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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