GEBÄUDETECHNIK IM DATA CENTER

Präsentation zum Thema: "GEBÄUDETECHNIK IM DATA CENTER"—  Präsentation transkript:

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

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

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 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

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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

11 VERSORGUNG IM DOPPELBODEN
Datentechnik Kälte Stromversorgung EDV 1 - 3 Löschtechnik

12 DATENTECHNIK AN DER DECKE
Kälte Löschtechnik Stromversorgung EDV 1 - 3

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

14 AUFSTELLUNGSKONZEPT

15 RAUMANORDNUNG - VARIANTE 1
Schrankaufstellung gruppiert nach Kühlsystem

16 RAUMANORDNUNG - VARIANTE 2
Schrankaufstellung gruppiert nach Nutzer

17 RAUMANORDNUNG - VARIANTE 3
Schrankaufstellung Mischform Nutzer/Funktion

18 ANFORDERUNGEN

19 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

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

21 LUFTFÜHRUNG OHNE OPTIMIERUNG

22 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

23 LUFTFÜHRUNG SCHRANKLÜFTUNG

24 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

25 LUFTFÜHRUNG WARM-KALTGANG

26 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

27 WARM-KALTGANG EINHAUSUNG
LUFTFÜHRUNG WARM-KALTGANG EINHAUSUNG

28 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

29 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

30 KÜHLUNG FÜR DEN BLADESERVER

31 Bild: IBM

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

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 Wärmetauscher hinten ULK ULK

34 Luftführung Schrankkühlung, Hersteller

35 LEITUNGSVERBINDUNG FÜR HARDWAREKÄLTE

36 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

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

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

39 Varianten zur Freikühlung
Direktkühler (Außenluft) Trockenkühler Hybridkühler

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 ENERGIEEINSPARMASSNAHMEN ?
WAS VERHINDERT ENERGIEEINSPARMASSNAHMEN ?

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

44 FEHLENDER ENERGIEEFFIZIENZ
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
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)

50 SCHWACHSTELLENANALYSE
behinderte Luftführung geschlossene Türen

51 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

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

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

54 BEWERTUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ UND WIRTSCHAFTLICHKEIT

55 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

56 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 Deckungsanteil Rückkühler % 0% 80% 73% 66% Kälte Netz Kälte Rückkühler Stromverbrauch Freie Kühlung 60.750 Wasserverbrauch Freie Kühlung m³/a 2315 4253 Betriebskosten (Preise ) Arbeit Strom €/kWh 0,060 Wasser €/m³ 4,0 Kälte 0,02 Summe Energiekosten €/a Mittlere Energiekosten über 15 Jahre Mehrkosten Instandhaltung über 15 Jahre 4.754 5.965 2.432 annuisierte Einsparung € € € Investitionskosten € Einsparungen Energiekosten 57.054 54.895 36.079 Baunutzungskosten über 15 Jahre Amortisationszeit a 4,9 7,4 6,1 Primärenergieeinsparung 16,6% 18,5% 15,7% CO2-Einsparung t/a annuisierte Investitionskosten € € €

57 GREEN BUILDING IM DATACENTER?

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

59 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

60 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

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

62 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

63 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

64 SYSTEMPLANUNG

65 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

66 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

67 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

68 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

69 TECHNISCH WIRTSCHAFTLICHE BAUBERATUNG TWB

70 Technisch Wirtschaftliche Bauberatung Thema: Baumangel - Beispiel

71 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

72 Erfahrungsregel der Ungleichverteilung
Technisch Wirtschaftliche Bauberatung Argumente 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

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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