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GEBÄUDETECHNIK IM DATA CENTER KONZEPTE ZUR ENERGIEOPTIMIERUNG IM IT- BEREICH ATA Tagung 2009, Salzburg 5. Juni 2009 Dipl.- Ing. André Boers.

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1 GEBÄUDETECHNIK IM DATA CENTER KONZEPTE ZUR ENERGIEOPTIMIERUNG IM IT- BEREICH ATA Tagung 2009, Salzburg 5. Juni 2009 Dipl.- Ing. André Boers

2 Sonstige Funktionen, Schwerpunkte  Technisch Wirtschaftliches Controlling  Bauherrenberatung  Experte für Technische Gebäudeausrüstung in den HOAI-Phasen 1-9 Beruflicher Werdegang Ausbildung zum Gas- und Wasserinstallateur Gas- und Wasserinstallateur Wehrdienst Studium Versorgungstechnik Projektingenieur und Projektleiter Projektleiter und Leitender Planer seit 2009 Projektmanager bei Drees & Sommer Köln Andre Boers Dipl.–Ing. Versorgungstechnik Berufserfahrung: 13 Jahre

3 Zahlen und Fakten Stand Dezember 2008  Gegründet 1970  9 Standorte in Deutschland  15 internationale Standorte: West- und Osteuropa, Middle East und Asien  ca Mitarbeiter  120,4 Mio Euro Jahresumsatz 2007 Hamburg Berlin Leipzig Nürnberg München Stuttgart Frankfurt Köln Düsseldorf

4 Projektmanagement Entwicklungsmanagement Projektmanagement Infrastruktur und Verkehr Projektmanagement Hochbau Construction Management General Construction Management Risk Management Prozessberatung Projektmanagement-Tools Engineering Technisch-wirtschaftliche Bauberatung Green Building Design für Neubauten Systemplanung und Simulation Planung, Generalfachplanung Life Cycle Engineering Green-Building-Optimierung Bestandsimmobilien Energiemanagement für Gewerbe und Industrie Immobilienberatung Technische Due Diligence Technisches Asset Management Strategische Liegenschaftsberatung Krisenmanagement für notleidende Immobilien Public Private Partnership Facility Management Consulting Green Building Labels Organisationsberatung Unsere Leistungen auf einen Blick

5

6 DIE TYPISCHEN SCHWACHSTELLEN IM DATACENTER

7 ENERGETISCHE SCHWACHSTELLEN

8  Hydraulik im Kühlsystem ist unbekannt  Pumpen Kälte sind zu groß dimensioniert  Warm-Kaltgang Prinzip nicht eingehalten  Luftverteilung im Doppelboden ungelenkt oder durch Verkabelung behindert  Kurzschluss zwischen Zu- und Abluftführung  Ende Lebenszyklus der Technik ist erreicht  veraltete Kompressorentechnologie

9 STRUKTURELLE SCHWACHSTELLEN

10 © Drees & Sommer 10

11 Datentechnik Stromversorgung EDV Kälte Löschtechnik VERSORGUNG IM DOPPELBODEN

12 Datentechnik Stromversorgung EDV Löschtechnik Kälte DATENTECHNIK AN DER DECKE

13 Datentechnik Stromversorgung EDV Löschtechnik Kälte STROMVERSORGUNG AN DER DECKE

14 AUFSTELLUNGSKONZEPT

15 Schrankaufstellung gruppiert nach Kühlsystem RAUMANORDNUNG - VARIANTE 1

16 RAUMANORDNUNG - VARIANTE 2 Schrankaufstellung gruppiert nach Nutzer

17 Schrankaufstellung Mischform Nutzer/Funktion RAUMANORDNUNG - VARIANTE 3

18 ANFORDERUNGEN

19 Klimamodell 3K1 mitTemperatur:20 … 25 °C relative Luftfeuchte:35 … 75 % Messort für Luftzustände:„Kaltgang“, in Höhe der IT-Technik mind. 50 cm Abstand zum Rack DIN EN :KLIMAMODELLE FÜR RECHENZENTREN RAUMZUSTÄNDE

20 TECHNIK CPU TECHNIK DFÜ TECHNIK USV NEBENFLÄCHEN WÄRMEVERLUSTE AUSSENLUFT- AUFBEREITUNG 500 – W/m²70 % 350 W/m²3 % 5 % 3 % Luftförderung7 % Wasserförderung5 % CPU/DFÜ1 % Nebenflächen5 % ANTEIL KÄLTELEISTUNG

21 LUFTFÜHRUNG OHNE OPTIMIERUNG

22 Luftführungsvarianten “Classic”  Kaltluftführung im Doppelboden Nachteile:  Hot Spot im oberen Bereich der Schränke  Luftführung im Schrank durch Leitungen behindert  Verwirbelung Kalt / Warmluft  abführbare Leistung ist stark begrenzt Kühl gerät

23 LUFTFÜHRUNG SCHRANKLÜFTUNG

24 Luftführung “Schrankbelüftung”  Kaltluftführung im Doppelboden  Luftzuführung im Rack zwischen Tür und Server  Abströmung vertikal oder durch die Rack- Rücktür  Wärmeabfuhr bis ca. 10 kW / Schrank Vorteile:  verbesserte Luftführung  Luft bedarfsgerecht durch Klappen regulierbar Nachteile:  erfordert tiefere Schränke  Schränke im oberen Bereich wärmer Rack h v Rack h v Rack h v Rack h v ULK

25 LUFTFÜHRUNG WARM-KALTGANG

26 Luftführung Kalt / Warmgang  Kaltluftführung im Doppelboden  Luftzuführung im Kaltgang  Abströmung im Warmgang  offene Türen oder keine Türen  Wärmeabfuhr, ca 5 kW/ Schrank Vorteile:  Kaltluftsee zwischen den Schrankreihen  Verwirbelungen werden reduziert Nachteile:  vermeidbare Nebenluftströme und Verwirbelungen Rack h v Rack h v Rack v h Rack v h warm kalt ULK

27 LUFTFÜHRUNG WARM-KALTGANG EINHAUSUNG

28 Luftführung Kaltgangeinhausung  Kaltluftführung im Doppelboden  Luftzuführung im geschlossenen Kaltgang  Schränke intern optimieren  Abströmung im Kaltgang  offene Türen oder keine Türen  Wärmeabfuhr bis ca 10 kW/ Schrank Vorteile:  gleichmässige Wärmeabfuhr an jedem Gerät  optimale Durchströmung  Trennung von kalter und warmer Luft Nachteile:  Zusätzliche Kosten für die Einhausung und Luftführung im Schrank  Problematik Brandmeldeanlage / Löschanlagen Rack h v warm kalt Rack v h Rack h v Rack v h ULK

29 Luftführung Kaltgangeinhausung  gerichtete Luftführung durch die Server  Luftzuführung im geschlossenen Kaltgang  Schränke intern optimieren  offene Schranktüren oder keine Türen  Wärmeabfuhr bis ca 10 kW/ Schrank  Erhöhung Rücklauftemperatur Vorteile:  gleichmäßige Wärmeabfuhr an jedem Gerät  optimale Durchströmung  Trennung von kalter und warmer Luft Nachteile:  Zusätzliche Kosten für die Einhausung und Luftführung im Schrank Rack h v warm kalt Rack v h ULK alternativ offen mit Überströmung

30 KÜHLUNG FÜR DEN BLADESERVER

31 Bild: IBM

32  Herstellerangaben Anschlussleistung 15 KW  Leistungsaufnahme gemessen in der Praxis KW  Kühllast nicht über elektrische Anschlusswerte bestimmen! KÜHLLEISTUNG FÜR BLADE SERVER

33 Direkte Schrankkühlung  Entkopplung des Wasserkreislaufs  Wärmeabfuhr bis ca 32 kW/ Schrank  verschiedene Anordnung der Wärmetauscher Vorteile:  sehr hohe Wärmeabfuhr  optimale Durchströmung  Trennung von kalter und warmer Luft Nachteile:  Teuer, aufwändig  Wasser im RZ Wärmetauscher unten ULK Wärmetauscher hinten

34 Luftführung Schrankkühlung, Hersteller

35 LEITUNGSVERBINDUNG FÜR HARDWAREKÄLTE

36 Klimatisierung CPU-Räume Umluftklimageräte Integrierte Kältemaschine Wärmeabfuhr Wasser-Glykol Kreislauf mit Freikühlbetrieb Rückkühler für Außenaufstellung wassergekühlte Racks Kaltwassersätze mit Rückkühlung und Freikühlbetrieb RLT-Zentralgeräte Primärluft KÄLTEKONZEPT MIT GETRENNTEN KREISEN

37 Klimatisierung CPU-Räume Umluftklimageräte Wassergekühlt Wassergekühlte Racks Kaltwassersätze mit Rückkühlung und Freikühlbetrieb RLT-Zentralgeräte RLT-Zentralgeräte Primärluft KÄLTEKONZEPT MIT EINEM KREIS

38 n Stck. Kaltwassersatz Kälte A Kälte B n Stck. Kaltwassersatz Klimaspange Ringleitungen A Ringleitungen B Klimaspange REDUNDANTE KÄLTEVERSORGUNG

39 Varianten zur Freikühlung Trockenkühler Hybridkühler Direktkühler (Außenluft)

40 Free-Cooling, Beispiel Free-Cooling-Potential in Abhängigkeit der Rücklufttemperatur bei einem Volumenstromanteil von 100% der Klimaschränke.

41 LEISTUNGSBEDARF BEI ABZUFÜHRENDER WÄRMELAST VON 200 kV

42 WAS VERHINDERT ENERGIEEINSPARMASSNAHMEN ?

43  Hohe Erstinvestition  Wenig Anreize  Know-How nicht verfügbar  Grundkonzeption unklar

44 DIE TOP DREI FEHLENDER ENERGIEEFFIZIENZ STANDARDS

45 MANGEL AN EINSPARVORGABEN Bewertung von Effizienz wird nur an der SERVICELEISTUNG gemessen

46 GETEILTE VERANTWORTLICHKEITEN Verantwortliche der IT sind nicht für die Technische Infrastruktur verantwortlich „KÄLTE und STROM enden an der Steckdose bzw. im DATA-Raum“

47 SHUT DOWN RISIKO Einführung und Änderung an der Infrastruktur können Hochverfügbarkeit einschränken

48 ENERGETISCHE BEWERTUNG

49 Vorgehensweise Beispiel Kälte Erhebung von Kenndaten Benchmarking, Benchmarks vergleichen, bewerten Benchmarking Begehung Data Center Schwachstellenanalyse, best practice Schwachstellenanalyse Raum Darstellung verschiedener Kühlvarianten Empfehlung zu Kühlvarianten Kühlvarianten für Racks Untersuchung verschiedener Varianten zur Freikühlung (Freecooling) Kälteerzeugung

50 SCHWACHSTELLENANALYSE behinderte Luftführung geschlossene Türen

51 Matrix Messpunkte a: Luftmengenmessung Lüftungsplatten b: Wärmebild z.B. Blades c: Druck/Durchfluss Kälte d: m³/h, A, Ventilator 1: Strommessung A,B 2: Strommessung ULK 3: Temp./Feuchte Raum 4: Temp./Feuchte DB 5: Differenzdruck DB 6: Temp. VL/RL Kälte KG WG KG UV ULK UV a a a b c d ,5 6 Kontinuierlich Punktuell

52 Betriebsoptimierung Temperaturen Ventile Massenströme Verbrauch Verbrauchs- erfassung IST SOLL GA/GLT Verbrauchs- erfassung Klima StromHeizung Expertenwissen GA/GLT

53 ANTEIL AN INVESTITIONSKOSTEN  Ventilator 1- 3 %  übrige Komponenten 97 – 99 % ANTEIL AN BETRIEBSKOSTEN  Ventilator 40 – 70 %  übrige Komponenten 30 – 60 % OPTIMIERUNGSPOTENTIAL VENTILATOREN

54 BEWERTUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ UND WIRTSCHAFTLICHKEIT

55 Benchmarking Energieverbrauch 2,0 1,0 1,5 Power Usage Effectiveness (PUE) = Total Facility Power / IT Equipment Power Average US Data Center 2007 = 2,0 PUE= 1,2 State of the art PUE= 1,3 Best Practice D40 Raum 149 = 2,1-3,7 2,5 D40* = 1,41B4 = 1,3 *ohne Raum 149Datenbasis ist unsicher

56 Betriebskosten BestandAussenluftHybridkühlerNasser Kühler Ist-ZustandDirekte freie KühlungFreie Kühlung mit mit AußenluftHybrid-Rückkühlernassem Rückkühler 80% Nennvol.strom Installierte / Benötigte Leistung Variante 0Variante 1Variante 2Variante 3 ServerleistungkW400 KälteleistungkW400 Leistung Freie KühlungkW0400 Energieverbrauch Variante 0Variante 1Variante 2Variante 3 StromkWh/a Deckungsanteil Rückkühler%0%80%73%66% Kälte NetzkWh/a Kälte RückkühlerkWh/a Stromverbrauch Freie KühlungkWh/a Wasserverbrauch Freie Kühlungm³/a Betriebskosten (Preise ) Variante 0Variante 1Variante 2Variante 3 Arbeit Strom€/kWh0,060 Wasser€/m³4,0 Kälte€/kWh0,02 Summe Energiekosten€/a Mittlere Energiekosten über 15 Jahre€/a Mehrkosten Instandhaltung über 15 Jahre€/a annuisierte Einsparung€/a € € € Investitionskosten€ Einsparungen Energiekosten€/a Baunutzungskosten über 15 Jahre€/a Amortisationszeita 4,97,46,1 PrimärenergieeinsparungkWh/a Primärenergieeinsparung%016,6%18,5%15,7% CO2-Einsparungt/a0 annuisierte Investitionskosten€/a € € €

57 GREEN BUILDING IM DATACENTER?

58 WENN ES NICHT MEHR KOSTET ? JA!

59 Was ist eigentlich ein „Green Building“ Erneuerbare Energieressourcen - Windkraft - Photovoltaik - Solarthermie - Geothermie - Biomasse Reduzierung des Energiebedarfs - guter Wärmeschutz - angepasste Betriebstemperaturen - Intelligente Kontrollsysteme - keine ständige Betriebsbereitschaft - Effiziente Beleuchtungssysteme - … Schutz natürlicher Ressourcen - Erhalt von materiellen Ressourcen - Förderung des Mikroklimas Reduzierung des Wasserverbrauchs - Regenwassermanagement - Schmutzwassermanagement - Erhalt von Frischwasserreserven Effiziente Beförderung - kurze Distanzen - Verbundenheit zwischen Transportsystemen - optimierte Teilung - gemeinsame Autonutzung - Emissionsfreier Transport Erhaltung und Abfallmanagement - Vorbeugung von Abfall - Abfalltrennung - optimierte Erhaltungszyklen - Wert- und Schadstoffentsorgung Erneuerbare Materialien - niedriger Primärenergiebedarf - reduzierter Materialverbrauch - Nachhaltigkeit, Langlebigkeit - Recycling, keine Verbundwerkstoffe - keine Ausdünstungen Kriterien Klimaschutz - weniger fossilen Brennstoffe - weniger lokalen Emissionen - keine schadhaften Materialien

60 Mieter  Corporate Image  Betriebskosten  Höhere Produktivität durch Mitarbeiterzufriedenheit und niedrigeren Krankenstand, höhere Attraktivität im Recruitment Konkrete Motivation Eigennutzer  Corporate Image  Entwicklung des Immobilienwertes  Betriebskosten  Höhere Produktivität durch Mitarbeiterzufriedenheit und niedrigeren Krankenstand, höhere Attraktivität im Recruitment Investoren/ Entwickler  Vermarktungsvorteile  Kundeninteresse Alle  Reduzierung des „CO 2 - Footprint“  Effiziente Flächennutzung/ weniger Versiegelung  Verbesserung Luft/ Klima  Ressourcenschonung  Lebensqualität

61 Image - Kampagnen WERBUNG MIT GREEN LABEL IM DATA CENTER?

62  Kühlwasserspreizung optimiert für Freikühlbetrieb  Kühlwasserrückgewinnung mit Aufbereitung  Wärmepumpe zur Beheizung des Gebäudes  Gründach  Günstige Verkehrsanbindung  Fahrradparkplätze  Duschen für Fahrradfahrer BEISPIELE GREEN DATA CENTER NACH LEED

63 Heizenergie = Minus 67% Recycling = 98% der Materialien Co2 Emissionen = Minus 55% Wärmeinsel Effekt = Minus 50% Stromverbrauch = Minus 55% Wasserverbrauch = Minus 43% Wiederverwendung = 30% der Einbauten Lüftungsenergie = Minus 60% Höhere Qualität für Besucher und Mitarbeiter vor Ort Deutsche Bank – Ziele BEISPIEL ANFORDERUNG AN GREEN BUILDING

64 SYSTEMPLANUNG

65 Die wesentlichen Phasen im Lebenszyklus eines Gebäudes Definition Konzeption Planungsvorlauf Realisierung Betrieb 6 Monate 9 Monate 15 Monate 30 Monate ca. 55 Jahre 6 min 9 min 15 min 30 min = = = = 1 Std. 11 Std Renovierung Definition Konzeption Planung Realisierung LEBENSUHR EINER IMMOBILIE

66 Beeinflussbarkeit eines Projekts Entwurfs- und Genehmigungs- planung Ausführungs- und Detailplanung Grundlagen- ermittlung Ausschreibung, Vergabe Bauausführung /4 1/2 3/4 Fertigstellung % Vorplanung Systemplanung Einfluss einer alternativen Vergabemöglichkeit Abwehr von Änderungen

67 iterativer Prozess Planerseite Grundlagen- ermittlung Vorplanung Entwurf Ausschreibung + Vergabe Bauausführung Dokumentation Nutzungsphase Nutzer/Bauherr Anforderungen Technische Anforderungen iterativer Prozess Optimierung Ergänzung Mehrkosten! Zusätzlicher Planungsbedarf andere Konzepte interaktiver Abgleich, Anforderungen Üblicher Planungsablauf Anspruchsdefinition iterativer Prozess Nutzer-/Bauherrenseite Kostendefinition Ergebnisse Terminverschiebung! Zusätzlicher Planungsbedarf Organisatorische Abläufe Zusätzlicher Planungsbedarf Betriebliche Abläufe Zusätzlicher Planungsbedarf Optimierungsphase

68 Planerseite Grundlagen-TechnischeNutzer-/Bauherren ermittlungAnforderungen Anforderungen Vorplanung Entwurf Ausschreibung + Vergabe Bauausführung Dokumentation Nutzungsphase Kostensicherheit! Wirtschaftliche und ökologische Konzepte Planungsablauf mit Systemplanung Nutzer-/Bauherrenseite Ergebnisse Terminsicherheit! Organisatorische Abläufe sind in die Planung der eingeflossen Betriebliche Abläufe sind in die Planung der eingeflossen Systemplanung Anspruchdefinition Kostendefinition Technisch wirtschaftliches Coaching und Controlling

69 TECHNISCH WIRTSCHAFTLICHE BAUBERATUNG TWB

70 Technisch Wirtschaftliche Bauberatung Thema: Baumangel - Beispiel

71 Technisch Wirtschaftliche Bauberatung Leistungsvergleich über Planungsphasen  Neue Gliederung in Grundleistungen und besondere Leistungen  Review als Grundleistung nach AHO  Zusätzliche Leistungen entsprechend Kundenanforderungen  Individuell angepasstes Leistungsbild für das TWB 2nd Opinion Review Technisch Wirtschaftliches Controlling (FT PM) Monitoring € € (TWC) Fachtechnisches Projekt- management

72 Regel Erfahrungsregel der Ungleichverteilung  80% der Fehler lassen sich mit 20% Aufwand verhindern  weitere 10% erfordern 80% Aufwand  (1-10% Restfehler bleiben) Review TWC 10er Regel Erfahrungsregel aus dem Qualitätsmanagement Fehlerbehebungskosten steigen um Faktor 10, wenn Fehler nicht in der Planung vermieden werden Technisch Wirtschaftliche Bauberatung Argumente

73 Technisch Wirtschaftliches Controlling Praxisbeispiel

74 COMMISSIONING

75 COMMISSIONING? Das macht doch die Bauleitung!

76 Beispiel Komplexität

77 Vom IAÜ zum Commissioning Commissioning = strategisches IAÜ mit dem Ergebnis der exakten Umsetzung von Bauherrn- und Planervorgaben Ziele und Nutzen des Commissioning  Commissioning Prozess startet in frühen Planungsphasen  Festhalten der Planungsvorgaben (ggf. auch Änderungen)  gesamte Bauprozess wird begleitet  Frühzeitiger Einbezug aller Beteiligten in Commissioning Prozess  Dokumentation des gesamten Prozesses  Grundanforderung aller Green Building Labels zum Nachweis und Sicherstellung des Erreichens der energetischen Ziele

78 Ausblick Commissioning  Commissioning „light“ Analyse, Erstellen Vorgaben und Tools für Bauleiter  einfache Gebäude („Investorenimmobilien“)  Fundamental Commissioning Begleiten und Controlling des gesamten Prozesses von Planung bis Übergabe  Gebäude ohne höhere Anforderungen  Enhanced Commissioning Begleiten, Beraten Controlling und Nachweis der Zielerreichung im Betrieb  Gebäude mit hohen Anforderungen z.B. DATA Center

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