-
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Computerracks, Rechenzentren, Serverräume, od. dgl., umfassend mindestens eine Kompressionskältemaschine mit mindestens einem Verflüssiger, mindestens einem Kompressor zur Verdichtung eines Kühlmittels und mindestens einem Verdampfer zur Entspannung des Kühlmittel in einem Kältekreis.
-
Rechenzentren, Datenverarbeitungsanlagen, Serverräume, od. dgl. werden derzeit mit konventionellen Systemen, wie beispielsweise Kaltwassersätzen mit entsprechenden Innengeräten, die kühle Luft in einem Zwischenboden verteilen, gekühlt.
-
Ein derartiger Kaltwassersatz wird beispielsweise in
EP 0 467 189 B1 beschrieben. Dieser Stand der Technik betrifft einen Kaltwassersatz bestehend aus einem Kälteaggregat mit wenigstens einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Kondensator und einem ein Expansionsventil enthaltenden Kühlmittelkreis, sowie ein Kaltwasserkreis, der im Wärmetausch mit dem Verdampfer des Kälteaggregats steht, sowie einen im Kaltwasserkreis vom Kühlmittel durchflossenen Wärmetauscher.
-
Den herkömmlichen Systemen zur Kühlung von Rechenzentren od. dgl. ist gemein, dass diese relativ viel Energie zur Kühlung benötigen.
-
Die
DE 101 33 905 A1 offenbart eine Kaskaden-Kälteanlage, bestehend aus einem Absorptions- und einem Kompressionskälteprozess mit einer Kompressionskältestufe für eine tiefere Verdampfungstemperatur von –30 Grad Celsius und einer Absorptionskältestufe für eine höhere Verdampfungstemperatur von –10 Grad Celsius. Die Kälteanlage gemäß diesem Stand der Technik ist jedoch für Computerracks, Rechenzentren, Serverräume oder dergleichen vergleichsweise schlecht geeignet.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kühlvorrichtung für Computerracks, Rechenzentren, Serverräume od. dgl. aufzuzeigen, wobei die Kühlung mit geringem Energieaufwand durchführbar sein soll. Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 und 12 gelöst.
-
Die Aufgabe wird insbesondere durch eine Kühlvorrichtung für Computerracks, Rechenzentren, Serverräumen od. dgl. gelöst, welche mindestens eine Kompressionskältemaschine mit mindestens einem Verflüssiger, mindestens einem Kompressor zur Verdichtung eines Kühlmittels und mindestens einem Verdampfer zur Entspannung des Kühlmittels in einem Kältekreislauf umfasst, wobei nach dem Kompressor und dem Verflüssiger mindestens eine thermisch angetriebene Kältemaschine zur Reduktion der Temperatur des Kühlmittels derart zwischengeschaltet ist, dass thermische Energie, welche im Kompressor erzeugt wird, der thermisch angetriebenen Kältemaschine zuführbar ist.
-
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass die Abwärme der Kompressionskältemaschine zum Antrieb einer thermisch angetriebenen Kältemaschine einsetzbar ist. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung wesentlich erhöht werden, was den Energieaufwand senkt. Zudem wird die Anpassungsfähigkeit der Kühlvorrichtung an die schwankende Wärmeabgabe von Computern od. dgl. verbessert.
-
Vorzugsweise ist durch die Kompressionskältemaschine erzeugte Kälte dem Computerrack, Rechenzentrum, Serverraum od. dgl. zu deren Kühlung zuführbar. Dafür kann ein entsprechender Kühlmittelkreislauf vorgesehen sein. Dadurch wird eine konstruktiv einfache Kühlung des Computerracks, Rechenzentrum od. dgl. erreicht.
-
Alternativ oder zusätzlich kann durch die thermisch angetriebene Kältemaschine erzeugte Kälte dem Computerrack, Rechenzentrum, Serverraum od. dgl. zu deren Kühlung zuführbar sein. Insbesondere für den Fall, dass zugleich durch die Kompressionskältemaschine und die thermisch angetriebene Kältemaschine die jeweils erzeugte Kälte dem Rechenzentrum od. dgl. zuführbar ist, kann die entsprechende Temperatur besonders effektiv geregelt werden. Es ist auch vorstellbar, beispielsweise die Kältekompressionsmaschine zur Kühlung des Rechenzentrums einzusetzen und die thermisch angetriebene Kältemaschine zur Kühlung einer weiteren Einrichtung, wie beispielsweise Büroräumen, zu verwenden. Es ist ebenso denkbar, beispielsweise mit der Kompressionskältemaschine das Rechenzentrum zu kühlen und die thermisch angetriebene Kältemaschine als Wärmepumpe auszubilden, um beliebige Einrichtungen zu erwärmen.
-
Vorzugsweise ist mindestens eine thermisch angetriebene Kältemaschine als Absorptionskältemaschine ausgebildet. Durch eine Absorptionskältemaschine kann besonders effizient aus Wärmeenergie Kälte erzeugt werden.
-
Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine thermisch angetriebene Kältemaschine als Adsorptionskältemaschine ausgebildet sein. Auch Adorptionskältemaschinen erzeugen effektiv Kälte mittels zugeführter Wärme. Darüber hinaus eignen sich Adsorptionskältemaschinen auch zur Kältespeicherung, was gerade bei Rechenzentren, Computerräumen od. dgl. mit deren schwankender Wärmeabgabe vorteilhaft ist. Es ist in diesem Zusammenhang auch denkbar, eine derartige Adsorptionskältemaschine als eigenständiges transportables Modul auszubilden, welches bei Bedarf über dafür vorgesehene Anschlussvorrichtungen zusätzlich angeschlossen werden kann. Wie auch bei der Absorptionskältemaschine, ist es auch vorstellbar, die Adsorptionskältemaschine zusätzlich oder alternativ auch mittels Sonneneinstrahlung zu betreiben. Da die Spitzen der Wärmeerzeugung in Computerräumen oder Rechenzentren o. dgl. oft tagsüber zu verzeichnen sind, wenn aufgrund der Tagesschwankungen der Temperatur die Möglichkeiten zur Wärmeabgabe nach außen reduziert sind, ist die Ausnutzung von Wärme der Sonnenstrahlung besonders vorteilhaft.
-
In einer bevorzugten Ausführung ist mindestens einer thermisch angetriebenen Kältemaschine mindestens ein Kühlturm zur Abkühlung von innerhalb der thermisch angetriebenen Kältemaschine erwärmten Kühlmittel nachgeschaltet. Ein derartiger Kühlturm kann natürlich auch mindestens einer Kältekompressionsmaschine nachgeschaltet sein. Ein Kühlturm trägt dazu bei, eine Wärmeaustausch-Effizienz zu erhöhen.
-
Vorzugsweise umfasst die Kühlvorrichtung mindestens ein Puffersystem zum temporären Speichern von Wärme und/oder Kälte. Ein solches Puffersystem kann auch eine Adsorptionskältemaschine umfassen. Ein Puffersystem trägt vor allem dazu bei, dass die Kühlvorrichtung flexibel auf Schwankungen in der Wärmeabgabe reagieren kann. Insbesondere Wärmeabgabe-Spitzen können gut ausgeglichen werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist durch einen thermischen Prozess, insbesondere durch die Kompressionskältemaschine, dem Computerrack, Rechenzentrum, Serverraum od. dgl. in einem oberen Bereich Kälte zuführbar, wohingegen durch einen thermischen Prozess, insbesondere durch die thermisch angetriebene Kältemaschine dem Computerrack, Rechenzentrum, Serverraum od. dgl. Wärme in einem unteren Bereich zuführbar ist. Der obere Bereich macht beispielsweise 60%, insbesondere 40% vorzugsweise 30% der gesamten Vertikalerstreckung des Computerracks, Rechenzentrum, Serverraum od. dgl., beginnend von einem oberen Ende, aus. Der untere Bereich macht entsprechend etwa 60%, vorzugsweise 40%, insbesondere 30% der gesamten Vertikalerstreckung, von einem unteren Ende beginnend, aus. Die Luft in dem oberen Bereich einer Computeranlage od. dgl. ist normalerweise wärmer als die Luft in dem unteren Bereich.
-
Vorzugsweise ist die Kompressionskältemaschine zur direkten Kühlung von Wärmeerzeugern innerhalb des Computerracks, Rechenzentrums, Serverraums od. dgl. ausgebildet. Alternativ kann auch die thermisch angetriebene Kältemaschine entsprechend ausgebildet sein. Insbesondere unter Verwendung einer Flüssigkeitskühlung können dabei empfindliche Wärmeerzeuger, wie beispielsweise Prozessoren, effektiv und gezielt gekühlt werden.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die thermisch angetriebene Kältemaschine zur Kühlung von Raumluft innerhalb des Computerracks, Rechenzentrums, Serverraums od. dgl. ausgebildet. Insbesondere, wenn zugleich die Kompressionskältemaschine zur direkten Kühlung von Wärmeerzeugern ausgebildet ist, wird das durch eine Aufgabentrennung der einzelnen Kältemaschinen erreicht, die effizient und gezielt die verschiedenen Temperatur-Anforderungen einzelner Bauteile der Computeranlage bzw. von sich innerhalb dieser aufhaltenden Personen regeln kann.
-
Vorzugsweise ist die Kompressionskältemaschine von mindestens einer Verbrennungs- und/oder Elektromotor angetrieben, wobei die Kühlvorrichtung ausgebildet ist, so dass Abwärme des mindestens einen Verbrennungs- und/oder Elektromotors zum Antrieb der thermisch angetriebenen Kältemaschine nutzbar bzw. diesem/diesen zuführbar sein kann. Moderne Elektromotoren mit ihrem hohen Wirkungsgrad bzw. ihrer äußerst geringen Wärmeverlustleistung sind dafür natürlich weniger geeignet als Verbrennungsmotoren, die prinzipiell eine relativ hohe Wärmeverlustleistung aufweisen. In jedem Fall kann praktisch die gesamte abgegebene Leistung des Verbrennungs- oder Elektromotors, welche sich üblicherweise aus einer mechanischen und einer thermischen Leistung zusammensetzt, genutzt werden. Auch diese Maßnahme erhöht zusätzlich die Effizienz der Kühlvorrichtung.
-
In einem eigenständigen Aspekt wird auch eine Kühlvorrichtung für Computerracks, Rechenzentren, Serverräume od. dgl. aufgezeigt, bei der innerhalb des Computerracks, Rechenzentrums, Serverraums od. dgl. erzeugte Wärme, insbesondere Prozesswärme einer thermisch angetriebenen Kältemaschine zuführbar ist. Durch eine derartige Kühlvorrichtung wird durch die Ausnutzung von anfallender Wärme auf energieeffiziente Art und Weise Kälte erzeugt, die wiederum zur Kühlung des Computerracks, Rechenzentrums, Serverraums od. dgl. verwendet werden kann.
-
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden.
-
Hierbei zeigen:
-
1 ein Prinzipschaltbild eines Kühlmittelkreislaufes mit einer ersten Ausführungsform einer Kühlvorrichtung;
-
2 ein Prinzipschaltbild mit einer alternativen Ausführungsform der Kühlvorrichtung; und
-
3 ein Prinzipschaltbild mit einer weiteren alternativen Ausführungsform der Kühlvorrichtung.
-
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet. Die angegebenen Parameterwerte, insbesondere für die Temperatur und Leistung sowie den Wirkungsgrad sollen rein beispielhaft bzw. theoretisch einschränkend verstanden werden und gelten. Die konkreten Zahlenwerte sind prinzipiell beispielsweise von eingesetzten Kältemitteln abhängig und können variieren. Laufende Entwicklungen von Kältemittel, insbesondere Hochtemperatur-Kältemitteln können die genannten Werte beeinflussen.
-
1 zeigt ein Prinzipschaltbild mit einer ersten Ausführungsform einer Kühlvorrichtung 10 und einen Serverraum 1. Die Kühlvorrichtung 10 umfasst einen Elektromotor 11, eine Kompressionskältemaschine 12, eine thermisch angetriebene Kältemaschine 13 und einen Kühlturm 14.
-
Der Elektromotor 11 treibt die Kompressionskältemaschine 12 an. Die Kompressionskältemaschine 12 umfasst einen Kompressor, einen Verflüssiger und einen Verdampfer (nicht in den Figuren gezeigt). Die Kompressionskältemaschine 12 steht mit dem Serverraum 1 über den Verdampfer in Wärmeaustausch und steht zugleich über den Verflüssiger mit der thermisch angetriebenen Kältemaschine 13 in Wärmeaustausch. Dadurch wird die beim Verflüssigungsprozess üblicherweise frei werdende Wärme nicht ungenutzt an die Umgebung abgegeben, sondern der thermisch angetriebenen Kältemaschine 13 zur weiteren Nutzung zugeführt.
-
Zum Wärmeaustausch zwischen zu kühlendem Raum und/oder zu kühlenden Prozess und Kompressionskältemaschine und/oder thermisch angetriebener Kältemaschine ist beispielsweise ein Direktverdampfer (nicht in Figuren gezeigt) innerhalb des zu kühlenden Raums und/oder des zu kühlenden Prozesses angeordnet.
-
Die thermisch angetriebene Kältemaschine 13 steht ebenfalls mit dem Serverraum 1 und außerdem mit dem Kühlturm 14 in Wärmeaustausch. Dadurch wird der Serverraum 1 zusätzlich gekühlt.
-
Folgendes, nicht einschränkend zu verstehendes Zahlenbeispiel soll die Funktionsweise der Kühlvorrichtung 10 verdeutlichen. Kühlmittel, welches von der Kompressionskältemaschine 12 kommend über einen nicht gezeigten Wärmetauscher dem Serverraum 1 Wärme entnimmt, erhöht sich von 8–10°C auf 14–16°C und nimmt dabei eine Wärmeleistung von etwa 100 kW auf. Weiterhin gibt die Kompressionskältemaschine 12 eine Wärmeleistung von 130 kW an die thermisch angetriebene Kältemaschine 13 ab, wobei die Temperatur eines Kühlmittels vor der Wärmeabgabe 85°C und nach der Wärmeabgabe 75°C beträgt. Die thermisch angetriebene Kältemaschine 13 nimmt eine Wärmeleistung von etwa 100 kW auf, wobei die Temperatur des Kühlmittels vor der Wärmeaufnahme etwa 6°C und nach der Wärmeaufnahme etwa 12°C beträgt. Weiterhin gibt die thermisch angetriebene Kältemaschine 13 eine Leistung von etwa 230 kW an den Kühlturm 14 ab, wobei die Temperatur des Kühlmittels vor der Wärmeabgabe 33°C beträgt und nach der Wärmeabgabe 27°C. Der Elektromotor 11 liefert eine Leistung von 30 kW. Einer Wärmeleistungsaufnahme bzw. Kälteleistungsabgabe der Kühlvorrichtung 10 von 200 kW steht also eine Leistungsabgabe des Elektromotors 11 von 30 kW gegenüber. Der Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung (coefficient of performance; COP) beträgt also etwa 6,7.
-
2 zeigt einen Kühlmittelkreislauf mit einer alternativen Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10. Es wird ein Kühlmittel mit niedriger Temperatur einem EDV-Raum 2 mit Innengeräten 3 zugeführt. Die Innengeräte 3 nehmen bei der niedrigen Temperatur (z. B. 10°C) Wärme auf, so dass das Kühlmittel bei seinem Austritt eine erhöhte Temperatur (z. B. 14°C) aufweist. Das dem EDV-Raum zugeführte Kühlmittel wird aus der Kompressionskältemaschine zugeführt. Das abgeführte Kühlmittel wird der thermisch angetriebenen Kältemaschine 13, welche hier konkret als Adsorptionskältemaschine oder Absorptionskältemaschine (AK) ausgebildet sein kann, zugeführt. Die thermisch angetriebene Kältemaschine 13 nimmt Abwärme von der Kompressionskältemaschine 12 auf und kühlt mit dieser das aus dem EDV-Raum 2 kommende Kühlmittel ab (z. B. auf 12,22°C). Die Kompressionskältemaschine wird von einem Elektromotor 11 angetrieben und entzieht dem aus der thermisch angetriebenen Kältemaschine 13 bzw. dem EDV-Raum 2 kommenden Kühlmittel weiter Wärme, so dass dies mit der oben erwähnten niedrigen Temperatur von beispielsweise 10°C dem EDV-Raum 2 wieder zugeführt wird.
-
Die zum Antrieb der thermisch angetriebenen Kältemaschine 13 benötigte Wärmeenergie ist der Kompressionskältemaschine 12 entnommen. Ein zwischen Kompressionskältemaschine und thermisch angetriebener Kältemaschine 13 zirkulierendes Kühlmittel weist beispielsweise beim Austritt aus der thermisch angetriebenen Kältemaschine 13 eine Temperatur von 70°C und beim Austritt aus der Kompressionskältemaschine 12 eine Temperatur von 80°C auf. Kühlmittel, welches zwischen thermisch angetriebener Kältemaschine 13 und dem Kühlturm 14 zirkuliert, weist beispielsweise eine Temperatur von 32°C beim Austritt aus der thermisch angetriebenen Kältemaschine 13 auf und eine Temperatur von 27°C beim Austritt aus dem Kühlturm 14. Der Kühlturm 14 gibt Wärme an eine Umgebung 4 ab.
-
Das folgende Rechenbeispiel soll die Energieeffizienz der Ausführungsform der Kühlvorrichtung gemäß 2 zeigen. Auch hier sind die angegebenen Zahlenwerte rein exemplarisch zu verstehen.
-
Der Elektromotor liefert im vorliegenden Beispiel eine Leistung von 1 kW. Der Wirkungsgrad soll theoretisch 100% betragen; dieser Wirkungsgrad wird durch moderne Elektromotoren ohne Weiteres, zumindest annähernd, erreicht. Die Kompressionskältemaschine 12 soll einen COP von 3 aufweisen. Die thermisch angetriebene Kältemaschine 13 soll einen COP von 0,6 aufweisen. Bei den beiden genannten COP-Werten handelt es sich um übliche, von Kompressionskältemaschinen oder thermisch angetriebenen Kältemaschinen ohne Weiteres erreichbare Werte. Die Kompressionskältemaschine 12 gibt eine Wärmeleistung von 4 kW an die thermisch angetriebene Kältemaschine 13 ab. Die thermisch angetriebene Kältemaschine wiederum gibt eine Wärmeleistung von 6,4 kW an den Kühlturm ab. Die von der thermisch angetriebenen Kältemaschine 13 erzeugte Kälteleistung errechnet sich aus dem Produkt von aufgenommener Wärmeleistung multipliziert mit dem COP-Wert von 0,6. Es ergibt sich also eine abgegebene Kälteleistung von 2,4 kW. Die von der Kompressionskältemaschine erzeugte Kälteleistung errechnet sich aus dem Produkt vom COP-Wert der Kompressionskältemaschine mit der Antriebsleistung des Elektromotors von 1 kW, beträgt also 3 kW. Insgesamt wird also eine Kälteleistung von 5,4 kW erzeugt und dem EDV-Raum 2 zugeführt. Daraus ergibt sich ein COP-Gesamtwert von 5,4. Vergleicht man diesen COP-Gesamtwert von 5,4 mit dem COP-Wert der Kompressionskältemaschine 12, der den Wert 3 einnimmt, so sieht man, dass der Wirkungsgrad gegenüber einer Anlage ohne zwischengeschalteter thermisch angetriebener Kältemaschine 13 nahezu doppelt so hoch ist.
-
Optional kann in der Ausführungsform gemäß 2 noch eine Verdunstungs-Kühlungs-Vorrichtung beispielsweise in einem Dach-Raum 5 vorgesehen sein. In dem Dachraum 5 können beispielsweise Außengeräte 7, welche als Wärmetauscher dienen, vorgesehen sein. Die Verdunstungs-Kühlungsvorrichtung des Dach-Raums 5 kann, wie durch die gestrichelten Pfeile 6 skizziert, zwischengeschaltet werden und die Kühlungsleistung der Kühlvorrichtung 10 weiter erhöhen. Das obige Rechenbeispiel wurde jedoch ohne zwischengeschaltete Verdunstungs-Kühlungs-Vorrichtung durchgeführt.
-
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10 zusammen mit dem EDV-Raum 2. Der Unterschied zur Ausführungsform gemäß 2 besteht darin, dass an Stelle eines Elektromotors ein Verbrennungsmotor 15 zum Antrieb der Kompressionskältemaschine 12 vorgesehen ist. Die Abwärme des Verbrennungsmotors 15 bzw. die Motor-Verlust-Leistung wird der thermisch angetriebenen Kältemaschine 13 zugeführt und geht damit nicht nutzlos verloren. Durch diese Ausnutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors 15 kann der COP-Gesamtwert auf 6,6 (Rechnung analog zur Ausführungsform nach 2), bezogen auf die reine Motorleistung, erhöht werden. Dies entspricht mehr als dem Doppelten des COP-Wertes der Kompressionskältemaschine, der isoliert betrachtet, bezogen auf die reine Motorleistung, den Wert „3” einnimmt. Auch auf die Brennstoff-Leistung bezogen ergibt sich immer noch ein COP-Gesamtwert von erstaunlichen 2,2. Insgesamt wird also der COP-Wert (also der Wirkungsgrad; siehe oben) gegenüber herkömmlichen Kaltwassersätzen deutlich gesteigert.
-
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere mit den in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Serverraum
- 2
- EDV-Raum
- 3
- Innengerät
- 4
- Umgebung
- 5
- Dach-Raum
- 6
- gestrichelter Pfeil
- 7
- Außengeräte
- 10
- Kühlvorrichtung
- 11
- Elektromotor
- 12
- Kompressionskältemaschine
- 13
- thermisch angetriebene Kältemaschine
- 14
- Kühlturm
- 15
- Verbrennungsmotor
