Sicher und klimafreundlich – Kaltwassermaschinen mit NH₃ für Rechenzentren

Mehr Daten, mehr Rechenzentren

Mit dem digitalen Wandel, mit Vernetzung und Cloud Computing nehmen die Datenmengen stetig zu. Es braucht immer mehr Rechenzentren, die diese Daten verarbeiten und speichern, gut geschützt vor unbefugtem Zugriff und jederzeit verfügbar für die Nutzerinnen und Nutzer. Das Beispiel eines Rechenzentrums in der Deutschschweiz zeigt, dass Sicherheit, hohe Verfügbarkeit und Ressourcenschonung Hand in Hand gehen. Die Kundinnen und Kunden – Unternehmen und ICT-Provider – mieten im Rechenzentrum Serverplatz oder ganze Racks und können so ihre Daten und IT-Systeme sicher speichern und betreiben.

Redundante Infrastruktur für unterbruchsfreie Versorgung

Das regional tätige Rechenzentrum verfügt über eine ISO zertifizierte (21007) Tier3+-Infrastruktur, mit der alle Systeme vollständig redundant aufgebaut und damit hochverfügbar sind. So funktioniert die Infrastruktur auch dann noch, wenn einzelne Komponenten ausfallen. Daher gibt es zwei unabhängige, geografisch getrennte Stromversorgungen mit jeweils einem eigenen Notstromgenerator, wie auch eine redundante Kälteversorgung, die die Server-Racks über zwei getrennte Kältenetze kühlen kann. Für zusätzliche Sicherheit steht ein 40m³ grosser Kältespeicher bereit, der die Anlage bei Ausfällen kurzzeitig kühlt. 

Geringe Übergabeverluste

Die Kältetechnik des Rechenzentrums stammt von Mountair AG (Regulierung, Rückkühler, Kühlwände, Hydraulikmodul) und der CTA AG (Kältemaschinen, Klimaschränke). Zum Einsatz kommen zwei Ammoniak-Kaltwassermaschinen der CTA mit einer Kälteleistung von je 566 kW. Die Kälteerzeugung zeichnet sich durch geringe Übergabeverluste aus und ist sehr kompakt gebaut. Die Kältemaschinen stehen in gut zugänglichen Gehäusen und können so einfach unterhalten und gewartet werden. 

Natürliches Kältemittel für hohe Effizienz

Beide Kältemaschinen arbeiten mit dem natürlichen Kältemittel Ammoniak (NH₃). Ammoniak wird seit mehr als 100 Jahren als Kältemittel genutzt und zeichnet sich durch seine guten thermodynamischen Eigenschaften und seine hohe Energieeffizienz aus. Als natürliches Kältemittel hat es weder Ozonabbau- noch Treibhauspotential und gilt als eines der umweltverträglichsten Kältemittel. Damit ist die NH₃-Kälteanlage sehr gut für die Umwelt. Da es giftig ist, ist Ammoniak hingegen anspruchsvoll in der Planung und Realisation.

Kompromisslos sicherer Betrieb

Beim Bau von Maschinenräumen mit Kältemaschinen in diesem Leistungsbereich muss bei der Ausstattung des Maschinenraums grosser Wert auf Dichtigkeit und einen kompromisslos sicheren Betrieb gelegt werden. Zudem sind eine mechanische Notlüftung, eine Kältemitteldetektion und ein sauberes Sicherheitskonzept nötig. Bei Ammoniak-Anlagen ist der Aufwand für die Planung leicht höher. So braucht es aufgrund der Giftigkeit des Kältemittels zusätzlich eine Ausbreitungsberechnung und eine Risikobeurteilung für den Havariefall. Erfahrene Anlagebauer kennen die kritischen Punkte und wissen, wie Ammoniak-Anlagen richtig und sicher gebaut werden. Zudem kommen die Maschinen der CTA für diese Anwendung mit einer begrenzten Füllmenge von nur 37 kg NH₃ aus. 

Anspruchsvolle Steuerung

Die zwei Kältemaschinen für dieses Rechenzentrum befinden sich im Maschinenraum sozusagen in «Einzelhaft». Sie sind in zwei separaten, komplett dichten Gehäusen untergebracht, die über eine eigene Gassensorik und eine eigene Lüftung verfügen. Die beiden Gehäuse saugen die Luft separat aus dem Maschinenraum an. Die «verbrauchte» Luft wird unabhängig voneinander abgesaugt und ins Freie geführt. Die beiden Maschinen laufen abwechslungsweise. So erreichen sie eine ähnliche Anzahl an Betriebsstunden. Fällt eine Maschine aus, kann die andere nahtlos übernehmen.

Gemeinsame Entwicklung der SPS-Steuerung

Besonders anspruchsvoll war die hydraulische Integration der Kältemaschinen. Die Umschaltung zwischen Maschinen- und Free-Cooling-Betrieb musste sehr exakt eingestellt werden. Für die notwendige Optimierung kommen verschiedene speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) zum Einsatz, deren Regulierung und Zusammenspiel die CTA und Mountair gemeinsam entwickelt haben. Verschiedene SPS-Einheiten steuern dabei die beiden Kältemaschinen und die Kühlwände in den Server-Räumen. Ein gemeinsamer Hydraulik-Master koordiniert übergeordnet das ganze System.

Regenwasserberieselung für mehr Energieeffizienz

Diese Regulierung stellt sicher, dass von den Kältemaschinen nur so viel Kälte bereitgestellt wird, wie das Rechenzentrum – und im Hochsommer die Komfortkühlung des Gebäudes – benötigt. Zum energieeffizienten Betrieb tragen auch die Hybrid-Rückkühler von Mountair bei. Bei hohen Aussentemperaturen werden diese mit Regenwasser berieselt. Dadurch sinkt die Kühlwassertemperatur im Rückkühlkreislauf, was die Energieeffizienz der Anlage nochmals spürbar erhöht. 

Effiziente Rückkühlung

Eine effiziente Rückkühlung ist beim Rechenzentrum besonders wichtig. Denn die Server geben mehr als genug Wärme ab für Heizung und Brauchwarmwasser im Gebäude und auf dem Areal. Daher muss die Wärme aus dem Rechenzentrum ausserhalb der Heizperiode entweder mit Free-Cooling oder mit der Kältemaschine über den Rückkühler möglichst effizient weggebracht werden. Die Hydraulik ist so aufgebaut, dass sich Free-Cooling und die mechanische Kühlung die Arbeit gleichzeitig teilen können. Wenn mit Free-Cooling «nur» 20 Prozent der Wärme abgeführt wird, übernimmt die Kältemaschine die restlichen 80 Prozent.

Strom vom Dach des Rechenzentrums

Zur Nachhaltigkeit der Informations- und Datenverarbeitung gehört, den Strom für die Rechenzentren und ihre Kühlung wenn möglich aus erneuerbaren Quellen zu beziehen. So eignen sich Gebäude, in denen sich die Rechenzentren befinden, häufig gut für Photovoltaikanlagen. Wenn zusätzlich zum Strom vom eigenen Dach noch einheimischer Wasserkraftstrom genutzt werden kann, können Rechenzentrum heute nahezu klimaneutral betrieben werden. 

Mitgewirkt

• Mountair AG (Regulierung, Rückkühler, Kühlwände, Hydraulikmodul)

• CTA AG (Kältemaschinen, Klimaschränke)