DE10029664A1

DE10029664A1 - Klimasystem für zentrale Aufstellungsräume von Nachrichten- und Rechentechnik

Info

Publication number: DE10029664A1
Application number: DE2000129664
Authority: DE
Inventors: Uwe Zeiler; Torsten Muecker; Michael Hasdorf
Original assignee: Individual
Current assignee: Hasdorf Michael 13187 Berlin De; Muecker Torsten 13089 Berlin De; ZEILER, UWE, 01896 PULSNITZ, DE
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2000-06-23
Publication date: 2002-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft die Klimatisierung stationärer IT-Technik, insbesondere in Knoten der Sprachkommunikation und Internettechnologie sowie in zentralen Datenverarbeitungsanlagen. Zweck der Erfindung ist es, die Ausfallsicherheit konventioneller Klimasysteme mit vergleichsweise geringem Mehraufwand an Investitionskosten zu erhöhen. Erfindungsgemäß ist eine mehrschienige, zumindest 3-schienige Kälteversorgung - bei geforderten Raumtemperaturen von 20-25 DEG C vorzugsweise eine 3-schienige und bei geforderten Raumtemperaturen von 19-22 DEG C vorzugsweise eine 4-schienige Kälteversorgung - systemimmanent; die Anzahl der Kälteerzeuger ist gemäß n + 1 festgelegt. Bei Ausfall einer Kälteerzeugungseinheit erbringen die verbleibenden Kälteerzeuger mindestens die redundante Leistung. Neben nahezu 100%iger Betriebssicherheit infolge der Vermaschung Kältemaschinen-Rückkühlwerke sind die wesentlich geringeren Betriebskosten und insbesondere die vergleichsweise geringen Investitionskosten Vorteile des gefundenen Systems.

Description

Das erfindungsgemäße System dient zur Klimatisierung stationärer IT- Anlagen, insbesondere für zentrale Knoten der Sprachkommunikation und der Internettechnologie sowie für zentrale Datenverarbeitungsanlagen, Data- und Call-Center, für die höchste Sicherheitsanforderungen charakteristisch sind. Neben Fragen der Zutrittsberechtigung für Bedien- und Wartungspersonal, Vermeidung von Störquellen durch Zusatztechnik hinsichtlich Schall-, Brandentwicklung, Wasseraustritt und anderen steht die Sicherung der ununterbrochenen Klimatisierung solcher Anlagen nach Inbetriebnahme als zentrale Forderung, da deren Hauptkomponenten, also Rechner, Server, Router u. a., permanent Wärme abgeben.

Lange Zeit kam man in den Aufstellungsräumen aufgrund der spezi fischen Leistungsaufnahme der Nachrichten- und Rechentechnik mit einer vergleichsweisen geringen Kühlleistung aus. Solche Kühlleistungen konnten problemlos durch 1-schienige Kühlsysteme erreicht werden. Infolge des noch günstigen Verhältnisses der Wärmelasten zum Speichervolumen der Raum- und Technikkonstruktion war ein kurz zeitiges Abschalten zu Wartungs- und Reparaturzwecken möglich, ohne daß die Raumkonditionen die für den ordnungsgemäßen Betrieb der IT- Technik erforderlichen Werte überschritten.

Im Zuge der Weiterentwicklung der IT-Technik (höhere Datenüber tragungsmengen bedingen höhere Rechenleistungen) erhöhten sich die spezifischen Flächenkühllasten in erheblichem Maße. Infolge des im Verhältnis zu den spezifischen Wärmelasten kaum noch ins Gewicht fallenden Speichervolumens der Raum- und Technikkonstruktion verkürzen sich die möglichen Reaktionszeiten bei Ausfall der Klima tisierung, gleich ob durch Defekt von Einzelteilen des Kühlsystems, Fehlfunktion oder routinemäßiger Wartung verursacht, auf wenige Minuten. Aus diesem Grund können 1-schienige Klimasysteme die Versorgung unter allen Umständen nicht mehr gewährleisten.

Auch die - vordergründig aus Kosten-, Platz- und Zeitgründen übliche etagen- oder abschnittsweise Trennung der Kälteversorgungssysteme, bei der der Ausfall der Versorger oder der Versorgungsleitungen der betreffenden Geräte im Aufstellungsbereich billigend in Kauf genommen wird, kann in dieser Hinsicht nicht befriedigen. Bei Ausfall einer Haupt komponente oder eines Hauptversorgungsstranges kann es zum Ausfall des gesamten Systems kommen.

Die Verminderung der ausfallbedingten Leistung kann durch nachfolgend beschriebene Ausführungsarten verändert werden. Es ist bekannt, daß Risiko des Ausfalls der Kühlleistung durch Mehrfachsicherheit oder Ein beziehung dezentraler Systeme zu minimieren. So haben sich besonders im Schiffs- und Flugzeugbau sowie in der chemischen Industrie Systeme mit 2-facher Sicherheit durchgesetzt. Dadurch, daß die Hauptkompo nenten bzw. kompletten Systeme 2-fach vorhanden sind, kann bei Ausfall sofort auf die andere Komponente bzw. das andere System geschaltet werden. Nachteilig sind natürlich die hohen Investitionskosten und die erheblichen Platzprobleme.

Systeme mit 3-fach Sicherheit, charakterisiert durch das 3-fache Vorhan densein aller Hauptkomponenten, finden sich in der in der chemischen Industrie, der Atomwirtschaft und der Raumfahrt. Der offensichtliche Vorteil einer solchen Strukturierung ist, daß bei Ausfall einer Komponente auf die redundante Systemkomponente umgeschaltet werden kann; fällt auch diese während der Reparatur- oder Wartungsphase aus, kann zudem auf die 3. Systemkomponente zurück gegriffen werden. Dem stehen allerdings sehr hohe Investitionskosten und sehr große Platz probleme gegenüber.

Auch dezentrale Systeme lösen die Problemstellung, insbesondere unter betriebswirtschaftlichen Aspekten, nur bedingt befriedigend. Bei diesen Systemen erfolgt die Kälteerzeugung gemäß der Formel n+1, d. h. bei Ausfall einer dezentralen Komponente (z. B. Klimaschrank mit integrierter Kältemaschine) erbringen die restlichen Komponenten die benötigte Leistung. Dezentrale Geräte benötigen jedoch in jedem Fall wegen Nutzung der Freikühlung und notwendiger Wärmeabfuhr eine direkte Verbindung nach außen, was nicht in jedem Fall möglich ist. Der Vorteil der vergleichsweise moderaten Investitionskosten wird bei weitem durch den Nachteil der hohen Wartungs- und hohen Betriebskosten aufge hoben. Denn statt einer geringen Anzahl von Kälteerzeugern muß eine hohe Anzahl gewartet werden und die verwendeten kleinen Kälteerzeu gungsanlagen haben erfahrungsgemäß ein schlechteres Energie-Nutzen- Verhältnis als große Kälteerzeugungsanlagen. Hinzu kommt, daß, wenn keine direkte Verbindung der dezentralen Geräte zur Außenluft möglich ist, entweder n-Stränge zu dezentralen Rückkühlwerken im Gebäude verlegt werden müssen oder die Wärmeabfuhr erfolgt über zentrale Rückkühlwerke, wobei man hierbei nicht mehr von einer reinen dezen tralen Lösung sprechen kann.

Ziel der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Dabei steht die Aufgabe, permanent Kälteleistung zur kontinuierlichen Abfuhr der Abwärme der IT-Technik bei Erhöhung der Aufstellungsfläche der IT-Technik im Verhältnis zur notwendigen Auf stellungs- und Montagefläche der Kühltechnik mit hoher Versorgungs sicherheit bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Klima system bei beispielsweise geforderter Raumtemperatur von 19-22°C eine 4-schienige und bei beispielsweise geforderter Raumtemperatur 20-25°C eine 3-schienige Kälteversorgung installiert und die Anzahl der notwendigen Kälteerzeuger gemäß n+1 festgelegt ist. Das heißt, bei Ausfall einer Kälteerzeugungseinheit erbringen die verbleibenden Kälteerzeuger mindestens die redundante Leistung. Die notwendige Kühlleistung ist hierfür in bekannter Weise auf der Grundlage der Gebäudeanforderungen, der einschlägigen Vorschriften und Kunden anforderungen ermittelt.

Kommen beispielsweise bei einer 3-schienigen Auslegung pro Schiene zwei Kälteerzeuger zum Einsatz, insgesamt also sechs, müssen fünf Kälteerzeuger die redundante Leistung erbringen; es besteht eine 20%ige Sicherheit. Kälteerzeugungseinheiten können sein:

a) Mindestens 1 Kältemaschine (KM) entsprechend der notwendigen Leistung pro Schiene
b) Maximal n Kältemaschinen, die in der Summe die notwendige Leistung pro Schiene erbringen.

Die Größe und Auswahl der Rückkühlwerke (RKW) entspricht vorteil hafterweise in etwa der notwendigen Rückkühlleistung bzw. der jeweiligen Kälteversorgungsschiene.

Die Anzahl der notwendigen Umluftklimageräte (ULK), aufgrund der maximalen Ausnutzung des Freikühlbetriebes ausgelegt bei hohem Temperaturniveau, sollte pro Raumeinheit mindestens der Mindestanzahl der gewählten Stromkreise pro Schiene entsprechen. Aufgrund der herstellungsbedingten Leistungsgrenzen einerseits und der Raumstruktur andererseits kann die Anzahl der notwendigen Umluftklimageräte auch erhöht werden, wobei aus Gründen einer symmetrischen Lastverteilung eine Vervielfachung der Anzahl der Klimageräte ein ganzes Vielfaches der Schiene ergeben sollte. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist dies jedoch nicht zwingend notwendig. Bei einer 3-schienigen Versorgung müssen also mindestens 3 Umluftklimageräte installiert sein, empfohlen sei aber 6/9/12 usw.; analog bei einer 4-schienigen Versorgung 4 Umluftklimageräte bzw. 8/12/16 usw.

Pro Schiene wird erfindungsgemäß ein Plattenwärmetauscher (PWT, vgl. Fig. 1) eingesetzt, der dahingehend ausgelegt ist, daß damit das Klimasystem in einer maximalen Zeitspanne im Freikühlbetrieb, d. h. ohne Einschalten der Kälteerzeuger betrieben wird. Die Einzelkomponenten sind gemäß Fig. 1 miteinander verbunden; je nach Größe und Auslegung der Anlage kann eine Reihe von Unterverteilern je Schiene zum Einsatz kommen.

Die Kälteerzeugung erfolgt im Normalfall für jede Schiene autark; die Kälteerzeugungsleistungen sind für den Notbetrieb ausgelegt (niedriges Temperaturniveau). Im Normalbetrieb erzeugen die Kälteerzeuger Kalt wasser mit einem hohen Temperaturniveau, demgemäß sind die Umluft klimageräte ausgelegt. Es hat sich hierbei in überraschender Weise herausgestellt, daß bei Einhaltung der Auslegungsvorschriften (KM - Auslegung nach Notfall, ULK - hohes Temperaturniveau wegen Freikühl betrieb) und der erfindungsgemäßen 3- oder 4-schienigen Verteilung bei Ausfall einer Schiene die verlbleibenden Schienen mit ihren Komponenten die notwendige Kälteleistung nach Umschalten der verbleibenden Kälte erzeuger das niedrige Temperaturniveau erbringen, ohne daß dabei an der wasserseitigen (Pumpen) oder luftseitigen Hydraulik (Ventilatoren) zusätzlich Veränderungen vorgenommen werden müssen. Dies erspart hier störanfällige Drehzahlregelungen.

Zur Überbrückung von Ausfallzeiten der Hauptverteiler bei gleichzeitigem Ausfall einer Kältemaschine (z. B. durch Wartung) oder umgekehrt sind die Kälteerzeuger miteinander gekoppelt (s. Fig. 1, Verkopplung KM). Im Normalbetrieb sind die Schieren jedoch abgeschottet. Die Rückkühlwerke sind im Normalfall so geschaltet, daß jeder Kälteerzeugungseinheit ein Rückkühlwerk zugeordnet ist. Zur Überbrückung von Ausfällen der Rückkühlwerke oder Kältemaschinen werden die Rückkühlwerke und die Kältemaschinen so miteinander verbunden, daß eine Kältemaschine auf ein anderes Rückkühlwerk umgeschaltet bzw. ein Rückkühlwerk von zwei unterschiedlichen Kältemaschinen angefahren werden kann. Dies erfolgt entweder durch Verbindungsleitungen gemäß Fig. 1 oder Ringleitungen gemäß Fig. 2.

Zur Verringerung der Betriebsstunden und Betriebskosten der Kälte erzeugungsanlagen werden die Plattenwärmetauscher pro Schiene so angeordnet, daß im monovalenten Betrieb die gesamte notwendige Kühlleistung unter Umgehung der Kälteanlagen direkt durch die Platten wärmetauscher erbracht wird (Fig. 1 und 3). In der bivalenten Fahrweise können die Plattenwärmetauscher und Kältemaschinen (Fig. 4) bei entsprechenden Temperaturen gleichzeitig betrieben werden, so daß ein Teil der benötigten Kälteleistung direkt durch die Plattenwärmetauscher durch Absenkung der Kaltwasserrücklauftemperatur des von den Umluftklimageräten zurückkommenden Wassers erbracht werden kann und die Differenzleistung durch die Kältemaschinen erzeugt wird. Plattenwärmetauscher und Kälteerzeuger sind in Reihe geschaltet. Gleichzeitig wird ein Teil des vom Rückkühlwerk zurückkommenden Kühlwassers abgezweigt und ebenfalls über die Plattenwärmetauscher geleitet. Das Kühlwasser nimmt dabei Wärme auf. Das so erwärmte Kühlwasser wird aber nicht dem Kreislauf der Kältemaschine beigemischt, sondern nach Austritt des Kühlwassers aus der Kältemaschine mit diesem vermischt und in Parallelschaltung zum Rückkühlwerk zurück geleitet Diese Anordnung und Fahrweise führt zur Verringerung der Betriebsleistung der Kältemaschinen.

Aufgrund der hohen spezifischen Kälteleistung ist die häufig praktizierte Art der Notkühlung durch direkte Einspeisung von Wasser aus dem öffentlichen Netz zur kompletten Deckung der Kälteleistung nicht mehr ausreichend.

Durch die Anordnung und Auslegung der Plattenwärmetauscher erfolgt jedoch die Notkühlung erfindungsgemäß durch entsprechende Schaltun gen über die Plattenwärmetauscher. Hierfür kann Wasser aus einem Wasserreservoir, Wasser aus einem Brunnen, Wasser aus dem öffentlichen Netz oder Eisspeicher genutzt werden.

Diese Notkühl-Wasserquellen haben eine Temperatur, die etwa der ausgelegten Eintrittstemperatur der Umluftklimageräte entspricht. Aus diesem Grund kann die zur Verfügung stehende Wassermenge bei Einsatz einer Notkühlung, z. B. Komplettausfall aller Rückkühlwerke, vollständig die Umluftklimageräte einer Schiene mit Kaltwasser versor gen. Das Temperaturniveau des zurückkommenden Kaltwassers ist dann noch ausreichend, um über einen internen Kreislauf, der durch Öffnen einer Kurzschlußstrecke und Schließen der Systemtrennung eröffnet wird (Fig. 5) über die vorhandenen Plattenwärmetauscher einen Notbetrieb der Kältemaschinen aufrecht zu erhalten, indem die von den Kältemaschinen erzeugte Wärme über die Plattenwärmetauscher vom Notbetriebswasser bis zu einer sich aus den Betriebsdaten der Kältemaschinen ergebenden Temperatur erwärmt wird. Das Wasser tritt über eine druckgeregelte Austrittsarmatur aus diesem internen Kreislauf aus.

Die Vorteile der entwickelten technischen Lösung liegen - neben der nahezu 100%igen Betriebssicherheit und den relativ geringen Betriebs kosten - vor allem in den gegenüber den Systemen mit 2-facher und 3-facher Sicherheit vergleichsweise geringen Investitionskosten. Auch gegenüber sonstigen Systemen sind die Vorteile nachhaltig, da die notwendigerweise vorhandenen Komponenten erfindungsgemäß für mehrere Funktionen verwendet werden und infolge dessen sich die Investitionskosten nur geringfügig erhöhen. Das bedeutet, daß sämtliche Systemkomponenten unter dem Aspekt ausgelegt, angeordnet und verschaltet sind, so daß eine minimale Anzahl der notwendigen System komponenten ein Maximum an Schaltungsmöglichkeiten zur Über brückung von sämtlichen denkbaren Systemausfällen bietet.

Die Erfindung ist, wie bereits vorstehend hingewiesen, anhand 5 schema tischer Darstellungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen die Figuren die beschriebene Strukturierung, nämlich

Fig. 1 die Gesamtlösung, Fig. 2 vordergründig die Ringleitung, Fig. 3 den monovalenten Freikühlbetrieb, Fig. 4 den bivalenten Freikühlbetrieb und Fig. 5 den internen Notkühlkreis.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

KM Kältemaschine
PWT Plattenwärmetauscher
RKW Rückkühlwerk
S Schiene
ULK Umluftklimageräte
USV Unabhängige Stromversorgung
Systemtrennung

Claims

1. Klimasystem für Aufstellungsräume von Nachrichten- und Rechen technik mit an sich bekannten Komponenten, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrschienige, mindestens 3-schienige Kälteversorgung installiert und die Anzahl der Kälteerzeuger gemäß n+1 festgelegt ist, die Mindestanzahl der Umluftklimageräte pro Raumeinheit der Mindestanzahl der Anzahl der Schienen entspricht, pro Schiene ein Plattenwärme tauscher verwendet ist und die Rückkühlwerke, im Normalfall so geschal tet, daß jeder Kälteerzeugereinheit ein Rückkühlwerk zugeordnet ist, bei Ausfallen der Rückkühlwerke oder Kältemaschinen so miteinander verbunden sind, daß eine Kältemaschine auf ein anderes Rückkühlwerk umgeschalten werden kann bzw. ein Rückkühlwerk von mehreren unterschiedlichen Kältemaschinen mittels Kurzschlußstrecken oder Ringleitungen anfahrbar ist.

2. Klimasystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine 4-schienige Kälteversorgung installiert ist.

3. Klimasystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die 4-schienige Kälteversorgung bei einer geforderten Raumtemperatur von 19-22°C installiert ist.

4. Klimasystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine 3-schienige Kälteversorgung installiert ist.

5. Klimasystem nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die 3-schienige Kälteversorgung bei einer geforderten Raumtemperatur von 20-25°C installiert ist.

6. Klimasystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 4, vorzugsweise 8 oder 12 oder 16 Umluftklimageräte ein gesetzt sind.

7. Klimasystem nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 3, vorzugsweise 6 oder 9 oder 12 Umluftklimageräte eingesetzt sind.

8. Klimasystem nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im monovalenten Betrieb die Plattenwärmetauscher die gesamte not wendige Kühlleistung direkt erbringen.

9. Klimasystem nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei bivalentem Betrieb die Plattenwärmespeicher und Kältemaschinen gleichzeitig die Kälteleistung erbringen.

10. Klimasystem nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Freikühlbetrieb ausgelegte Plattenwärmetauscher zur Notküh lung eingesetzt ist.