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

Beruflicher Werdegang 1983 - 1986 Ausbildung zum Gas- und Wasserinstallateur 1986 - 1988 Gas- und Wasserinstallateur 1989 - 1990 Wehrdienst 1990 - 1996 Studium Versorgungstechnik 1997- 2003 Projektingenieur und Projektleiter 2003- 2008 Projektleiter und Leitender Planer seit 2009 Projektmanager bei Drees & Sommer Köln Andre Boers Dipl.–Ing. Versorgungstechnik Andre.Boers@dreso.com Berufserfahrung: 13 Jahre Sonstige Funktionen, Schwerpunkte Technisch Wirtschaftliches Controlling Bauherrenberatung Experte für Technische Gebäudeausrüstung in den HOAI-Phasen 1-9

Zahlen und Fakten Stand Dezember 2008 Gegründet 1970 9 Standorte in Deutschland 15 internationale Standorte: West- und Osteuropa, Middle East und Asien ca. 1070 Mitarbeiter 120,4 Mio Euro Jahresumsatz 2007 Hamburg Berlin Leipzig Nürnberg München Stuttgart Frankfurt Köln Düsseldorf

Unsere Leistungen auf einen Blick Projektmanagement Entwicklungsmanagement Infrastruktur und Verkehr 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 Strategische Liegenschaftsberatung Krisenmanagement für notleidende Immobilien Public Private Partnership Facility Management Consulting Green Building Labels Organisationsberatung

DIE TYPISCHEN SCHWACHSTELLEN IM DATACENTER

ENERGETISCHE SCHWACHSTELLEN

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

STRUKTURELLE SCHWACHSTELLEN

© Drees & Sommer

VERSORGUNG IM DOPPELBODEN Datentechnik Kälte Stromversorgung EDV 1 - 3 Löschtechnik

DATENTECHNIK AN DER DECKE Kälte Löschtechnik Stromversorgung EDV 1 - 3

STROMVERSORGUNG AN DER DECKE Stromversorgung EDV 1 - 3 Kälte Datentechnik Löschtechnik

AUFSTELLUNGSKONZEPT

RAUMANORDNUNG - VARIANTE 1 Schrankaufstellung gruppiert nach Kühlsystem

RAUMANORDNUNG - VARIANTE 2 Schrankaufstellung gruppiert nach Nutzer

RAUMANORDNUNG - VARIANTE 3 Schrankaufstellung Mischform Nutzer/Funktion

ANFORDERUNGEN

DIN EN 60 721: KLIMAMODELLE FÜR RECHENZENTREN RAUMZUSTÄNDE Klimamodell 3K1 mit Temperatur: 20 … 25 °C relative Luftfeuchte: 35 … 75 % Messort für Luftzustände: „Kaltgang“, in Höhe der IT-Technik mind. 50 cm Abstand zum Rack

ANTEIL KÄLTELEISTUNG TECHNIK CPU TECHNIK DFÜ TECHNIK USV NEBENFLÄCHEN WÄRMEVERLUSTE AUSSENLUFT- AUFBEREITUNG 500 – 1.000 W/m² 70 % 350 W/m² 3 % 5 % 3 % Luftförderung 7 % Wasserförderung 5 % CPU/DFÜ 1 % Nebenflächen 5 %

LUFTFÜHRUNG OHNE OPTIMIERUNG

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

LUFTFÜHRUNG SCHRANKLÜFTUNG

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

LUFTFÜHRUNG WARM-KALTGANG

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

WARM-KALTGANG EINHAUSUNG LUFTFÜHRUNG WARM-KALTGANG EINHAUSUNG

Luftführung Kaltgangeinhausung 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 Kaltluftführung im Doppelboden Luftzuführung im geschlossenen Kaltgang Schränke intern optimieren Abströmung im Kaltgang offene Türen oder keine Türen Wärmeabfuhr bis ca 10 kW/ Schrank Rack h v warm kalt v h ULK

Luftführung Kaltgangeinhausung Vorteile: gleichmäßige Wärmeabfuhr an jedem Gerät optimale Durchströmung Trennung von kalter und warmer Luft Nachteile: Zusätzliche Kosten für die Einhausung und Luftführung im Schrank 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 alternativ offen mit Überströmung warm warm ULK Rack h v Rack v h kalt

KÜHLUNG FÜR DEN BLADESERVER

Bild: IBM

KÜHLLEISTUNG FÜR BLADE SERVER Herstellerangaben Anschlussleistung 15 KW Leistungsaufnahme gemessen in der Praxis 5 - 8 KW Kühllast nicht über elektrische Anschlusswerte bestimmen!

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 Wärmetauscher hinten ULK ULK

Luftführung Schrankkühlung, Hersteller

LEITUNGSVERBINDUNG FÜR HARDWAREKÄLTE

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

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

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

Varianten zur Freikühlung Direktkühler (Außenluft) Trockenkühler Hybridkühler

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

LEISTUNGSBEDARF BEI ABZUFÜHRENDER WÄRMELAST VON 200 kV

ENERGIEEINSPARMASSNAHMEN ? WAS VERHINDERT ENERGIEEINSPARMASSNAHMEN ?

Hohe Erstinvestition Wenig Anreize Know-How nicht verfügbar Grundkonzeption unklar

FEHLENDER ENERGIEEFFIZIENZ DIE TOP DREI FEHLENDER ENERGIEEFFIZIENZ STANDARDS

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

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

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

ENERGETISCHE BEWERTUNG

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

SCHWACHSTELLENANALYSE behinderte Luftführung geschlossene Türen

Matrix Messpunkte UV KG ULK WG a b c d 1 2 3 4,5 6 Kontinuierlich Punktuell 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

Betriebsoptimierung IST SOLL GA/GLT Verbrauchs- erfassung Temperaturen Ventile Massenströme Verbrauch Klima Strom Heizung Verbrauchs- erfassung GA/GLT Verbrauchs- erfassung Expertenwissen

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

BEWERTUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ UND WIRTSCHAFTLICHKEIT

Benchmarking Energieverbrauch 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 D40* = 1,41 B4 = 1,3 2,5 2,0 1,5 1,0 Datenbasis ist unsicher *ohne Raum 149

Betriebskosten Bestand Aussenluft Hybridkühler Nasser Kühler   Bestand Aussenluft Hybridkühler Nasser Kühler Ist-Zustand Direkte freie Kühlung Freie Kühlung mit mit Außenluft Hybrid-Rückkühler nassem Rückkühler 80% Nennvol.strom Installierte / Benötigte Leistung Variante 0 Variante 1 Variante 2 Variante 3 Serverleistung kW 400 Kälteleistung Leistung Freie Kühlung Energieverbrauch Strom kWh/a 3.504.000 Deckungsanteil Rückkühler % 0% 80% 73% 66% Kälte Netz 700.800 946.080 1.191.360 Kälte Rückkühler 2.803.200 2.557.920 2.312.640 Stromverbrauch Freie Kühlung 243.333 60.750 100.650 Wasserverbrauch Freie Kühlung m³/a 2315 4253 Betriebskosten (Preise 01.01.08) Arbeit Strom €/kWh 0,060 Wasser €/m³ 4,0 Kälte 0,02 Summe Energiekosten €/a 280.320 238.856 242.068 257.116 Mittlere Energiekosten über 15 Jahre 385.720 328.666 330.825 349.641 Mehrkosten Instandhaltung über 15 Jahre 4.754 5.965 2.432 annuisierte Einsparung 52.300 € 48.930 € 33.647 € Investitionskosten € 221.660 296.131 174.407 Einsparungen Energiekosten 57.054 54.895 36.079 Baunutzungskosten über 15 Jahre 347.579 357.387 362.148 Amortisationszeit a 4,9 7,4 6,1 Primärenergieeinsparung 2.146.200 2.393.895 2.040.885 16,6% 18,5% 15,7% CO2-Einsparung t/a annuisierte Investitionskosten - 21.355 € - 28.530 € - 16.803 €

GREEN BUILDING IM DATACENTER?

WENN ES NICHT MEHR KOSTET ? JA! WENN ES NICHT MEHR KOSTET ?

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

Investoren/ Entwickler Alle 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 „CO2-Footprint“ Effiziente Flächennutzung/ weniger Versiegelung Verbesserung Luft/ Klima Ressourcenschonung Lebensqualität Mieter Corporate Image Betriebskosten Höhere Produktivität durch Mitarbeiterzufriedenheit und niedrigeren Krankenstand, höhere Attraktivität im Recruitment

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

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

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

SYSTEMPLANUNG

LEBENSUHR EINER IMMOBILIE Die wesentlichen Phasen im Lebenszyklus eines Gebäudes LEBENSUHR EINER IMMOBILIE Definition Konzeption Planung Realisierung 12 11 1 10 2 Definition 6 Monate = 6 min Konzeption 9 Monate = 9 min 1 Std. Planungsvorlauf 15 Monate = 15 min 9 3 Realisierung 30 Monate Renovierung = 30 min Betrieb ca. 55 Jahre 11 Std. Renovierung Renovierung 8 4 5 7 6

Beeinflussbarkeit eines Projekts Entwurfs- und Genehmigungs- planung Ausführungs- und Detailplanung Grundlagen- ermittlung Vorplanung Ausschreibung, Vergabe % Bauausführung 100 Systemplanung 75 35 Einfluss einer alternativen Vergabemöglichkeit Abwehr von Änderungen 10 1/4 1/2 3/4 Fertigstellung

Üblicher Planungsablauf Planerseite Nutzer-/Bauherrenseite Ergebnisse Grundlagen- ermittlung Technische Anforderungen Nutzer/Bauherr Anforderungen 1 Mehrkosten! 2 Vorplanung Anspruchsdefinition Kostendefinition Terminverschiebung! iterativer Prozess Entwurf Zusätzlicher Planungsbedarf andere Konzepte 3 interaktiver Abgleich, Anforderungen iterativer Prozess Ausschreibung + Vergabe 4-7 Zusätzlicher Planungsbedarf Organisatorische Abläufe iterativer Prozess 8 Bauausführung Zusätzlicher Planungsbedarf Betriebliche Abläufe 9 Dokumentation Optimierung Ergänzung Zusätzlicher Planungsbedarf Optimierungsphase Nutzungsphase

Planungsablauf mit Systemplanung Planerseite Nutzer-/Bauherrenseite Ergebnisse Grundlagen- Technische Nutzer-/Bauherren ermittlung Anforderungen Anforderungen 1 Kostensicherheit! Systemplanung Anspruchdefinition Kostendefinition 2 Terminsicherheit! Vorplanung Technisch wirtschaftliches Coaching und Controlling Entwurf Wirtschaftliche und ökologische Konzepte 3 Ausschreibung + Vergabe Organisatorische Abläufe sind in die Planung der eingeflossen 4-7 Bauausführung 8 Betriebliche Abläufe sind in die Planung der eingeflossen 9 Dokumentation Nutzungsphase

TECHNISCH WIRTSCHAFTLICHE BAUBERATUNG TWB

Technisch Wirtschaftliche Bauberatung Thema: Baumangel - Beispiel

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

Erfahrungsregel der Ungleichverteilung Technisch Wirtschaftliche Bauberatung Argumente 80 - 20 - 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 Wirtschaftliches Controlling Praxisbeispiel

COMMISSIONING

COMMISSIONING? Das macht doch die Bauleitung!

Beispiel Komplexität

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

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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