FanGrids richtig auslegen

Mit EC-Ventilatoren zur effizienten Kühlung von Rechenzentren


Mobiles Internet, Cloud-Computing und zunehmende industrielle Vernetzung treiben die Datenmenge, die in Rechenzentren verarbeitet wird, in die Höhe. Für einen effizienten Betrieb der Rechenzentren spielt die Kühlung eine zentrale Rolle. Hauptkostentreiber in Rechenzentren ist der Energieverbrauch – und hier ist die Kühlung ein entscheidender Faktor. Aktuell verursacht sie durchschnittlich rund 37 Prozent der Energiekosten – bei älteren Anlagen ist dieser Anteil sogar noch höher.

Energiekosten: der Schlüssel für einen wirtschaftlichen Betrieb

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Bild 1a: Dieses FanGrid besteht aus rückwartsgekrümmten Radialventilatoren der Baureihe RadiPac.

Der Schlüssel zu einem wirtschaftlicheren Betrieb liegt daher in der Verringerung dieses Postens. Effiziente Kühlkonzepte basieren heutzutage häufig auf freier Kühlung und kommen oft auch ohne Kompressions-Kälteanlagen aus. Moderne Anlagen nutzen die Außenluft, häufig auch kombiniert mit einer adiabatischen Kühlung (Verdunstungskühlung), um das Rechenzentrum entsprechend zu klimatisieren. Allerdings benötigen diese Kühlkonzepte hohe Luftvolumina. Um den gestiegenen Bedarf der Luftleistung zu decken, werden vermehrt die sogenannten FanGrids – ein System aus parallel arbeitenden radialen oder axialen Ventilatoren – eingesetzt (Bild 1a und 1b).

Transport der Luftströme

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Bild 1b: FanGrid mit Axialventilatoren.

Bei der freien Kühlung wird zwischen indirekter und direkter freier Kühlung unterschieden. Die indirekte freie Kühlung funktioniert über zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe. Die kühle Außenluft wird nicht direkt in das Rechenzentrum geleitet, sondern dient dazu, über einen Wärmetauscher den Umluftstrom im Rechenzentrum zu kühlen. Im Gegensatz dazu saugt die direkte freie Kühlung die kalte Außenluft an, filtert und leitet sie direkt in das Rechenzentrum. Bei dieser Methode werden zusätzliche Außenluftfilter benötigt, um die Qualität und Reinheit der Luft zu gewährleisten. Welches Prinzip letztlich in Frage kommt, ist von Anforderungen, Standort und Größe des Rechenzentrums abhängig.

FanGrids nach Maß

ebm-papst unterstützt seine Kunden bei der optimalen Auslegung der FanGrids. Dabei nutzt das Unternehmen eine zum Patent angemeldete Produktselektor-Software FanScout. Anhand gegebener Parameter wie dem zur Verfügung stehenden Einbauraum, den benötigten Betriebspunkten oder der gewünschten Redundanz wird das wirtschaftlichste System ermittelt. Die Software berücksichtigt hierbei die Lebenszykluskosten, also die Anschaffungs- und die Betriebskosten, über einen definierten Zeitraum.

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Bild 2: Die blauen Punkte symbolisieren verschiedene Betriebspunkte, je größer die Punkte desto mehr Betriebsstunden entfallen auf diesen Betriebspunkt.

Bislang wurden FanGrids oft auf Basis des Betriebspunktes mit der höchsten Luftmenge (Maximalbetriebspunkt) ausgelegt. Dieser wird jedoch nur selten erreicht – üblicherweise dann, wenn das Data Center bei voller Auslastung und hohen Außentemperaturen im Sommer betrieben wird. Die meiste Zeit im Jahr läuft die Data-Center-Kühlung allerdings im Teillastbetrieb. Aus diesem Grund können in der Auslegungssoftware von ebm-papst bis zu fünf verschiedene Betriebszustände (Betriebspunkte) vorgegeben werden. Zu diesen Betriebszuständen wird die jeweilige Betriebsdauer in Stunden pro Jahr hinterlegt. Daraus ergeben sich gewichtete Betriebspunkte, die den Betrieb über ein Jahr hinweg abbilden.

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Bild 3: Wird der jährliche Energieverbrauch des FanGrids mittels gewichteter Betriebspunkte statt im maximalen Betriebspunkt berechnet, liegt der reale Energieverbrauch um 20.000 kWh niedriger, das Beispiel zeigt die Rechnung für ein FanGrid mit vier RadiPac Radialventilatoren.

Bild 2 zeigt hierzu ein Beispiel. Anhand dieser Punkte können realistische Werte bezüglich der zu erwartenden Betriebskosten errechnet werden. Die Software verknüpft dabei alle möglichen FanGrid Kombinationen (Art, Größe und Anzahl der Ventilatoren) und ermittelt die energieeffizienteste Variante. Dabei ist es durchaus möglich, dass im Jahresvergleich nicht die Kombination mit der höchsten Effizienz im Maximalbetriebspunkt auch die besten Verbrauchswerte auf Basis der gewichteten Betriebspunkte liefert. Die Berechnung des Energieverbrauchs erfolgt durch die gewichteten Betriebspunkte wesentlich genauer. Bild 3 zeigt beispielsweise die Energieverbrauchsberechnung eines FanGrids mit vier Ventilatoren der Baureihe RadiPac. Der linke Balken zeigt den Energieverbrauch errechnet auf Basis des Maximalarbeitspunktes (etwa 70.000 kWh). Der rechte Balken (etwa 50.000 kWh) zeigt den tatsächlichen Energieverbrauch des FanGrids pro Jahr, errechnet anhand realistisch gewichteter Betriebspunkte.

Immer auf dem neuesten Stand

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Bild 4: Besondere Beachtung beim neuen RadiPac galt dem Lufteintritt in das Laufrad, der Positionierung des Außenläufermotors im Laufrad und dem Schaufelprofil der Laufräder.

Diese Einsparpotenziale lassen sich durch den Einsatz von EC-Ventilatoren in FanGrids erreichen. Denn sie sind äußerst effizient und können jederzeit auf den gewünschten Betriebspunkt geregelt werden. Der neue RadiPac EC-Radialventilator für Raumlufttechnik ist seit Oktober 2015 erhältlich (Bild 4). Die Ventilatoren sind nicht nur bis zu 13 Prozent effizienter als ihre Vorgänger, sondern auch um über 3 dB (A) leiser. Sein optimiertes Abströmverhalten sorgt für eine optimale Strömungsführung, auch bei geringem Platzangebot (Bild 5).

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Bild 5: Der neue RadiPac EC-Radialventilator ist nicht nur 13 Prozent effizienter als sein Vorgänger, sondern auch 3 dB (A) leiser. Sein optimiertes Abströmverhalten sorgt für eine optimale Strömungsführung auch bei geringem Platzangebot.

Setzt ein Rechenzentrumsbetreiber den neuen RadiPac also in seinen FanGrids ein, ist ein effizienter Betrieb auf kleinem Bauraum möglich. Ein weiterer Faktor, der in der Praxis häufig vernachlässigt wird, sind Einbauverluste. Wenn Ventilatoren zu dicht nebeneinander positioniert sind, beeinflussen sie sich gegenseitig. Generell gilt dabei: je höher das zu befördernde Luftvolumen ist, umso größer müssen die Abstände zwischen den Ventilatoren sein. Die Auslegungssoftware von ebm-papst berücksichtigt automatisch mögliche Einbauverluste.

FanGrids werden oft mit eingebauter Redundanz ausgelegt. Fällt ein Ventilator aus, fahren die übrigen automatisch ihre Drehzahl hoch und kompensieren den Luftleistungsabfall bestmöglich. Das hat allerdings folgenden Effekt: Durch den ausgefallenen Ventilator fließt ein Teil der Luft zurück und verursacht eine sogenannte Rückströmung. Die Verluste sind hierbei vom Betriebspunkt abhängig. Sie müssen bei der Auslegung berücksichtigt werden.

Auf einen Blick

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ebm-papst FanScout: Absolut zuverlässige und vor allem genauste Daten, denn der Software liegen echte Messwerte zugrunde. Dabei wird nicht nur die Leistung der einzelnen Ventilator-Komponenten gemessen, sondern der Ventilator als ganzheitliches System – das bestätigt auch der TÜV SÜD.

Damit das Konzept der freien Kühlung mit optimal ausgelegten FanGrids funktioniert, betrachtet ebm-papst zunächst die kundenspezifische Situation, beispielsweise den zur Verfügung stehenden Einbauraum, die Betriebspunkte oder die gewünschte Redundanz. Anhand der Lebenszykluskosten wird letztlich das System, also Art, Größe und Anzahl der zu verwendenden Ventilatoren, bestimmt. Zudem spielen bei der Auslegung der FanGrids immer der Abstand und die Anordnung eine wichtige Rolle. Daher die Faustregel: Je höher das Luftvolumen, umso größer die Abstände. Nur so werden die gewünschte Leistung und Effizienz erreicht.

Dank der Auswahlsoftware FanScout lassen sich unterschiedliche Betriebspunkte gewichten. Somit wird die Anlage nicht, wie oft üblich, nach dem maximalen Betriebspunkt ausgerichtet, sondern individuell auf die Bedürfnisse des Kunden abgestimmt. Zudem lassen sich auf Basis der gewichteten Betriebspunkte verschiedene Betriebsszenarien wie konstanter Volumenstrom oder konstanter Druck simulieren – was die Auslegung der FanGrids effizienter macht und die Betriebskosten reduziert. Mit ausgeklügelter EC-Technik und umfassendem Know-how unterstützt ebm-papst seine Kunden bei der optimalen Auslegung seines Kühlkonzeptes.

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