DE102010016516A1

DE102010016516A1 - Verfahren zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems zur Kühlung eines Serverraumes sowie das zugehörige Kühlsystem

Info

Publication number: DE102010016516A1
Application number: DE201010016516
Authority: DE
Inventors: Günter Kimmig; Elmar Sporer
Original assignee: AETEBA GmbH
Current assignee: AETEBA GmbH
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems (1) zur Kühlung eines Serverraumes umfassend folgende Schritte vorgeschlagen: – Leiten der Kühlluft durch einen wasserkühlbaren Wärmetauscher (2); – Erfassen der Kühllufttemperatur TK; – Zuführen von Wasser in den Wärmetauscher (2), falls eine Grenztemperatur TG überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems zur Kühlung eines Serverraumes sowie das betreffende Kühlsystem.
Eine wenig beachtete Folge der zunehmenden Computernutzung über Netzwerke ist ein erhöhter Kühlbedarf der Netzwerkgeräte in Serverräumen. Die nachgefragte Kühlleistung wächst hierbei einerseits aufgrund der stark zunehmenden Gerätezahlen, andererseits auch aufgrund der Leistungssteigerung bzw. Miniaturisierung einzelner Komponenten. So ist es nicht ungewöhnlich, das moderne Prozessoren mit einer Kühlleistung von 70 W/cm² und sogar größeren Kühlleistungen gekühlt werden. Weitere Komponenten, wie Festplatten und Speicherbausteine erfordern ebenfalls eine zunehmend höhere Kühlleistung.
Die Einhaltung wichtiger physikalischer Parameter, wie Temperatur und Feuchte in den die Komponenten aufbewahrenden Serverräumen, ist erforderlich, um deren Zuverlässigkeit und zukünftige Verfügbarkeit gewährleisten zu können. Insbesondere bei Halbleiterbausteinen ist bekannt, dass eine Steigerung der Umgebungstemperatur um 10°C, bezogen auf eine maximal zulässige Betriebstemperatur, die Lebensdauer dieser Komponenten mitunter halbieren kann. Die Kühlung, welcher die Serverräume bedürfen, erfordert somit hohe Kühlleistungen, um eine für die Lebensdauer der Komponenten günstige Umgebungstemperatur bereitstellen zu können. Zahlreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass die Kühlleistung in diesen Serverräumen bis zu 50% des Gesamtenergiebedarfs der betreffenden Serveranlage ausmachen kann.
Hierzu im Gegenteil verbrauchen die betreffenden Netzwerkprozesse bzw. Serverprozesse deutlich unter 50% der Gesamtenergie.
Die Optimierung bzw. Verringerung des Energieverbrauchs zur Kühlung eines Serverraumes stellt somit eine große Quelle zur Energieeinsparung dar. Eine einfache Maßnahme zur Energieeinsparung kann bereits darin liegen, die Umgebungstemperatur in dem Serverraum zu erhöhen. Hierbei haben Untersuchungen großer Netzwerkbetreiber gezeigt, dass eine Umgebungstemperatur von etwa 26° zur Kühlung der Serverräume sowie der dort installierten Geräte bereits ausreichend sein kann. Manche Geräte in Serverräumen weisen eine obere Freigabetemperatur von bis zu 45°C für ihre Komponenten auf. Andere Netzwerkanbieter weisen darauf hin, dass die maximal auftretenden Umgebungstemperaturen 35°C nicht überschreiten sollten. Oberhalb dieser oberen Temperaturgrenzwerte ist mit Störungen der Komponenten bzw. mit einer verringerten Lebensdauer derselben zu rechnen.
Manche Kühlsystemhersteller, die Kühlsysteme zur Kühlung eines Serverraumes anbieten, sind demgemäß dazu übergegangen, den Serverraum einer Umgebungstemperatur von 26°C zu kühlen, wobei bei Überschreiten dieser Temperatur Kompressionskälteanlagen oder Wärmepumpen zugeschaltet werden können, um die Kühlluft entsprechend zu konditionieren. Die Kühlung erfolgt hierbei typischerweise zu Spitzenlastzeiten der Strom herstellenden Kraftwerke und gibt dazu Anlass, dass auf Kraftwerksseite große Kapazitäten vorgehalten werden müssen. Für den Kunden der Stromproduzenten führt ein erhöhter Strombedarf zu Spitzenlastzeiten zu erhöhten Kosten.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems zur Kühlung eines Serverraumes bzw. ein entsprechendes Kühlsystem vorzuschlagen, welches die Energiekosten für den Betreiber einer Serveranlage gering halten kann. Darüber hinaus ist es wünschenswert, die Investitionskosten für ein derartiges Kühlsystem möglichst gering zu halten, sowie die Kühlung möglichst umweltverträglich zu gestalten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems zur Kühlung eines Serverraumes gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Kühlsystem für die Kühlung eines Serverraumes gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems zur Kühlung eines Serverraumes gelöst, welches folgende Schritte umfasst: Leiten der Kühlluft durch einen wasserkühlbaren Wärmetauscher; Erfassen der Kühllufttemperatur T_K; Zuführen von Wasser in den Wärmetauscher, falls eine Grenztemperatur T_G überschritten wird.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Kühlsystem für die Kühlung eines Serverraumes gelöst, welches folgende Bauteile umfasst: eine Zuleitung für Kühlluft; ein in die Zuleitung geschalteter, wasserkühlbarer Wärmetauscher zur Konditionierung der Kühlluft; ein in die Zuleitung stromabwärts vom Wärmetauscher angeordneter Temperatursensor; eine Steuerungseinheit zur Freigabe der Zufuhr von Wasser in den Wärmetauscher, wobei die Freigabe dann erfolgt, wenn eine Grenztemperatur T_G der Kühlluft überschritten ist.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass die Konditionierung der Kühlluft des Kühlsystems mittels des Wärmetauschers erst ab einer vorbestimmten Grenztemperatur T_G erfolgt. Unterhalb dieser Grenztemperatur T_G erfolgt die Kühlung mit Kühlluft, welche etwa das Temperaturniveau der Außenluft aufweist. Ist dann bei Erhöhung des Temperaturniveaus dieser Außenluft über die vorbestimmte Grenztemperatur T_G eine Konditionierung der Kühlluft des Kühlsystems zur Kühlung des Serverraumes notwendig, wird dem Wärmetauscher Wasser mit einem geringeren Temperaturniveau zugeführt, welches die Kühlluft unter die Grenztemperatur T_G abkühlen kann.
Hierbei kann im einfachsten Falle eine Steuerungseinheit zur Freigabe von Wasser in den Wärmetauscher in dem Kühlsystem vorgesehen sein, welche erlaubt, Wasser immer dann dem Wärmetauscher zuzuführen, wenn die Grenztemperatur T_G durch die Kühlluft überschritten ist, bzw. immer dann die Wasserzufuhr unterbricht, wenn die Grenztemperatur T_G durch die Kühlluft unterschritten ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Zufuhr von Wasser in den Wärmetauscher auch in Abhängigkeit der erfassten Kühllufttemperatur T_K geregelt werden. Hierbei kann beispielsweise die Zufuhr von Wasser in den Wärmetauscher zunehmend ansteigen mit zunehmender Überschreitung der Grenztemperatur T_G der Kühlluft. Ebenso ist eine pulsierende Zufuhr von Wasser in den Wärmetauscher denkbar. Eine derartige pulsierende Zufuhr von Wasser in den Wärmetauscher ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn keine Regelungsventile bereitstehen.
Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen zur Kühlung von Serverräumen, ist das vorliegende Kühlsystem für die Kühlung eines Serverraumes mit einem wasserkühlbaren Wärmetauscher ausgestattet, welcher keine weiteren elektrischen Hilfsenergien benötigt. Insbesondere die Verwendung von Kompressionskälteanlagen oder Wärmepumpen, welche meist sehr energieaufwändig betrieben werden müssen, können damit vermieden werden. Weiter kann ein wasserkühlbarer Wärmetauscher bequem an eine bereits im Gebäude installierte Wasserversorgung angeschlossen werden, so dass auch keine weitere Infrastruktur eingerichtet werden muss.
Nimmt man als Grenztemperatur T_G eine Umgebungstemperatur von 27°C an, so lässt sich anhand von Wetterdatensätzen in Deutschland feststellen, dass in den meisten Regionen diese Grenztemperatur T_G über nur sehr wenige Stunden im Jahr überschritten wird. Für die Region München z. B. liegt die Anzahl an Stunden, in welchen die Temperatur der Außenluft über 27°C liegt, deutlich unter 100 Stunden. Aufgrund dieser geringen Betriebszeiten sind vor allem bei kleineren Serveranlagen die Unterhaltskosten im Vergleich zu den Investitionskosten relativ gering. Insofern steht die Anschaffung von kostenintensiven Kompressionskälteanlagen bzw. Wärmepumpen für die Kühlung eines Serverraumes während nur weniger Stunden im Jahr in einem schlechten Verhältnis zu den Anschaffungskosten dieser Geräte. Im Vergleich hierzu sind die Anschaffungskosten eines wasserkühlbaren Wärmetauschers jedoch gering und die Betriebskosten für den Einsatz während nur weniger Stunden im Jahr liegt deutlich unter den Betriebskosten einer Kompressionskältemaschine bzw. einer Wärmepumpe, die im gesamten Jahr für den Einsatz bereitgehalten werden müssen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems zur Kühlung eines Serverraumes erfolgt das Zuführen von Wasser in den Wärmetauscher in Abhängigkeit der erfassten Kühltemperatur T_K, welche stromabwärts in Bezug auf den Wärmetauscher erfasst wird. Alternativ kann das Zuführen von Wasser in den Wärmetauscher auch in Abhängigkeit einer erfassten Umgebungstemperatur erfolgen, welche etwa durch einen geeigneten Temperatursensor in dem Serverraum aufgenommen und verarbeitet werden kann. In beiden Ausführungsformen wird dem Wärmetauscher lediglich dann Wasser zur Kühlung der Kühlluft zugeführt, wenn die Grenztemperatur T_G durch die Kühlluft überschritten wird. Dies ermöglicht einerseits einen energieeffizienten Einsatz von Kühlleistung, andererseits kann das Zuführen von Wasser in den Wärmetauscher zu beliebigen Tageszeiten erfolgen, ohne Rücksicht auf etwa variierende Energiekosten, beispielsweise Stromkosten, nehmen zu müssen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Zuführen von Wasser in den Wärmetauscher geregelt. Die Regelung kann hierbei beispielsweise ununterbrochen in Abhängigkeit der Grenztemperatur T_G sowie der erfassten Kühllufttemperatur T_K erfolgen. Die Regelung kann hierbei auch die nachgefragte Kühlleistung in dem Serverraum berücksichtigen. Überdies können in einer weiteren Ausführungsform einer Regelung die Wärmekapazität der Kühlluft sowie der Umgebungsluft im Serverraum berücksichtigt werden. Weiter kann auch das Zuführen von Wasser gezielt nur in vorbestimmte Module des Wärmetauschers erfolgen, so dass beispielsweise bei geringerer Kühlleistung weniger Module des Wärmetauschers mit Wasser versorgt werden, als bei Kühlung zu Spitzenlastzeiten. Die Bereitstellung eines Wärmetauschers, der unterschiedliche Module aufweist, ist hierzu die Voraussetzung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Grenztemperatur T_G zwischen 25°C und 28°C und ist insbesondere 26°C oder 27°C. Die Grenztemperatur T_G kann hierbei mit einer Genauigkeit von etwa einem Grad Celsius bzw. einer Genauigkeit von einem halben Grad Celsius oder sogar darunter vorbestimmt sein. Demgemäß kann zur Konditionierung der Kühlluft des Kühlsystems während den meisten Betriebsstunden im Jahr die Außenluft zur direkten Kühlung eingesetzt werden. Außenluft ist hierbei typischerweise freie atmosphärische Umgebungsluft. Sollte es zu einer Überschreitung der Grenztemperatur T_G kommen, kann die Zuführung von Wasser in den Wärmetauscher derart erfolgen, dass die Kühlluft lediglich bis auf die Grenztemperatur T_G oder wenige Grade Celsius darunter abgekühlt wird. Eine Abkühlung deutlich unter diese Grenztemperatur T_G würde lediglich den Wasserverbrauch für den Wärmetauscher erhöhen, ohne jedoch nennenswerte Vorteile für die gekühlten Komponenten im Serverraum zu bewirken.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der wasserkühlbare Wärmetauscher über einen Trinkwasseranschluss versorgt. Dementsprechend kann eine bereits vorhandene Infrastruktur in dem Serverraum genutzt werden, ohne einen möglicherweise sehr kostenintensiven Kühlkreislauf bereitstellen zu müssen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann folglich auch eine bereits installierte Lüftungsanlage des Serverraumes derart umgestaltet werden, dass sie mit einem wasserkühlbaren Wärmetauscher versehen wird, um die Umgebungstemperatur im Serverraum unterhalb einer Grenztemperatur zu halten. Eine solche Anpassung einer bereits vorhandenen Lüftungsanlage wäre günstig und erfordert nur einen geringen Investitionsaufwand. Das in den Wärmetauscher eingeleitete Wasser kann anschließend wieder verwendet werden bzw. kann dem Abwasser über einen geeigneten Auslauf direkt zugeführt werden. Denkbar ist auch bei Einsatz in Ländern mit hohen Außentemperaturen eine Wärmerückgewinnung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses weiterhin die folgenden Schritte auf: Unterbinden des Zuflusses von Kühlluft in den Wärmetauscher, falls eine Frosttemperatur T_F unterschritten ist; Öffnen eines Bypasses für die Kühlluft zum Umgehen des Wärmetauschers; insbesondere bei Frosttemperaturen T_F, welche Wasser im Wärmetauscher zum Frieren bringen, und damit den Wärmetauscher beschädigen könnten, ist es erforderlich, Kühlluft mit dem Temperaturniveau einer Frosttemperatur T_F unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser lediglich dann in einen Wärmetauscher zu leiten, falls dieser kein Wasser enthält und damit durch Gefrieren desselben nicht beschädigt werden könnte. Da ein Wärmetauscher typischerweise jedoch stets mit Wasser gefüllt ist, ist es erforderlich, dass die Kühlluft mit dem bezeichneten Temperaturniveau den Wärmetauscher umgeht, um somit ein Gefrieren des Restwassers in dem Wärmetauscher und ein Beschädigen desselben zu vermeiden. Dies gewährleistet ausführungsgemäß ein Bypass, welcher bei Bedarf geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Die Öffnung bzw. das Schließen des Bypasses kann mittels geeigneter Klappen bzw. Ventile erfolgen, die mechanisch oder auch elektrisch verstellt werden können. Ebenso sind derartige Klappen bzw. Ventile für das Unterbinden des Zuflusses von Wasser in den Wärmetauscher, falls eine Frosttemperatur T_F unterschritten ist, vorgesehen und geeignet. In einer Ausführungsform können diese Ventile einzeln oder zusammen auch durch einen eigenständigen Motor betrieben werden.
Gemäß einer Weiterführung dieses Verfahrens werden das Unterbinden des Zuflusses von Wasser in den Wärmetauscher, falls die Frosttemperatur T_F unterschritten ist, und das Öffnen des Bypasses zum Umgehen des Wärmtauschers mittels einer Jahresuhr eingestellt. So können beispielsweise in den Wintermonaten, während welcher eine Frosttemperatur T_F oftmals erreicht werden kann, wobei die Grenztemperatur T_G nicht überschritten wird, der Bypass geöffnet werden, so dass die Kühlluft den Wärmetauscher generell umgeht. Erst bei Erreichen einer Jahreszeit mit höheren Außentemperaturen, kann der Bypass erneut geschlossen werden, so dass auch bei Außentemperaturen, die die Grenztemperatur T_G überschreiten können, eine Konditionierung der Kühlluft mittels des Wärmetauschers erfolgen kann. Das Vorsehen der Jahresuhr bzw. das von einer Jahresuhr abhängige Einstellen des Unterbinden des Zuflusses von Wasser in den Wärmetauscher, sowie das Öffnen des Bypasses zum Umgehen des Wärmetauschers verringert folglich die Störanfälligkeit und gewährleistet einen gleichbleibend hohen Kühlstandard während des gesamten Jahres. Die Jahresuhr kann auch durch eine geeignete Uhr mit Datumsfunktion ersetzt sein. Alternativ kann das Öffnen und Schließen des Bypasses auch mittels einer Temperaturregelung erfolgen, wobei diese beispielsweise gegenüber einer vorbestimmten Mindesttemperatur diskriminieren kann, also den Bypass nur unterhalb der Mindesttemperatur frei gibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Alarmsignal erzeugt, wenn die Umgebungstemperatur im Serverraum eine kritische Obertemperatur OT_K überschreitet. Das Alarmsignal kann optisch bzw. akustisch oder in jeder anderen geeigneten Form abgegeben werden. Typische Temperaturen für die kritische Obertemperatur OT_K betragen 35°C. Um die Beschädigung insbesondere von Halbleiterkomponenten in dem Serverraum zu vermeiden, sollte die kritische Obertemperatur OT_K lediglich für geringe Zeitspannen überschritten werden. Bei Erzeugung des Alarmsignals kann folglich dem Betreiber der Serveranlage die Gelegenheit gegeben werden, Schäden bzw. Ausfälle im Betrieb der Serveranlage zu vermeiden.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kühlluft wärmere Umgebungsluft aus dem Serverraum oder anderen Räumen beigemischt, wenn die Kühllufttemperatur eine Frosttemperatur T_F unterschreitet. Ebenfalls kann dies geschehen, wenn die Serverraumlufttemperatur eine Frosttemperatur T_F unterschreitet. Demgemäß kann die Kühllufttemperatur bei Eintreten in den wasserkühlbaren Wärmetauscher über die Frosttemperatur T_F gehoben werden, wodurch ein Frieren des im Wärmetauscher vorhandenen Wassers vermieden werden kann. Folglich werden Frierschäden am Wärmetauscher vermieden. Um eine geeignete Menge an wärmerer Umgebungsluft aus dem Serverraum beizumischen, kann in einer weiteren Ausführungsform die Temperatur vor Eintritt in den wasserkühlbaren Wärmetauscher mittels einer Temperatursonde überwacht werden. Ebenso ist es möglich, die Menge an der der Kühlluft beigegebenen wärmeren Umgebungsluft über ihren Fluss zu steuern. In beiden Fällen kann eine gezielte Beimischung von wärmerer Umgebungsluft in die Kühlluft erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems weist die Steuerungseinheit eine Regelung zur Zufuhr von Wasser in den Wärmetauscher auf. Die Steuerungseinheit ist demgemäß als Regelungseinheit ausgebildet. Die Regelung kann hierbei verschiedene Systemgrößen berücksichtigen, wie beispielsweise die Kühllufttemperatur, die Umgebungstemperatur im Serverraum sowie die Temperatur des dem Wärmetauscher zugeführten Wassers. Weiter kann auch die Menge an dem Wärmetauscher zugeführtem Wasser berücksichtigt werden. Fernerhin kann ebenso die Menge an Kühlluft berücksichtigt werden, welche etwa durch eine geeignete Flusssonde erfasst werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems umfasst dieses weiterhin einen Bypass zum Umgehen des Wärmetauschers. Der Bypass kann mittels in die Zuleitung geeignet eingefügter Klappen bzw. Ventile gezielt geöffnet bzw. geschlossen werden, damit die Kühlluft den Wärmetauscher umgehen kann, falls die zugeführte Kühlluft eine Frosttemperatur T_F unterschreitet. Die Ventile bzw. Klappen können hierbei ebenfalls von der Steuerungseinheit bzw. Regelungseinheit eingestellt werden.
Anstelle des ausführungsgemäßen Bypasses ist es auch möglich, eine weitere Leitung vorzusehen, welche oberhalb des Wärmetauschers, also stromaufwärts vom Wärmetauscher in die Zuleitung der Kühlluft mündet. Über diese Leitung kann relativ wärmere Luft in die Kühlluft eingeleitet werden, um das Temperaturniveau der gemischten Gesamtluft geeignet einzustellen. Damit kann einerseits ein Temperaturniveau erreicht werden, welches über einer Frosttemperatur T_F liegt und so ein gefrieren von Wasser in den Wärmetauscher vermeidet, und andererseits auch erlaubt, die Temperatur des Serverraumes wunschgemäß über oder auf einem Mindesttemperaturniveau zu halten.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildung näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1a ein Flussdiagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems zur Kühlung eines Serverraumes gemäß einer ersten Ausführungsform;
1b ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Schrittes gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems zur Kühlung eines Serverraumes;
2a eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems für die Kühlung eines Serverraumes;
2b die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems für die Kühlung eines Serverraumes;
2c die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems für die Kühlung eines Serverraumes;
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche oder gleich wirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
1a zeigt ein Flussdiagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems 1 (vorliegend nicht gezeigt) zur Kühlung eines Serverraumes. Gemäß diesem Verfahren, welches das Leiten der Kühlluft durch einen wasserkühlbaren Wärmetauscher 2 (vorliegend nicht gezeigt) voraussetzt, wird zunächst die Kühllufttemperatur T_K erfasst. Alternativ kann auch die Umgebungstemperatur des Serverraumes erfasst werden. Anschließend wird überprüft, ob die erfasste Temperatur eine Grenztemperatur T_G überschreitet. Sollte die Grenztemperatur T_G überschritten sein, wird die Zufuhr von relativ kälterem Wasser in den Wärmetauscher 2 veranlasst, um die Kühlluft entsprechend zu geringeren Temperaturen zu konditionieren. Sollte die Grenztemperatur T_G nicht überschritten sein, erfolgt keine Aktion.
Die Zuführung von Wasser in den Wärmetauscher kann hierbei in dem einfachsten Fall durch eine geeignete Steuerung erfolgen, welche beispielsweise ein Zuführventil für Wasser in den Wärmetauscher 2 steuert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerung durch eine Regelung ersetzt sein. Der Vorteil des Erfassens der Kühllufttemperatur T_K im Vergleich zur Raumtemperatur des Serverraumes liegt in einer kompakteren Bauweise des Kühlsystems. Andererseits erfordert die Steuerung bzw. Regelung der Zufuhr von Wasser in den Wärmetauscher 2 über die Kühllufttemperatur T_K ein Verständnis der im Serverraum vorherrschenden Temperaturverteilung. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann auch eine Steuerung bzw. Regelung derart erfolgen, dass sowohl die Kühllufttemperatur T_K als auch die Umgebungstemperatur im Serverraum berücksichtigt werden.
1b zeigt in einem Flussdiagramm einen Schritt gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems zur Kühlung eines Serverraumes, welcher ebenfalls das Erfassen der Kühllufttemperatur T_K voraussetzt. Weiter setzt der in 1b dargestellte Schritt voraus, dass das Kühlsystem 1 einen Bypass 10 (vorliegend nicht gezeigt) aufweist, über welchen die Kühlluft um den Wärmetauscher 2 herumgeführt werden kann. Nach Erfassen der Kühllufttemperatur T_K wird überprüft, ob diese eine Frosttemperatur T_F unterschreitet. Ist dies der Fall, wird der Zufluss von Kühlluft in den Wärmetauscher unterbunden, um beispielsweise ein Gefrieren des in dem Wärmetauscher 2 vorhandenen Wassers zu vermeiden. Gleichzeitig wird die Zuleitung zu einem Bypass 10 geöffnet, welche geeignet ist, den Wärmetauscher 2 zu umgehen. Sollte die Frosttemperatur T_F nicht unterschritten sein, erfolgt keine Aktion.
2a zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems 1 für die Kühlung eines Serverraumes, welches einen in eine Zuleitung 5 geschalteten Wärmetauscher 2 aufweist. Die Zuleitung erlaubt, Kühlluft, vorzugsweise von außen, also Frischluft, in den Serverraum zu leiten, um die darin aufgestellten Geräte und Komponenten mit ausreichender Kühlleistung zu versorgen. Sollte die Kühlluft eine vorgegebene Grenztemperatur T_G überschreiten, wird der Wärmetauscher 2 mit Wasser aus einer Wasserzuleitung versorgt. Die Wasserzuleitung mündet in einen Wasseranschluss 3 des Wärmetauschers 2. Das in den Wärmetauscher 2 eingeleitete Wasser kann folglich über einen Ablauf 9 wieder ausgegeben werden. Um das Zuführen von Wasser in den Wärmetauscher 2 zu erlauben, umfasst das Kühlsystem 1 ein Ventil 8, welches in die Wasserzuleitung eingefügt ist. Mittels eines Temperatursensors 6, welcher in Bezug auf den Wärmetauscher 2 stromabwärts in die Zuleitung 5 eingefügt ist, kann die Kühllufttemperatur T_K ermittelt werden. Eine geeignete Steuerungseinheit 7 bzw. Regelungseinheit 7 verarbeitet die erfasste Temperatur T_K des Temperatursensors 6 und nimmt einen Vergleich mit einer vorgegebenen Grenztemperatur T_G vor. Sollte die Grenztemperatur T_G durch die Kühllufttemperatur T_K überschritten sein, wird das Ventil 8 der Wasserzuleitung geöffnet. Demgemäß kann Wasser aus der Wasserzuleitung über den Wasseranschluss 3 in den Wärmetauscher 2 einfließen und die in der Zuleitung 5 geleitete Kühlluft konditionieren.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Steuerungseinheit 7 derart ausgeführt, dass immer dann, wenn die Kühllufttemperatur T_K die Grenztemperatur T_G überschreitet, das Ventil 8 in einen Offenzustand überführt wird. Sollte anschließend aufgrund der erfolgten Konditionierung der Kühlluft die Kühllufttemperatur T_K wieder die Grenztemperatur T_G unterschreiten, veranlasst die Steuerungseinheit 7 die Schließung des Ventils 8. Gemäß anderer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems 1 kann die Schließung des Ventils 8 auch erst dann erfolgen, wenn eine Kühllufttemperatur T_K erreicht ist, die um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz unter der Grenztemperatur T_G liegt. Die Steuerung kann auch zeitversetzt erfolgen. Gemäß weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems 1 kann die Steuerungseinheit 7 durch eine Regelungseinheit 7 ersetzt sein, welche gemäß der erfassten Kühllufttemperatur T_K die Ventilstellung des Ventils 8 geeignet regelt. Sollte beispielsweise ein schneller Temperaturanstieg in der Kühlluft und ein Überschreiten der Grenztemperatur T_G erfolgen, könnte die Regelungseinheit 7 das Ventil 8 derart öffnen, dass der Wärmetauscher 2 eine große Kühlleistung an die Kühlluft übertragen kann. Sollte der Temperaturanstieg in der Kühlluft geringer sein, wobei die Grenztemperatur T_G überschritten ist, reicht möglicherweise ein geringeres Öffnen des Ventils 8 durch die Regelungseinheit 7, um die Kühlluft auf ein Temperaturniveau einzuregeln, welches unterhalb der Grenztemperatur T_G liegt.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass vorliegend der Begriff der Steuerungseinheit 7 für eine Schalteinheit verwendet wird, welche im Sinne einer Rückkopplung die Temperaturwerte einer Temperatursonde 6 berücksichtigt. Die Steuerungseinheit 7 ist jedoch im Vergleich zu einer Regelungseinheit 7 lediglich dazu ausgebildet, einen Vergleich mit einer Grenztemperatur T_G vorzunehmen, und aufgrund dieses Vergleichsergebnisses ein Ventil 8 entweder vollkommen aus oder vollkommen zuzuschalten. Hierzu im Vergleich wird die Regelung eines Ventils 8, welches etwa als Regelventil ausgeführt ist, und Zwischenstellungen zwischen einer Offen- und einer Geschlossenstellung einnehmen kann, durch eine Regelungseinheit 7 eingestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems kann die in den Wasseranschluss 3 mündende Wasserzuleitung auch eine Trinkwasserzuleitung sein, über welche dem Wärmetauscher 2 Trink- oder Brauchwasser zugeführt werden kann. Der Ablauf 9 kann hierbei auch als offener Auslauf ausgestaltet sein bzw. als Anschluss, der in eine Abwassereinleitung mündet.
Weiter kann auch eine Regelung für die Menge an Kühlluft vorgesehen sein, bzw. diese von der Steuerungseinheit 7 bzw. der Regelungseinheit 7 übernommen werden. Ferner kann die Regelung der Wasserzufuhr an den Wärmetauscher 2 von der Steuerungseinheit 7 bzw. der Regelungseinheit 7 über ein Ventil ohne Hilfsenergie oder elektronisch erfolgen.
2b zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems 1, welche sich von dem in 2a dargestellten Kühlsystem 1 lediglich darin unterscheidet, dass ein Bypass 10 vorgesehen ist, welcher erlaubt, Kühlluft aus der Zuleitung 5 derart umzuleiten, dass diese den Wärmetauscher 2 umgeht. Insbesondere wenn die Kühlluft eine Frosttemperatur T_F unterschreitet, besteht die Gefahr, dass das in dem Wärmetauscher 2 vorhandene Wasser gefriert, wodurch Beschädigungen des Wärmetauschers 2 zu befürchten stehen. Der Bypass 10 weist einen ersten Verschluss 21 bzw. eine erste Verschlussklappe 21 auf, welche mittels einem Motor M in eine Offen- oder Geschlossenstellung überführt werden kann. Ebenso umfasst die Zuleitung 5 stromaufwärts in Bezug auf den Wärmetauscher 2 einen zweiten Verschluss 22 bzw. eine zweite Verschlussklappe 22, welche erlaubt, die Zuleitung von Kühlluft in den Wärmetauscher 2 zu unterbinden. Auch dieser zweite Verschluss 22 bzw. diese zweite Verschlussklappe 22 kann über den Motor 20 betrieben werden. Die beiden Verschlüsse 21, 22 bzw. die beiden Verschlussklappen 21, 22 können auch durch ein geeignetes Dreiwegventil ersetzt sein, welches am Knotenpunkt zwischen Zuleitung 5 und Bypass 10 angeordnet ist. Unterschreitet die Kühllufttemperatur T_K in der Zuleitung 5 nicht eine Frosttemperatur T_F, ist der erste Verschluss 21 bzw. die erste Verschlussklappe 21 geschlossen, sowie der zweite Verschluss 22 bzw. die zweite Verschlussklappe 22 geöffnet. Demgemäß kann Kühlluft aus der Zuleitung 5 direkt durch den Wärmetauscher 2 fließen. Sollte die Kühllufttemperatur T_K nun eine Frosttemperatur T_F unterschreiten, wird mittels des Motors 20 der erste Verschluss 21 bzw. die erste Verschlussklappe 21 geöffnet und der zweite Verschluss 22 bzw. die zweite Verschlussklappe 22 geschlossen. Dementsprechend wird die Kühlluft in der Zuleitung 5 über den Bypass 10 geführt, wobei der Wärmetauscher 2 umgangen wird. Damit wird verhindert, dass in dem Wärmetauscher 2 befindliches Wasser gefriert und den Wärmetauscher 2 beschädigt. Um zu verhindern, dass Kühlluft aus dem Bypass 10 entgegen der vorgesehenen Strömungsrichtung dennoch in den Wärmetauscher 2 zurückfließt, kann ein Rückstromventil vorgesehen sein, welches einen derartigen Rückfluss in den Wärmetauscher 2 vermeidet. Ebenso kann ein weiterer Verschluss bzw. eine weitere Verschlussklappe derart in die Zuleitung 5 eingeschaltet sein, dass bei geeigneter Stellung dieses Verschlusses bzw. dieser Verschlussklappe ein Rückfluss in den Wärmetauscher 2 unterbunden wird.
Die Stellung des ersten Verschlusses 21 bzw. der ersten Verschlussklappe 21 und des zweiten Verschlusses 22 bzw. der zweiten Verschlussklappe 22 kann über eine Jahresuhr gesteuert sein.
Das oben beschriebene Kühlsystem 1 weist den Vorteil auf, dass lediglich eine geringe Anzahl von Bauteilen benötigt wird. Weiter ist es möglich, bereits vorhandene Lüftungssysteme in einem Serverraum mit einem Wärmetauscher 2 nachzurüsten. Der Energieverbrauch des Kühlsystems ist gering, da lediglich Energie für die Steuerung bzw. Regelung erforderlich ist. Demgemäß kann das Kühlsystem 1 weitgehend CO₂- frei einen Serverraum kühlen. Aufgrund der geringen Betriebszeiten, in welchen der Wärmetauscher 2 die Kühlluft in der Zuleitung 5 konditionieren muss, wird relativ wenig Wasser verbraucht. Beispielsweise Berechnungen ergaben, dass bezogen auf einen Wetterdatensatz in München weniger als 20 m³ pro Jahr pro 10 KW Kühlleistung erforderlich sind. Weiterhin ist hervorzuheben, dass aufgrund der geringen Betriebszeiten im Jahr keine Maßnahmen zur Wasseraufbereitung erforderlich sind, sowie aufgrund der niedrigen Temperaturen nicht mit negativen Einflüssen, wie z. B. Kalkablagerungen in dem Wärmetauscher 2 oder der Zuleitung 5 zu rechnen ist.
2c zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems 1, welche sich von dem in 2b dargestellten Kühlsystem 1 darin unterscheidet, dass der Bypass 10 durch eine Leitung 30 ersetzt ist, welche stromaufwärts in Bezug auf den Wärmetauscher 2 in die Zuleitung 5 mündet. Über die Zuleitung 30 kann bei Bedarf Luft einer anderen Zusammensetzung, insbesondere eines anderen Temperaturniveaus in die Zuleitung 5 für die Kühlluft eingeleitet werden, um die darin geleitete Kühlluft mit der eingeleiteten Luft zu mischen. Nach der Mischung erhält die Gesamtluft ein mittleres Temperaturniveau.
Die Einleitung von Luft ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Temperatur der Kühlluft in der Zuleitung 5 eine Frosttemperatur T_F erreicht oder nahe an diese herreicht. Nach Beimischen von relativ wärmerer Luft aus der Leitung 30, kann folglich ein Schaden des Wärmetauschers 2, durch Frieren des darin angesammelten Wassers vermieden werden, da die Temperatur der gemischten Gesamtluft über der Frosttemperatur T_F liegt. Die relativ wärmere Luft kann hierbei aus dem Serverraum oder einem anderen frostsicheren Raum entnommen werden. Zudem kann die Einleitung von relativ wärmerer Luft in die Zuleitung 5 aus der Leitung 30 auch flussgesteuert erfolgen. Ein weiterer Vorteil der Einleitung von relativ wärmerer Luft in die Kühlluft in die Zuleitung 5 kann auch darin liegen, dass die Temperatur der Luft im Serverraum auf oder über eine vorgegebene Mindesttemperatur eingestellt werden kann.
Um die Flüsse von Kühlluft in der Zuleitung 5 und von relativ wärmerer Luft in der Leitung 30 zu steuern oder zu regeln, können in den jeweiligen Leitungen 5, 30 Verschlüsse oder Verschlussklappen vorgesehen sein. Ausführungsgemäß sind in der Zuleitung 5 ein erster Verschluss 21 bzw. eine erste Verschlussklappe 21 vorgesehen, und in der Leitung 30 ein zweiter Verschluss 22 bzw. eine zweite Verschlussklappe 22. Beide können gemeinsam durch einen Motor betrieben werden. Die Einstellung des ersten Verschlusses 21 bzw. der ersten Verschlussklappe 21 sowie des zweiten Verschlusses 22 bzw. der zweiten Verschlussklappe 22 kann über eine Jahresuhr erfolgen, wobei die jeweilige Position oder Stellung der Verschlüsse 21, 22 oder Verschlussklappen 21, 22 durch Lagenschalter, insbesondere durch Endlagen Schalter angegeben werden kann.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste

1: Kühlsystems
2: Wärmetauscher
3: Wasseranschluss
5: Zuleitung
6: Temperatursensor
7: Steuerungseinheit/Regelungseinheit
8: Ventil
9: Ablauf
10: Bypass
20: Motor
21: erster Verschluss/erste Verschlussklappe
22: zweiter Verschluss/zweite Verschlussklappe
30: Leitung
T_K: Kühllufttemperatur
T_G: Grenztemperatur
T_F: Frosttemperatur
OT_Krit: kritische Obertemperatur

Claims

Verfahren zur Konditionierung der Kühlluft eines Kühlsystems (1) zur Kühlung eines Serverraumes umfassend folgende Schritte: – Leiten der Kühlluft durch einen wasserkühlbaren Wärmetauscher (2); – Erfassen der Kühllufttemperatur T_K; – Zuführen von Wasser in den Wärmetauscher (2), falls eine Grenztemperatur T_G überschritten wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen von Wasser in den Wärmetauscher (2) in Abhängigkeit der erfassten Kühllufttemperatur T_K erfolgt, welche stromabwärts in Bezug auf den Wärmetauscher (2) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen von Wasser in den Wärmetauscher (2) geregelt erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Grenztemperatur T_G zwischen 25°C und 28°C liegt, insbesondere 26°C oder 27°C ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der wasserkühlbare Wärmetauscher (2) über einen Trinkwasseranschluss (3) versorgt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst: – Unterbinden des Zuflusses von Kühlluft in den Wärmetauscher (2), falls eine Frosttemperatur T_F unterschritten ist. – Öffnen eines Bypasses (10) für die Kühlluft zum Umgehen des Wärmetauschers (2).
Verfahren nach Patentanspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Unterbinden des Zuflusses von Wasser in den Wärmetauscher (2), falls die Frosttemperatur T_F unterschritten ist, und das Öffnen des Bypasses (10) zum Umgehen Wärmetauschers (2) mittels einer Jahresuhr gesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Alarmsignal erzeugt wird, wenn die Umgebungstemperatur im Serverraum eine kritische Obertemperatur OT_K überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das der Kühlluft wärmere Umgebungsluft aus dem Serverraum oder anderen Räumen beigemischt wird, wenn die Kühllufttemperatur eine Frosttemperatur T_F unterschreitet.
Kühlsystem für die Kühlung eines Serverraumes umfassend: – eine Zuleitung (5) für Kühlluft; – ein in die Zuleitung (5) geschalteter, wasserkühlbarer Wärmetauscher (2) zur Konditionierung der Kühlluft; – ein in die Zuleitung (5) stromabwärts vom Wärmetauscher angeordneter Temperatursensor (6); – eine Steuerungseinheit (7) zur Freigabe der Zufuhr von Wasser in den Wärmetauscher (2), wobei die Freigabe dann erfolgt, wenn eine Grenztemperatur T_G der Kühlluft überschritten ist.
Kühlsystem nach Patentanspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (7) eine Regelung zur Zufuhr von Wasser in den Wärmetauscher (2) aufweist.
Kühlsystem nach einem der Patentansprüche 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem weiterhin einen Bypasses (10) zum Umgehen des Wärmetauschers aufweist.