In der vorliegenden Arbeit wird eine simulationsbasierte Methodik zur Energie- und Kostenoptimierung der Kühlung von Rechenzentren mit Kalt-/Warmluft-Separation vorgestellt. Dabei wird die spezifische Charakteristik der Luftseparation für einen wesentlich einfacheren und schnelleren Simulationsansatz genutzt, als das mit herkömmlichen, strömungsmechanischen Methoden möglich ist. Außerdem wird der Energiebedarf des Lufttransports – einschließlich der IT-Ventilatoren – in der Optimierung berücksichtigt. Beispielhaft entwickelte Komponentenmodelle umfassen die IT-Systeme und alle für die Kühlung relevanten Anlagen in einer dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden Ausführung. Die besonders wichtigen Aspekte Freikühlbetrieb und Verdunstungskühlung werden berücksichtigt. Anhand verschiedener Konfigurationen eines Modellrechenzentrums wird beispielhaft die Minimierung der jährlichen verbrauchsgebunden Kosten durch Anpassung von Temperatursoll- werten und anderen Parametern der Regelung demonstriert; bestehendes Einsparpotenzial wird quantifiziert. Da die Kalt-/Warmluft-Separation in modernen Installationen mit hoher Leistungsdichte auch Auswirkungen auf bauliche Anforderungen hat, wird ein für diesen Anwendungsfall optimiertes Gebäudekonzept vorgeschlagen und praktisch untersucht, das sich insbesondere durch Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz, Flexibilität und Betriebssicherheit auszeichnet.:1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Kategorisierung von Rechenzentren
1.3 Effizienzmetriken für Rechenzentren
1.4 Wissenschaftlicher Beitrag und Abgrenzung
2 Luftgekühlte IT-Systeme: Anforderungen und Trends
2.1 Anforderungen an das Raumklima
2.1.1 Lufttemperatur
2.1.2 Luftfeuchte
2.1.3 Luftzustand im Warmgang
2.1.4 Schalldruckpegel und Schadgase
2.1.5 Betriebsabläufe und Personal
2.2 Kühllasten
2.2.1 Leistungsbedarf der IT-Systeme
2.2.2 Lastgänge und Teillastbetrieb der IT-Systeme
2.2.3 Flächenspezifische Kühllasten
2.3 Leckströme
2.4 Entwicklungstendenzen
3 Rechenzentrumskühlung: Übliche Lösungen und Optimierungskonzepte
3.1 Anlagenkonzepte zur Entwärmung von Rechenzentren
3.1.1 Freie Kühlung
3.1.2 Maschinelle Kälteerzeugung
3.1.3 Umluftkühlung von Rechnerräumen
3.2 Umluftkühlung mit Separation von Kalt- und Warmluft
3.2.1 Konzept
3.2.2 Umsetzung
3.2.3 Regelung der Umluftkühlgeräte
3.2.4 Effizienzoptimierung durch Anhebung der Lufttemperatur
3.2.5 Betriebssicherheit
3.3 Modellbasierte Untersuchungen in der Literatur
3.4 Zwischenfazit
4 Modellbildung
4.1 Struktur des Modells und Ablauf der Simulation
4.2 Annahmen und Randbedingungen
4.3 Modellierung der IT-Systeme
4.3.1 Testsysteme und -software
4.3.2 Testaufbau und Messung der relevanten physikalischen Größen
4.3.3 Drehzahl der internen Ventilatoren
4.3.4 Leistungsaufnahme der internen Ventilatoren
4.3.5 Luftvolumenstrom
4.3.6 Leistungsaufnahme der IT-Systeme ohne Lüfter
4.3.7 Ausblastemperatur
4.4 Modellierung der Kühlsysteme
4.4.1 Pumpen, Rohrnetz und Ventilatoren
4.4.2 Wärmeübertrager
4.4.3 Umluftkühlgeräte
4.4.4 Pufferspeicher
4.4.5 Kältemaschinen
4.4.6 Rückkühlwerke
4.4.7 Freie Kühlung
4.5 Regelstrategien, Sollwertvorgaben und Lastprofile
4.5.1 Kaltluft
4.5.2 Kaltwasser
4.5.3 Kühlwasser
4.5.4 Kälteerzeuger
4.5.5 Lastprofil der IT-Systeme
4.5.6 Wetterdaten
4.5.7 Standortspezifische Kosten für sonstige Betriebsstoffe
4.6 Validierung der Simulationsumgebung
4.6.1 Stichprobenartige experimentelle Prüfung der ULKG-Modellierung
4.6.2 Stichprobenartige experimentelle Prüfung der Modellierung der Kälteerzeugung
4.6.3 Plausibilitätskontrolle und Modellgrenzen
4.7 Zwischenfazit
5 Variantenuntersuchungen und Ableitung von Empfehlungen
5.1 Konfiguration und ausgewählte Betriebspunkte des Modellrechenzentrums
5.2 Optimierung des Jahresenergiebedarfs mit konstanten Kühlmedientemperaturen
5.2.1 Jahresenergiebedarf des Modell-RZs und Optimierung nach Best Practices
5.2.2 Bestimmung der optimalen (konstanten) ULKG-Ausblastemperatur
5.2.3 Einfluss von Last und Typ der IT-Systeme
5.2.4 Einfluss von Standortfaktoren
5.2.5 Einsparpotenzial Pumpenenergie
5.3 Optimierung mit variablen Kühlmedientemperaturen, RKW trocken
5.3.1 Dynamische Sollwertschiebung der Luft- und Kaltwassertemperaturen
5.3.2 Sollwertschiebung der Kühlwassertemperaturen im Kältemaschinenbetrieb
5.3.3 Kombination der Optimierungen und Übertragung auf andere Standorte
5.4 Optimierung mit variablen Kühlmedientemperaturen, RKW benetzt
5.4.1 Dynamische Sollwertschiebung der Luft- und Kaltwassertemperaturen
5.4.2 Optimierung eines modifizierten Modells ohne Kältemaschinen
5.4.3 Betriebssicherheit der Konfiguration ohne Kältemaschinen
5.4.4 Optimierung der Betriebssicherheit durch Eisspeicher
5.5 Zwischenfazit
6 Vorstellung und Diskussion eines neuen Gebäudekonzepts für Rechenzentren
6.1 Gebäudekonzepte und Anforderungen an Sicherheit, Effizienz und Flexibilität
6.1.1 Limitierungen klassischer Konstruktionsprinzipien
6.1.2 Alternative Konzepte für Umluftkühlung in Rechenzentren
6.1.3 Rechenzentren mit Installationsgeschoss statt Doppelboden
6.2 Plenum statt Doppelboden: Konzept und Umsetzung
6.2.1 Aufgabenstellung und konzeptionelle Anforderungen
6.2.2 Lösung mit dem Plenums-Konzept
6.2.3 Anforderungen an die Regelung der Umluftkühlgeräte
6.3 Experimentelle Leistungsbestimmung und Optimierung
6.3.1 Testaufbau und Messung der relevanten physikalischen Größen
6.3.2 Regelung von Luftvolumenstrom und -Temperatur bei konstanter Last
6.3.3 Optimierung der Kaskadenschaltung der Umluftkühlgeräte bei Lastwechseln
6.3.4 Optimierung der Betriebssicherheit der Umluftkühlung bei Stromausfällen
6.3.5 Ermittlung der Leistungsgrenzen
6.4 Zwischenfazit und weiteres Optimierungspotenzial
7 Zusammenfassung und Ausblick
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:77844 |
| Date | 07 February 2022 |
| Creators | Hackenberg, Daniel |
| Contributors | Felsmann, Clemens, Hesse, Ullrich, Werdin, Heiko, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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