiden Maschinen, die über den gesamten Versuchszeitraum parallel betrieben wurden, direkt vergleichen konnte: Die über das gesamte Jahr gemittelte Kälteleistungszahl betrug ca 26 kWh Nutzen pro kWh Aufwand und lag damit um den Faktor 6 höher als die der Redundanzanlage.

Neben der Kühlung von Serverräumen eignet sich der eChiller auch zur Kühlung von industriellen Anwendungen, zum Beispiel im Kunststoffspritzguss, in der chemischen Industrie oder bei Bioreaktoren. Bei der Gebäudekühlung kommt der eChiller insbesondere bei der Bauteilaktivierung oder bei Kühldecken zur Anwendung.

Effizient und zukunftsfähig

Ein wesentlicher Aspekt der Wasserkühlung sind die deutlich geringeren Kosten. Die Einsparung ergibt sich zum einen aus der Effizienz und dem reduzierten Stromverbrauch: Hochgerechnet hat sich in nunmehr 360 Betriebsmonaten eine Einsparung von 1120 t CO₂-Äquivalent ergeben, was Strom für ca. 390.000 Euro entspricht. Die Leistungsdaten sind zudem durch mehrere unabhängige Messungen, u.a. durch den TÜV in Anlehnung an DIN EN 14511-2 bestätigt. Zum anderen wirkt sich der minimale Wartungsaufwand positiv aus: Wasser als Kältemittel fällt nicht unter die F-Gase-Verordnung, und damit greift die gesetzliche Wartungs- und Meldepflicht nicht. Nach Außerbetriebnahme der Anlage kann das als Kältemittel verwendete Wasser problemlos der Abwasserentsorgung zugeführt werden. In der Regel werden die Anlagen mit Leitungswasser befüllt, das am Installationsort der Anlage aus dem Versorgungsnetz entnommen wird. Zudem ist die Anlage BAFA-förderfähig.

Nützliche Links

• Fließpressverfahren
• HPC-Kühlung
• NeRZ (Netzwerk energieeffiziente Rechenzentren)
• Server-Klimasysteme
• Wasserkühlung im Rechenzentrum