DE202010018499U1

DE202010018499U1 - Rechenzentrum mit geringer Stromnutzungseffizienz

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Publication number: DE202010018499U1
Application number: DE202010018499.1U
Authority: DE
Original assignee: Google LLC
Current assignee: Google LLC
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2017-01-27
Anticipated expiration: 2020-11-03
Also published as: WO2011053992A2; EP2496891A4; EP2496891A2; US8635881B2; US20110100618A1; WO2011053992A3; US8286442B2; US20130037254A1; CN102762927A; CN102762927B

Abstract

System zur Versorgung von elektronischem Gerät mit gekühlter Luft, das Folgendes umfasst: ein Rechenzentrum mit elektronischem Gerät, das sich in Betrieb befindet; eine Vielzahl von Etagenkühleinheiten im Rechenzentrum, worin die Etagenkühleinheiten vom elektronischen Gerät gewärmte Luft kühlen; und eine Kühlwasserquelle, die dafür konfiguriert ist, Kühlwasser zu liefern, das eine Temperatur der Etagenkühleinheiten verringert, worin die Stromnutzungseffizienz – im Folgengen als Power usage effectiveness, „PUE” bezeichnet – des Systems geringer als 1,3 ist, worin die PUE definiert ist als die zum Betrieb des Rechenzentrums erforderliche Energie geteilt durch die zum Betrieb des elektronischen Geräts erforderliche Energie.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Dieses Dokument bezieht sich auf Systeme und Methoden zur Bereitstellung von Kühlung für Bereiche, die elektronische Ausrüstung enthalten, etwa Serverräume oder Servergestelle in Rechenzentren.
HINTERGRUND
Computernutzer achten oft auf die Geschwindigkeit von Mikroprozessoren in Rechnern (z. B. Megahertz und Gigahertz). Dabei wird oft vergessen, dass diese Geschwindigkeit Kosten verursacht ä-höheren Stromverbrauch. Bei ein oder zwei Heim-PCs ist dieser zusätzliche Energieverbrauch im Vergleich zu den Kosten für den Betrieb der vielen anderen elektrischen Geräten im Haus zu vernachlässigen. Dabei kann der Stromverbrauch in Rechenzentrumsanwendungen, wo Tausende von Mikroprozessoren zum Einsatz kommen können, sehr bedeutend sein.
Außerdem hat der Stromverbrauch eine doppelte Wirkung. Ein Rechenzentrumsbetreiber muss nicht nur für die Elektrizität zahlen, um seine vielen Computer zu betreiben, sondern er muss auch für die Kühlung der Computer zahlen. Das bewirken die Gesetze der Physik, wonach die gesamte Energie irgendwo hin muss, und dieses "Irgendwo" ist größtenteils die Umwandlung in Wärme. Ein auf einer Einzel-Hauptplatine bereitgestelltes Paar Mikroprozessoren kann eine Leistung von 200–400 Watt oder mehr aufnehmen. Multiplizieren Sie diese Zahl mit mehreren Tausend (oder Zehntausenden), die durch die vielen Computer in einem großen Datenzentrum entstehen und die Wärmemenge kann schnell eingeschätzt werden, die erzeugt werden kann. Das Ganze ähnelt einem Raum, in dem Tausende von Scheinwerfern brennen.
Deshalb können die Kosten der Wärmeabfuhr einen großen Anteil am Betriebsaufwand von großen Rechenzentren haben. Diese Kosten umfassen normalerweise die Verwendung von noch mehr Energie in Form von Elektrizität und Erdgas, um Kühler, Kondensatoren, Pumpen, Lüfter, Kühltürme und andere ähnliche Komponenten zu betreiben. Die Wärmeabfuhr ist auch deshalb wichtig, weil Mikroprozessoren gegen Hitze zwar nicht so empfindlich sind wie Menschen, Hitzezuwächse aber große Zuwächse von Fehlern und Ausfällen bei Mikroprozessoren zur Folge haben können. In Summe braucht so ein System dann womöglich Strom für den Betrieb der Chips und dazu noch weiteren Strom, um die Chips zu kühlen.
KURZDARSTELLUNG
Im allgemeinen umfasst eine Methode zur Kühlung eines Rechenzentrums während des Betriebs von elektronischem Gerät die Überwachung der Außentemperatur, die Überwachung der Ausgangstemperatur aus einer Etagenkühleinheit im Rechenzentrum, das Halten der Ausgangstemperatur unterhalb eines Innenraumsollwertes mithilfe eines Kühlwasserstroms durch die Etagenkühleinheit, sofern die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums einen voreingestellten Wert unterschreitet, wobei die Wassertemperatur ebenfalls einen voreingestellten Wert nicht überschreitet, die Bestimmung, wann die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums den voreingestellten Wert überschreitet, und die Zulassung einer höheren Ausgangstemperatur als dem Innenraumsollwert durch Spülen der Etagenkühleinheit mit Wasser, das wärmer ist als die voreingestellte Wasserzulauftemperatur, wenn die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums de voreingestellten Wert überschreitet.
Diese und andere Ausführungsformen können als Option eins oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Das Überwachen der Außentemperatur kann auch das Überwachen von Wasser aus einem Kühlturm beinhalten. Das Kühlsystem kann eine Vielzahl von Etagenkühleinheiten beinhalten, und worin das Überwachen der Ausgangslufttemperatur die Überwachung der Ausgangslufttemperatur jeder Etagenkühleinheit beinhalten. Das Kühlsystem kann außerdem eine Anzahl an Proportionalventilen beinhalten, von denen jedes dafür eingestellt ist, den Wasserfluss durch eine entsprechende Etagenkühlanlage entsprechend der Ausgangslufttemperatur der jeweiligen Etagenkühleinheit zu regeln. Das Verfahren kann zudem das Zirkulieren von mehr Wasser durch die Etagenkühleinheit beinhalten, wenn das wärmer als die voreingestellte Zulauftemperatur ist, als wenn das Wasser mindestens so kühl wie die voreingestellte Zulauftemperatur ist. Das Verfahren kann zudem das Begrenzen des Zeitraums, in dem Wasser durch das Kühlsystem geschickt wird, das wärmer ist als die voreingestellte Vorlauftemperatur, auf weniger als 1000 Stunden beinhalten. Die 1000 Stunden müssen dabei nicht zusammenhängen. Die Durchströmung des Kühlsystems mit Wasser, das wärmer ist als die voreingestellte Zulauftemperatur, über mehr als 1500 Stunden pro Jahr kann die Lebensdauer der elektronischen Ausrüstung verkürzen. Das Zirkulieren von Wasser durch die Etagenkühleinheit kann auch das Zirkulieren von Wasser aus einer kühlen Wasserquelle beinhalten. Das Begrenzen der Zeit kann auch beinhalten, dass der Wasserzulauf zu den Etagenkühleinheiten aus einer Kältemaschine erfolgt, wenn Wasser, das wärmer ist als die voreingestellte Zulauftemperatur über mehr als 1000 Stunden durchgelaufen ist. Das Rechenzentrum kann eine Vielzahl von Etagenkühleinheiten beinhalten, worin das Zirkulieren von Wasser aus einer Kältemaschine auch Wasser beinhaltet, das von der Kältemaschine aus durch die Vielzahl der Etagenkühleinheiten fließt. Die Nennkühlwassertemperatur des Rechenzentrums kann niedriger liegen als die voreingestellte Zulauftemperatur. Die voreingestellte Zulauftemperatur kann zwischen 65° und 70 °F (18,33 und 21,11 °C) liegen.
Im allgemeinen umfasst eine Methode zur Kühlung eines Rechenzentrums während des Betriebs von elektronischem Gerät die Überwachung der Außentemperatur, die Überwachung der Ausgangstemperatur aus einer Etagenkühleinheit im Rechenzentrum, das Halten der Ausgangstemperatur unterhalb eines Innenraumsollwertes mithilfe eines Kühlwasserstroms durch die Etagenkühleinheit, sofern die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums einen voreingestellten Wert unterschreitet, wobei die Wassertemperatur ebenfalls einen voreingestellten Wert nicht überschreitet, die Bestimmung, wann die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums den voreingestellten Wert überschreitet, und die Zulassung einer höheren Ausgangstemperatur als dem Innenraumsollwert durch Spülen der Etagenkühleinheit mit Wasser, das wärmer ist als die voreingestellte Wasserzulauftemperatur, wenn die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums de voreingestellten Wert überschreitet. Die Temperatur innerhalb des Rechenzentrums liegt während mindestens 90 % der Betriebsdauer der elektronischen Ausrüstung unter dem Innenraumsollwert.
Diese und andere Ausführungsformen können als Option eins oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Das Verfahren kann auch das Überwachen der Temperatur innerhalb des Rechenzentrums beinhalten, um festzustellen, wann die Temperatur im Rechenzentrum unter dem Innenraumsollwert liegt. Das Zirkulieren von Wasser durch das Kühlsystem kann auch das Zirkulieren von Wasser aus einer Kühlwasserquelle beinhalten. Das Verfahren kann zudem beinhalten, dass der Wasserzulauf zu den Etagenkühleinheiten aus einer Kältemaschine erfolgt, wenn die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums über mehr als 10 % der Betriebszeit des elektronischen über den voreingestellten Wert steigt. Das Rechenzentrum kann eine Vielzahl von Etagenkühleinheiten beinhalten, das Zirkulieren von Wasser aus einer Kältemaschine kann Wasser beinhalten, das von der Kältemaschine aus durch die Vielzahl der Etagenkühleinheiten fließt. Der Betrieb des Rechenzentrums bei einer Temperatur, die höher liegt als der Innenraumsollwert, über mehr als 15 % der Betriebsdauer kann die Lebensdauer der elektronischen Ausrüstung verkürzen. Das Kühlsystem kann eine Anzahl an Proportionalventilen beinhalten, von denen jedes dafür eingestellt ist, den Wasserfluss durch eine entsprechende Etagenkühlanlage entsprechend der Ausgangslufttemperatur der jeweiligen Etagenkühleinheit zu regeln. Die Nennkühlwassertemperatur des Rechenzentrums kann niedriger liegen als die voreingestellte Zulauftemperatur. Die voreingestellte Wasserzulauftemperatur kann zwischen 65° und 75 °F (18,33 und 21,11 °C) liegen.
Im Allgemeinen umfasst ein Luftkühlsystem für elektronische Ausrüstung in einer Hinsicht ein Rechenzentrum mit elektronischer Ausrüstung im Betrieb, eine Vielzahl von Etagenkühleinheiten sowie eine Kühlwasserquelle. Die Etagenkühleinheiten kühlen von der elektronischen Ausrüstung gewärmte Luft. Die Kühlwasserquelle ist dafür ausgelegt, Kühlwasser zu liefern, das die Temperatur der Etagenkühleinheiten absenkt. Die Power Usage Effectiveness („PUE“) des Systems liegt unter 1,3. Dabei berechnet sich die PUE aus der Energie, die für den Betrieb des Rechenzentrums verbraucht wird, geteilt durch die Energie, die zum Betrieb der elektronischen Ausrüstung dient.
Diese und andere Ausführungsformen können als Option eins oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Die PUE des Systems kann bei etwa 1,2 liegen. Die Kühlwasserquelle kann einen Kühlturm beinhalten. Jede Etagenkühleinheit kann einen Wärmetauscher beinhalten, der dafür konfiguriert ist, Wärme von der elektronischen Ausrüstung an die Kühlwasserquelle abzugeben. Der Wärmetauscher kann Spulen beinhalten, die sich neben einem oder mehreren Heißluftkästen befinden und von der elektronischen Ausrüstung aufgeheizte Luft empfangen. Die Kühlwasserquelle kann strömungstechnisch mit den Etagenkühleinheiten verbunden sein. Das System kann ferner ein Fühler beinhalten, der die Ablufttemperatur einer Etagenkühleinheit überwacht. Das System kann ferner eine Anzahl an Proportionalventilen beinhalten, von denen jedes dafür eingestellt ist, den Wasserfluss durch eine entsprechende Etagenkühlanlage zu regeln.
Zu den Vorteilen der hierin beschriebenen Systeme und Methoden können folgende zählen. Sollte eine kurzzeitige Erhöhung der Temperatur innerhalb des Rechenzentrums oberhalb des Innenraumsollwertes zugelassen werden, kann der Einsatz teurer Kältemaschinen minimiert werden. Die Überwachung der Ablufttemperatur, d. h. die Temperatur der Luft, die die Kühlspirale oder den Kühlkasten der Etagenkühleinheit verlässt, statt der Temperatur einzelner Server sorgt für eine genauere Angabe der Temperatur und somit dafür, dass das Kühlsystem sparsamer arbeitet. Die Auslegung der Steuerventile dafür, den Wasserfluss zu jeder Etagenkühleinheit einzeln zu regeln, kann der Gesamtwasserbedarf des Systems verringern. Bei Verbindung der Kältemaschinen mit einer gesonderten Kopfeinheit können die entsprechenden Module, d. h. Module, die eine Serie von Kühleinheiten, Steuerventilen und einer modularen Kühlanlage selbst dann in Betrieb bleiben, wenn die entsprechende modulare Kühlanlage ausfällt.
Die Einzelheiten zu einer oder mehreren Ausführungsformen sind in den begleitenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Andere Eigenschaften und Vorteile werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen, und aus den Ansprüchen ersichtlich.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm, das ein System zur Kühlung eines Rechenzentrums zeigt.
2A ist ein schematisches Diagramm, das ein System zur Kühlung von Servergestellen in einem Rechenzentrum zeigt.
2B ist ein schematisches Diagramm, das zwei verschiedene Anlagen zeigt, von denen jede ein System zur Kühlung von Servergestellen in einem Rechenzentren hat.
3 ist ein psychrometrisches Diagramm, das einen Heiz- und Kühlzyklus für Luft in einem Rechenzentrum zeigt.
4 ist ein Graph der Sollwerttemperatur für eine Recheneinrichtung über einen Zeitraum von einem Jahr.
5 ist ein Flussdiagramm, das Schritte zur Kühlung eines Rechenzentrums zeigt, wobei die Ablufttemperatur gemessen und erhöhte Temperaturen während begrenzter Zeiten des Jahres erläutert werden.
6 ist ein Flussdiagramm, das Schritte zur Kühlung eines Rechenzentrums unter Verwendung einer oder mehrerer Perioden erhöhter Temperaturen über weniger als 90 % der Betriebsdauer der elektronischen Ausrüstung des Rechenzentrums zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm zur Kühlung eines Rechenzentrums mit kaltem und gekühltem Wasser und unter Verwendung von einer oder mehrerer Perioden erhöhter Temperaturen
Gleiche Verweissymbole in den verschiedenen Zeichnungen zeigen gleich Elemente an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist eine schematische Darstellung eines Systems 100 zur Kühlung eines Rechenzentrums 101. Das System 100 umfasst im Allgemeinen eine Etagenkühleinheit 160 mit einer Lufteinheit (die z. B. Lüfter 110 und Kühlspiralen 112a, 112b umfasst) zur Abfuhr der Hitze aus der Rechenzentrumsluft in das Kühlwasser. Das System 100 kann zudem eine modulare Kühlanlage 222 beinhalten. Die modulare Kühlanlage 222 kann auch eine Strom- und Kühleinheit (power and cooling unit, PCU) umfassen, zu der Pumpen 124, 120, Ventile 134, Filter (nicht dargestellt) sowie ein Wärmetauscher 122 zur Entnahme der Wärme aus dem Kühlwasser und Übergabe an Kondensatorwasser, das zu einen Kühlturm 118 in der modularen Kühlanlage 222 weiterbefördert wird. Beim Kühlturm 118 in der modularen Kühlanlage 222 kann es sich um einen Kühlwasserturm, einen Trockenkühler mit nur einer Lüfterspiraleinheit oder einen Hybridturm handeln, der sowohl einen Kühlwasserturm als auch einen Trockenkühler umfasst. Alternativ kann eine Kühlwasserquelle wie ein See oder eine Bucht statt des Kühlturmes 118 verwendet werden. Das Kühlwasser 118 in der modularen Kühlanlage 222 überträgt die angesammelte Wärme an die Umgebungsluft über Verdampfung und Kühlung des Kühlturmwassers, sodass gekühltes Wasser entsteht. Im allgemeinen Betrieb verwendet das System 100 nur den Kühlturm/Wärmetauscher/das Kühlspiralensystem, allerdings kann zu Höchstlastzeiten, etwa wenn der Taupunkt der äußeren Umgebungsluft sehr hoch ist, und der Kühlturm alleine keine ausreichende Kühlung erbringen kann, ein angetriebenes Kühlsystem wie etwa eine Kältemaschine verwendet werden, um kaltes Wasser zu liefern. Wie unten erläutert können die Steuerparameter für das System auch so gesetzt werden, dass es selten oder nie notwendig ist, Kältemaschinen oder andere derartige angetriebene Kühlsysteme zu verwenden.
Die Temperaturen jedes Teils des Systems 100 werden relativ hoch gewählt (verglichen mit herkömmlichen Kühlsystemen auf Kühlbasis), sodass Sie einen sparsamen Betrieb des Systems 100 erlauben. So können beispielsweise relativ hohe Lufttemperaturen im System (d. h. Zuluft einer Kühlschlange mit über 110 °F (43,3 °C) und Abluft der Schlange mit einer Temperatur von über 70 °F (21,11 °C)) können wiederum relativ hoch Kühlwassertemperaturen (d. h. Zulauf zur Kühlschlange mit rund 68 °F (20 °C) und Ablauf mit 104 °F (40 °C)), da die Wärmemenge, die der Luft entnommen werden kann, im Allgemeinen proportional zum Temperaturgradienten zwischen dem Wasser und der Luft ist. Lässt sich der Unterschied auf einem annehmbaren Niveau halten, bei dem die Temperaturen hoch genug sind, dass Verdunstungskühlung (d. h. Kühlung über einen Kühlturm, ohne weitere Kühlung über Kältemaschine) ausreicht, die relativ hohen Stromkosten des Betriebs einer Kältemaschine (oder vieler Kältemaschinen) vermieden werden können.
Hohe Systemtemperaturen können in bestimmten Implementierungen bei Verwendung von Hybridkühltürmen besonders vorteilhaft sein. Derartige Hybridkühltürme verbinden die Funktionalität eines gewöhnlichen Kühlturmes mit einem Wasser-zu-Wasser-Wärmetauschers. Bei Anwendung eines ausreichend hohen Temperatursollwertes, d. h. die maximale Temperatur, bei der der Betrieb des Rechenzentrums 101 für die Mehrheit der Betriebszeit der elektronischen Ausrüstung zulässig ist, kann es dem Hybridturm gestatten, erhebliche Kühlkapazität bereitzustellen, selbst wenn er im Wasser-zu-Luft-Modus ohne Brauchwasser arbeitet. Infolgedessen kann ein Hybridturm dafür verwendet werden, relativ schnell Kühlkapazität für einen Standort bereitzustellen, sogar bevor Brauchwasser in großen Mengen beschafft werden kann. Die Kapazität des Kühlturms kann direkt zum Temperaturunterschied zwischen dem darin enthaltenen Wasser und der äußeren Umgebungsluft in Beziehung stehen.
Ist der Temperaturunterschied nicht sehr groß, können nur wenige Grade Unterschied bereits erhebliche Zuwächse an Effizienz erbringen. Erfolgt beispielsweise der Kühlwasserzulauf bei 68 °F (20 °C), kann die Erwärmung der Luft auf 113 °F (45 °C) statt auf 104 °F (40 °C) den Temperaturunterschied von 36 °F auf 45 °F (20 °C auf 45 °C) erhöhen – woraus sich ein um 25 Prozent erhöhter Wärmefluss ergeben kann. Der tatsächliche Unterschied wird geringfügig schwanken, da die Zulaufbedingungen für Luft und Wasser nicht die einzigen Bedingungen sind (da die Luft sich beim Durchgang durch die Kühlschlange abkühlt und das Wasser sich erwärmt); dieses Beispiel zeigt allerdings an, die wie der Temperaturunterschied die Effizienz eines Systems verändern kann.
Die Verwendung von hohen Temperaturen in einem System oder um ein System herum kann außerdem das System davor bewahren, unter seinen Flüssigkeitssättigungspunkt zu fallen, also seinen Taupunkt, und zu kondensieren. Dies kann unter bestimmten Umständen Vorteile sowohl bei der Effizienz als auch im Betrieb des Systems erzeugen. Effizienzvorteile lassen sich erzielen, weil die Erzeugung von Kondensation viel mehr Energie erfordert als das bloße Kühlen von Luft, weswegen Systeme, die Kondensation erzeugen, ein hohes Maß an Elektrizität oder sonstiger Energie. Verbesserungen im Systembetrieb können sich daraus ergeben, dass auf Rohren, die Wasser unterhalb der Taupunktes der die Rohre umgebenden Luft befördern, Kondensation entstehen kann. Diese Kondensation kann die Rohre oder Gerät im klimatisierten Raum beschädigen, Schimmelbildung verursachen und zur Ansammlung von Wasser auf dem Boden führen, sodass es nötig wird, Isolation auf den Rohren anzubringen (um die Kondensation zu verhindern).
Im in 1 gezeigten System verringern erhöhte Temperaturen erheblich den Bedarf an energieintensiven Kühlkomponenten wie Kältemaschinen und dergleichen oder vermeiden sie ganz, selbst wenn die Wärmelast im Rechenzentrum 101 sehr hoch ist. Infolgedessen kann das System 100 zu geringen Betriebskosten betrieben werden, als es sonst möglich wäre. Außerdem sind möglicherweise geringere Kapitalkosten erforderlich, da es sich bei Lüftern, Schlangen, Wärmetauschern und Kühltürmen um relativ einfache und preiswerte Komponenten handelt. Außerdem ist bei Betrieb mit einem höheren Temperaturunterschied zwischen gekühlter Luft und gekühltem Wasser ein geringeres Volumen an Kühlwasser erforderlich, was Maß und Kosten der Rohrleitungen sowie die Betriebskosten von Pumpen und anderer derartiger Komponenten verringert.
Außerdem sind diese Komponenten oft sehr standardisiert, sodass die Erwerbskosten niedriger sind, und sie lassen sich leichter beschaffen, besonders in Entwicklungsländer und abgelegenen Gegenden, wo es sinnvoll sein kann, ein Rechenzentrum 101 anzusiedeln. Den Einsatz des Systems 100 in abgelegenen Gebieten und anderen Gebieten mit begrenztem Zugang zu elektrischer Energie begünstigt auch die Tatsache, dass sich das System 100 mit weniger Stromverbrauch betreiben lässt. Infolgedessen kann ein solches System neben Niederspannungsumspannwerken und dergleichen angesiedelt sein. Wie weiter unten umfangreicher besprochen lassen sich Systeme mit niedriger Leistung auch als Selbstversorgersysteme unter Nutzung von Energiequellen wie Sonne, Wind, Erdgasturbinen, Brennstoffzellen und dergleichen einrichten.
Nun bezugnehmend auf 1 ist hier ein Rechenzentrum 101 im Querschnitt dargestellt, das eine große Zahl an Rechnern oder ähnlichen hitzeerzeugenden elektronischen Geräten birgt. Um die Rechner herum, die in einer Anzahl paralleler Reihen angeordnet und in senkrechte Gestelle wie Gestelle 102a, 102b eingebaut sind, ist eine Arbeitsfläche 106 definiert. Die Gestelle können Paare senkrechter Schienen beinhalten, mit denen paarweise Einbauklammern verbunden sind (nicht dargestellt). Auf diesen Einbauklammern können Behälter mit Rechnern, etwa Standardleiterplatten in Gestalt von Mutterplatinen gesetzt werden.
In einem Beispiel können die Montageklammern aus Winkelschienen bestehen, die durch Schweißung oder anders mit senkrechten Schienen im Rahmen des Gestells verbunden sind, auch können die Behälter Motherboards beinhalten, die oben auf den Klammern eingeschoben werden, ähnlich, wie Essenstabletts in Aufnahmeständer in Kantinen geschoben werden oder Brottabletts in Brotgestelle. Die Fächer können dicht aneinander angeordnet werden, um die Anzahl der Fächer in einem Rechenzentrum zu maximieren, aber ausreichend weit voneinander entfernt, um alle Komponenten in den Fächern zu enthalten und eine Luftzirkulation zwischen den Fächern zu ermöglichen.
Es können auch andere Vorrichtungen zur Anwendung kommen. Fächer können beispielsweise vertikal in Gruppen, so wie in der Form von Computer-Blades, montiert werden. Die Behälter können einfach im Gestell sitzen und elektrische Verbindung erhalten, nachdem sie eingeschoben wurden, oder sie können mit Mechanismen ausgestattet werden wie Leitungsstreifen entlang einer Kante, die beim Einschieben elektrische und Datenverbindungen herstellen.
Luft kann vom Arbeitsbereich 106 über die Behälter und durch die Etagenkühleinheit 160 umlaufen. Auch wenn in 160 nur eine Etagenkühleinheit 160 zu sehen ist, kann Rechenzentrum 101 mehrfache Etagenkühleinheiten 160 umfassen. Etagenkühleinheit 160 umfasst Warmluftkästen 104a, 104b hinter den Behältern. Die Luft kann durch Lüfter, die hinter den Behältern angebracht sind, in die Behälter gesaugt werden. Die Lüfter können so programmiert oder in anderer Weise eingestellt sein, dass sie eine voreingestellte Ablufttemperatur für die Luft halten, die in den Warmluftkasten einströmt, und können so programmiert oder in anderer Weise eingestellt sein, dass sie einen bestimmten Temperaturanstieg über den Behältern halten. Ist die Temperatur der Luft im Arbeitsbereich 106 bekannt, steuert man über die Ablauftemperatur auch indirekt den Temperaturanstieg. Der Arbeitsbereich 106 kann unter Umständen auch als „kalter Gang” und die Räume 104a und 104b als „warme Gänge” bezeichnet werden.
Der Temperaturanstieg kann erheblich sein. So kann beispielsweise im Arbeitsbereich 106 die Temperatur bei etwa 77 °F (25 °C) liegen und die der Abluft in die Warmlufträume 104a, 104b auf 113 °F (45 °C) eingestellt sein, sodass sich ein Temperaturanstieg von 36 °F (20 °C) ergibt. Die Ablufttemperatur kann auch 212 °F (100 °C) betragen, wobei die wärmeerzeugenden Geräte bei diesen erhöhten Temperaturen arbeiten können. So kann beispielsweise die Temperatur der Abluft aus den Geräten und der Zuluft zu den Warmlufträumen 118,4, 122, 129,2, 136,4, 143,6, 150,8, 158, 165, 172,4, 179,6, 186,8, 194, 201 oder 208,4 °F (48, 50, 54, 58, 62, 66, 70, 74, 78, 82, 86, 90, 94 oder 98 °C). Eine derart hohe Ablufttemperatur steht im Allgemeinen im Gegensatz zur Lehre, wonach hitzeerzeugendes elektronisches Gerät am besten durch Spülung der Geräte mit großen Mengen schnell bewegter kühler Luft gekühlt wird. Ein solcher Kühlluftansatz kühlt zwar das Gerät, verbraucht aber eine große Menge Energie.
Die Kühlung von besonderem elektronischem Gerät wie Mikroprozessoren kann selbst dann verbessert werden, wenn der Luftfluss über die Behälter hinweg langsam ist, indem man oben auf den Mikroprozessoren oder auf anderen besonders warmen Bauteilen Ausblaslüfter anbringt, oder indem man Wärmeleitungen und entsprechende Wärmetauscher für solche Bauteile bereitstellt.
Die gewärmte Luft kann nach oben in einen Deckenbereich oder Dachboden 105 oder in einen Hochboden oder Keller oder einen anderen geeigneten Raum geleitet und dort von Luftfördereinheiten, wie etwa Lüfter 110 der Etagenkühleinheit 160, gesammelt werden, die beispielsweise einen oder mehrere Fliehkraftlüfter von für die Aufgabe geeigneter Größe beinhalten können. Der Lüfter 110 kann dann die Luft in einen Kasten 108 leiten, der an den Arbeitsbereich 106 angrenzt. Der Kasten 108 kann einfach eine buchtgroßer Bereich in der Mitte einer Gestellreihe sein, der von Gestellen freigelassen worden ist, und der von etwaigen benachbarten Warmluftkästen und vom Kühlluftarbeitsbereich 106 isoliert auf seinen anderen Seiten isoliert wurde. Alternativ kann die Luft über Schlangen gekühlt werden, die eine Grenze von Warmluftkästen 104a, 104b ziehen, und direkt in den Arbeitsbereich 106 ausgestoßen werden, etwa oben auf den Warmluftkästen 104a, 104b.
Etagenkühleinheit 160 kann auch über Kühlschlangen 112a, 112b verfügten, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kastens in etwa bündig mit den Gestellvorderseiten angebracht sind. (Die Gestelle in derselben Reihe wie Kasten 108, die auf dem Bild aus der Seite aus- und in sie einlaufen, sind nicht dargestellt). Die Schlangen können eine große Oberfläche haben und sehr dünn sein, sodass sich gegenüber System 100 ein geringer Druckabfall ergibt. So können langsamere, kleinere und leisere Lüfter verwendet werden, um die Luft durch das System zu treiben. Vor die Schlagen 112a, 112b können Lüftungsgitter oder Drahtgeflecht angebracht werden, um sie vor Beschädigung zu schützen.
Im Betrieb drückt Lüfter 110 der Etagenkühleinheit 160 Luft in den Kasten 108 hinab und erzeugt so erhöhten Druck in Kasten 108, der die Luft durch die Kühlschlangen 112a, 112b austreibt. Wenn die Luft durch die Schlangen 112a, 112b strömt, gibt sie ihre Wärme an das Wasser in den Schlangen 112a, 112b ab und wird so gekühlt.
Die Drehzahl des Lüfters 110 beziehungsweise die Fließgeschwindigkeit oder Temperatur des Kühlwassers, das durch die Kühlschlangen 112a, 112b strömt, kann entsprechend den Messwerten geregelt werden. So können beispielsweise die Pumpen, die die Kühlflüssigkeit fördern, solche mit veränderlicher Drehzahl sein, die so geregelt werden, dass sie eine bestimmte Temperatur im Arbeitsbereich 106 halten. Solche Regelmechanismen können dazu verwendet werden, im Arbeitsbereich 106 oder den Kästen 104a, 104b und Dachboden 105 zu halten.
Die Luft aus Arbeitsbereich 106 kann dann in die Gestelle 102a, 102b gesaugt werden, etwa durch Lüfter, die auf den vielen Behältern angebracht sind, die in den Gestellen 102a, 102b eingebaut sind. Die Luft kann sich erwärmen, wenn sie über die Behälter und durch die Netzteile streicht, die die Rechner in den Behältern versorgen, und dann in die Warmluftkästen 104a, 104b eintreten. Jeder Behälter kann über eine eigene Stromversorgung und Lüfter verfügen. In mancher Implementierung ist die Stromversorgung an der hinteren Kante des Behälters angebracht und der Lüfter an die Rückseite der Stromversorgung. Alle Lüfter können so eingestellt oder programmiert sein, dass sie Luft mit einer einheitlichen gemeinsamen Temperatur fördern, etwa eingestellt auf 113 °F (45 °C). Der Prozess kann dann in dem Maße ständig neu eingestellt werden, in dem der Lüfter 110 die Luft aufnimmt und umwälzt.
Mithilfe des Systems 100 können auch weitere Gegenstände gekühlt werden. Beispielsweise ist Raum 116 mit einer eigenständigen Lüfter-Schlangeneinheit 114 ausgestattet, die einen Lüfter und eine Kühlschlange enthält. Die Einheit 114 kann beispielsweise entsprechend einem in Raum 116 bereitgestellten Thermostat betrieben werden. Raum 116 kann beispielsweise ein Büro oder ein anderer Hilfsraum zu den Hauptbestandteilen des Rechenzentrums 101 sein.
Außerdem kann nötigenfalls zusätzliche Kühlung für Raum 116 bereitgestellt werden. So kann beispielsweise eine handelsübliche Dach- oder ähnliche Klimaanlageneinheit (nicht dargestellt) eingebaut werden, um punktuell besondere Kühlbedürfnisse zu erfüllen. Als Beispiel kann System 100 so ausgelegt sein, dass die Zuluft zu Arbeitsbereich 106 78 °F (25,56 °C) hat, doch die Beschäftigten ziehen es vielleicht vor, ein Büro in Raum 116 zu haben, das kühler ist. Deshalb wird womöglich eine Klimaanlage für das Büro angeschafft. Diese Anlage kann allerdings relativ effizient betrieben werden, wenn ihr Wirkungsbereich auf einen relativ kleinen Bereich eines Gebäudes oder einen relativ kleinen Teil der Wärmelast aus dem Gebäude beschränkt ist. Desgleichen können Kühleinheiten wie etwa Kältemaschinen für zusätzliche Kühlung sorgen, doch kann ihre Größe erheblich geringer ausfallen, als wenn sie dafür verwendet würden, nennenswerte Kühlung für das System 100 zu leisten.
Frischluft kann über verschiedene Mechanismen in den Arbeitsbereich 106 gespeist werden. So kann beispielsweise eine handelsübliche Dach- oder ähnliche Klimaanlageneinheit (nicht dargestellt) eingebaut werden, um den notwendigen Austausch von Außenluft zu gewährleisten. Eine solche Einheit kann auch dazu dienen, den Arbeitsbereich 106 von den begrenzten latenten Lasten im System 100 zu entfeuchten, etwa menschlicher Schweiß. Alternativ können Lüftungsgitter zwischen der Außenumgebungsluft und dem System 100 eingebaut werden, etwa angetriebene Lüftungsgitter zum Anschluss des Warmluftkastens 104b. System 100 kann so geregelt werden, dass es Luft durch die Kästen ansaugt, wenn die Umgebungs-(Außen-)Feuchtigkeit und Temperatur ausreichend niedrig sind, um die Kühlung mit Außenluft zu erlauben. Solche Lüftungen können auch mit Lüfter 110 verbunden werden, sodass die Warmluft in den Kästen 104a, 104b einfach in die Atmosphäre entlassen wir und die Außenluft sich mit der warmen Luft aus den Rechnern nicht vermischt und davon auch nicht verdünnt wird. Im System kann auch ausreichende Filtration vorgesehen werden, besonders, wenn Außenluft verwendet wird.
Im Arbeitsbereich 106 können andere Wärmelasten als die aus den Behältern auftreten, etwa von Menschen im Bereich und von der Beleuchtung. Ist das Luftvolumen, das durch die verschiedenen Gestelle strömt, sehr hoch, und nimmt es eine sehr hohe Wärmelast von vielen Rechnern auf, kann die geringe Zusatzlast aus anderen Quellen vernachlässigbar sein, außer vielleicht die kleine latente Last, die von den Beschäftigten erzeugt wird, und die sich mit einer kleinen Hilfsklimaanlageneinheit wie oben beschrieben entfernen lässt.
Kühlwasser kann aus der modularen Kühlanlage 222 bereitgestellt werden, die einen Kühl- und ein Kondenswasserkreislauf beinhalten kann. Kühlwasserkreislauf kann von Pumpe 124 angetrieben werden. Der Kühlwasserkreislauf kann mit direktem oder indirektem Rücklauf ausgebildet sein und allgemein ein geschlossenes System darstellen. Pumpe 124 kann jede geeignete Form annehmen, etwa eine herkömmliche Fliehkraftpumpe. Wärmetauscher 122 kann Wärme aus dem Kühlwasser im Kreislauf entfernen. Wärmetauscher 122 kann jede geeignete Form annehmen, etwa Platten-/Rahmen-Wärmetauscher oder Hülle-/Rohr-Wärmetauscher.
Die Wärme kann vom Kühlwasserkreislauf in einen Kondenswasserkreislauf abgegeben werden, der Wärmetauscher 122, Pumpe 120 und Kühlturm 118 beinhaltet. Pumpe 120 kann ebenfalls jede geeignete Form annehmen, etwa eine herkömmliche Fliehkraftpumpe. Kühlturm 118 kann beispielsweise aus einem oder mehreren Zwangslüftungstürme mit Druck- oder Schublüftung bestehen. Der Kühlturm 118 kann als kostenlos Kühlquelle angesehen werden, da er Energie nur für die Bewegung des Wassers im System benötigt und in manchen Implementierungen den Antrieb des Lüfters zur Bewirkung der Verdampfung. Er benötigt nicht den Betrieb eines Verdichters oder einer Kältemaschine oder einer ähnlichen Einrichtung.
Der Kühlturm 118 kann eine Vielzahl von Formen annehmen, darunter ein Hybridkühlturm. Ein solcher Turm kann sowohl die Verdampfungskühlung umfassen wie ein Wasser-Wasser-Wärmetauscher. Infolgedessen kann ein solcher Turm in einen kleineren Raum eingebaut werden und modularer als ein gewöhnlicher Kühlturm mit gesondertem Wärmetauscher betrieben werden. Ein weiterer Vorteil kann sein, dass Hybridtürme wie oben beschrieben trocken betrieben werden können. Außerdem können Hybridtürme leichter die Bildung von Wasserdampfsäulen vermeiden, die von Anwohnern eines Standortes negativ gesehen werden können.
Wie dargestellt können die Flüssigkeitskreisläufe eine indirekte Einsparung auf der Wasserseite entstehen lassen. Diese Einsparungsanordnung kann relativ energieeffizient ausfallen, da die einzige für ihren Betrieb benötigte Energie die für den Betrieb von mehreren Pumpen und Lüftern ist. Außerdem kann dieses System günstig einzurichten sein, da Pumpen, Lüfter, Kühltürme sowie Wärmetauscher technisch einfache Geräte sind, die in vielen Gestalten leicht verfügbar sind. Außerdem sind die Geräte relativ simpel, weshalb Reparaturen und Wartung preiswert und einfach durchzuführen sind. Gegebenenfalls erfordern solche Reparaturen noch nicht einmal hochspezialisierte Techniker.
Alternativ kann direkte kostenlose Kühlung zum Einsatz kommen, etwa durch Verzicht auf den Wärmetauscher 122 und einer Führung des Kühlturmwassers (Kondensatorwasser) direkt auf die Kühlschlangen 112a, 112b (nicht dargestellt). Eine solche Implementierung kann effizienter sein, da sie einen Wärmetauschschritt auslässt. Allerdings führt eine solche Implementierung andererseits dazu, dass Wasser aus dem Kühlturm 118 in ein System eingeführt wird, das ansonsten geschlossen wäre. Infolgedessen kann das System in einer solchen Implementierung mit Wasser gefüllt werden, das Bakterien, Algen und atmosphärische Verunreinigungen enthält, und auch mit anderen Schadstoffen im Wasser. Ein Hybridturm kann wie oben dargestellt ähnliche Vorteile bieten, jedoch ohne ähnliche Nachteile.
Regelventil 126 wird im Kondensatorwasserkreislauf bereitgestellt, um Auffüllwasser in den Kreislauf zu speisen. Auffüllwasser kann allgemein erforderlich sein, da zum Betrieb von Kühlturm 118 die Verdampfung von großen Mengen Wasser aus dem Kreislauf gehört. Das Regelventil 126 kann an einen Wasserstandsfühler im Kühlturm 118 angehängt sein oder an ein Becken, das mehrere Kühltürme gemeinsam versorgt. Wenn das Wasser unter einen bestimmten Stand fällt, kann veranlasst werden, dass das Regelventil 126 sich öffnet und zusätzliches Auffüllwasser in den Kreislauf speist. In der Auffüllwasserleitung kann ein Rückschlagventil (back-flow preventer, BFP) eingebaut sein, dass den Rückfluss von Wasser aus dem Kühlturm 118 in den Hauptwasserkreislauf verhindert, was zur Verunreinigung dieses Kreislauf führen könnte.
Obwohl 1 die modulare Kühlanlage 222 mit nur einer Etagenkühlanlage 160 verbunden zeigt, kann eine modulare Kühlanlage 222 wie in 2A gezeigt mit einer Anzahl an Etagenkühleinheiten 160. verbunden werden, wobei die Etagenkühleinheiten 160 parallel mit der modularen Kühlanlage 222 verbunden werden. Jede modulare Kühlanlage 222 kann beispielsweise 12 oder mehr Etagenkühleinheiten 160 bedienen. Außerdem kann System 100 über eine Anzahl modularer Kühlanlagen 222 verfügen. System 100 kann beispielsweise ein Gebäude sein, das 30 Megawatt (MW) an elektrischer Leistung aufnimmt. Es kann dann eine Anzahl modularer Kühlanlagen 222 mit dem Gebäude verbunden sein, beispielsweise 15 modulare Kühlanlagen 222, von denen jede Kühlung für jeweils 2 MW vom Rechenzentrum aufgenommener elektrischer Leistung erbringt.
Die modularen Kühlanlagen 222 und Etagenkühlanlagen 222 können über Leiterrohre 244 verbunden sein. Zulaufrohr 246 kann kühles Zulaufwasser zu den Etagenkühleinheiten bringen, während das Ablaufrohr 248 warmes Wasser zur Kühlung zu den modularen Kühlanlagen 222 bringen kann. An mindestens einem Rohr befindet sich ein entsprechendes Regelventil 224, das so angeordnet ist, dass der Fluss zu einer einzelnen Kühleinheit geregelt werden kann. Die modulare Kühlanlage 222, die entsprechenden Kühleinheiten 160 und die Regelventile 224 können zusammen als ein Modul 230 bezeichnet werden. Jedes Regelventil 224 kann den Wasserfluss durch die zugehörige Etagenkühleinheit 160 regeln, ohne die anderen Kühleinheiten im Modul zu beeinträchtigen. Die Regelventile 224 können nur das Wasser liefern, das die jeweilige Etagenkühleinheit 160 benötigt. Das bedeutet, das Regelventil 224 kann ein Proportionalventil statt eines digitalen Regelventils der Art „Ein/Aus” sein. Jedes Regelventil 224 kann über einen Motor verfügen (nicht dargestellt), der das zugehörige Ventil so verstellen kann, das es so weit offen ist, wie es nötig ist, damit das erforderliche Wasser durch die zugehörige Etagenkühleinheit 160 fließen kann. Es kann ein Steuergerät den Motor steuern. Es kann zum Beispiel ein Hauptsteuergerät geben, das alle Regelventile 224 steuert. Alternativ kann jedes Regelventil 224 ein entsprechendes Steuergerät haben, um jeden Motor unabhängig zu steuern. In manchen Implementierungen kann ein Hauptsteuergerät alle einzelnen Steuergeräte ansteuern. Die Steuergeräte können die Regelventile 224 so steuern, dass sie auf die Ablufttemperatur (leaving air temperature, LAT) oder andere lokale Variable jeder Kühleinheit 160 reagieren. So können beispielsweise die Steuergeräte die Regelventile 224 so ansteuern dass sie auf eine Änderung in der Differenz zwischen der Abluft- und der Wasserzulauftemperatur reagieren. Jedes Kontrollventil 224 und damit jede Etagenkühleinheit 160 kann unabhängig von einem anderen Regelventil 224 oder Etagenkühleinheit 160 tätig sein. Somit können alle Zunahmen oder Abnahmen des Flusses durch System 100 örtlich über Steuergeräte an jeder entsprechenden Etagenkühleinheit 160 geregelt werden.
Durch Auslegung von System 100, sodass die Menge des Wasserzulaufs zu jeder Etagenkühleinheit 160 individuell geregelt und die modularen Kühleinheiten 222 mit einer gemeinsamen Kopfeinheit verbunden sind, kann Wasser aus dem System je nach Last auf System 100 verteilt werden, statt dass eine konstante Menge Wasser durch das gesamte System 100 fließt. So kann Wasser, das in einer Etagenkühleinheit 160 nicht benötigt wird, für eine andere Etagenkühleinheit 160 verfügbar gemacht werden. Weil die Etagenkühleinheiten 160 unabhängig tätig sind, kann es eine große Anzahl an Etagenkühleinheiten 160 in System 100 geben, zum Beispiel über 1000 Kühleinheiten. Außerdem kann das System 100 so ausgelegt werden, dass Kühlluft aus mehreren Kühleinheiten 160 sich zwischen dem Zeitpunkt vermischt, zu dem sie die Kühlschlangen 112a, 112b verlässt und in die Server 102a, 102b eingesaugt wird, etwa durch Verwendung höherer Decken zum Ausstoß der gekühlten Luft aus dem Lüfter 110 und den Kühlschlangen 112a, 112b in den Raum oberhalb der Server 102a, 102b. Eine solche Auslegung stellt sicher, dass, wenn eine Etagenkühleinheit 160 ausfällt, z. B. weil das Regelventil 224 zu viel oder zu wenig Wasser in die jeweilige Etagenkühleinheit 160 schickt, die anderen Etagenkühleinheiten 160 die Kühlung des Rechenzentrums 101 ausgleichen können. Außerdem kann das System 100 so ausgelegt werden, dass wenn eine modulare Kühlanlage 222 ausfällt, andere modulare Kühlanlagen 222 an derselben Kopfeinheit die Last übernehmen können. Eine solche Auslegung kann die Kühlung einer großen Zahl von Servern erlauben. So kann beispielsweise System 100 über 1000 Kühleinheiten und die entsprechenden Servergestelle umfassen.
Optional können einige Kältemaschinen 130 für die Verwendung durch System 100 verfügbar sein. Eine gesonderte Kältemaschinenkopfeinheit 228, die eine Kältemaschine mit mehreren modularen Kühlanlagen 222 verbindet, kann bereitgestellt werden. Die Betriebsführung des Systems 100 kann eine oder alle Kältemaschinen 130 in Zeiten extremer atmosphärischer Umgebungsbedingungen (d. h. heiß und feucht) oder Zeiten hoher Last im Rechenzentrum 101 einschalten. Unter erneuter Bezugnahme auf 1 werden gesteuerte Mischventile 134 für die elektronische Umschaltung auf den Kältemaschinenkreislauf bereitgestellt oder für die Verschneidung von Kühlwasser aus dem Kältemaschinenkreislauf mit Kühlwasser aus dem Kondensatorkreislauf. Pumpe 128 kann Turmwasser an Kältemaschine 130 geben und Pumpe 132 Kältemaschinenwasser oder Kühlwasser aus Kältemaschine 130 an den Rest von System 100. Kältemaschine 130 kann dabei jede geeignete Form annehmen, etwa Fliehkraft-, Kolben- oder Schraubenkühlung oder Absorptionskältemaschine.
Der Kältemaschinenkreislauf kann zur Bereitstellung von Kühlwasser mit verschiedenen Temperaturen gesteuert werden. Das Kältemaschinenwasser kann von der Kältemaschine 130 mit Temperaturen bereitgestellt werden, die höher liegen als gewöhnliche Temperaturen von Kältemaschinenwasser. So kann beispielsweise das Kältemaschinenwasser mit Temperaturen von 55 °F (13 °C) bis 70 °F (18 °C bis 21 °C) oder höher bereitgestellt werden. So kann beispielsweise die Zulauftemperatur zwischen 60–64 °F, 65–70 °F, 71–75 °F oder 76–80 °F (15–18 °C, 18–21 °C, 21–24 °C oder 24–27 °C) liegen. Das Wasser kann dann bei höheren Temperaturen zurückgeführt werden, etwa 59 bis 176 °F (15 bis 80 °C). Bei diesem Ansatz, der Quellen zusätzlich oder als Alternative zu kostenloser Kühlung verwendet, können Erhöhungen der Zulauftemperatur des Kältemaschinenwassers auch erhebliche Zuwächse in der Effizienz von System 100 zur Folge haben.
Unter Bezugnahme auf 2A können die Kältemaschinen 130 gemeinsam von den Modulen 230 genutzt werden, weil die Kältemaschinen 130 sich auf einem von den Modulen 230 getrennten Kreislauf 228 befinden. Eine solche Einrichtung kann von Vorteil sein, wenn eine modulare Kühlanlage 222 oder eine Kältemaschine 130 ausfällt. Weil die Kältemaschinen 130 gemeinsam von den Modulen 160 genutzt werden, kann jede Kältemaschine 130 kaltes Wasser liefern, damit das Modul 160 auch dann in Betrieb bleiben kann, wenn entweder eine der Kältemaschinen ausfällt oder eine entsprechenden modulare Kühlanlage 222. So kann das System 100 robuster werden, selbst wenn wie weiter unten beschrieben weitere Module 160 und weitere Kältemaschinen 130 hinzukommen. Außerdem kann die Zahl der Kältemaschinen 130 geringer sein als die Zahl der Module 230, was die Kosten senkt. Ventile zwischen den Kältemaschinen und den modularen Kühlanlagen 222 können steuern, welche Kältemaschinen kaltes Wasser an welche modulare Kühlanlage 222 liefern. Auch wenn dies nicht dargestellt ist, und auch wenn sie an anderen Kopfeinheiten betrieben werden als die Module 230, können die Kältemaschinen 130 in manchen oder allen Modulen 222 untergebracht werden.
In 1 können die Pumpen 120, 124, 128, 132 mit Antrieben mit variabler Drehzahl ausgestattet werden. Diese Antriebe können von einem zentralen Steuersystem elektronisch angesteuert werden, sodass die von jeder Pumpe geförderte Wassermenge entsprechend sich ändernden Umgebungsbedingungen verändern oder entsprechen sich ändernden Bedingungen wie ein Geräteausfall oder ein neuer Sollwert in System 100. So kann beispielsweise die Pumpe 124 so gesteuert werden, dass im Arbeitsbereich 106 eine konstante Temperatur gehalten wird, etwa entsprechend Signalen von einem Thermostat oder sonstigem Fühler in Arbeitsbereich 106.
Wie in 2B dargestellt kann System 100 hochmodular sein und sich somit durch Hinzufügen zusätzlicher Bauteile und Subsysteme von einem sehr kleinen zu einem sehr großen System ausbauen lassen. Weil System 100 modular ist, kann das Rechenzentrum je nach Kapazitätsbedarf ausgebaut werden, während der Betrieb der Anlage weiterläuft. Ein erster Satz an Gestellen mit elektronischem Gerät, beispielsweise Servergestelle samt den zugehörigen modularen Kühlanlagen und optionalen Kältemaschinen kann installiert und der Betrieb der Ausrüstung eingeleitet werden. Sowie weiteres elektronisches Gerät benötigt und empfangen wird, werden ein zweiter Satz elektronischen Geräts sowie die zugehörigen modularen Kühlanlagen eingebaut und in Betrieb genommen. Die zum ersten Satz Gerät gehörigen modularen Kühlanlagen können strömungstechnisch mit den zum zweiten Satz Gerät zugehörigen modularen Kühlanlagen verbunden werden, um im Fall eines Ausfalles Reservekühlung zu leisten. Außerdem können, auch wenn die bestehende Anlage 301 und die künftige Anlage 302 als getrennte Systeme dargestellt sind, zwischen den beiden Anlagen Verbindungen wie Verbindung 303 hergestellt werden, um Bauteile gemeinsam zu nutzen. Zwar kann die gemeinsame Nutzung von Bauteile durch die alten und neuen Systeme zu baubedingten Unterbrechungen im bestehenden System führen, allerdings auch zu einer besseren Nutzung der Bauteile im Gesamtsystem. So können beispielsweise die Kältemaschinen 130 ausgeweitet werden, damit die beiden Anlagen 301 und 302 sie gemeinsam nutzen können.
Im Betrieb kann System 100 auf Signale von einem oder mehr in System 100 eingebauten Fühlern 192 reagieren. Die Fühlern können beispielsweise Thermostate, Hygrostate, Durchflussmesser und andere ähnliche Fühler beinhalten. In einer Implementierung können ein oder mehrere Thermostate bereitgestellt werden, die die Temperatur im Rechenzentrum überwachen. In manchen Implementierungsformen wird die eine Etagenkühleinheit 160 umgebende Luft von der eine benachbarte Etagenkühleinheit 160 umgebenden Luft teilweise isoliert. Eine einzelne Etagenkühleinheit 160 kühlt von den Servern im jeweiligen Arbeitsbereich erwärmte Luft. Die Fühler 192 können die Ablufttemperatur messen, die definiert ist als die Temperatur bei Austritt aus den Kühlschlangen 112a, 112b oder aus dem Kühlluftkasten 108. Zur Messung der Ablufttemperatur können ein oder mehrere Fühler 192 beispielsweise neben die Kühlschlangen 112a, 112b oder den Kühlluftkasten 108 jeder Etagenkühleinheit 160 angebracht werden.
Wie in 1 gezeigt kann ein einziger Temperaturfühler 192 für jede Etagenkühleinheit 160 verwendet werden. Alternativ kann eine Reihe von Fühlern, etwa zwischen zwei und zehn Fühlern, beispielsweise vier Fühler für jede Etagenkühleinheit verwendet und die Durchschnittstemperatur, etwa die durchschnittliche Ablufttemperatur, bestimmt werden. Zwar können andere Implementierungen das Platzieren mehrerer Thermostate im ganzen System 110 beinhalten, etwa in den Warmluftkästen 104a, 104b oder in der Nähe der Server 102a, doch neigen diese Temperaturen dazu zu schwanken. Deshalb kann die Messung der Ablufttemperatur eine robustere Methode der Steuerung des Systems 100 darstellen.
Die von den Thermostaten gemessene Ablufttemperatur kann verwendet werden, um die zu den Etagenkühleinheiten 160 gehörenden Ventile 224 zu steuern. Außerdem sind zwar in manchen Implementierungen die Pumpen 120, 124, 128, 132 Pumpen mit festgelegter Geschwindigkeit, in anderen Ausführungen können aber die Temperaturmeldungen der Thermostate zur Steuerung der Drehzahl der zugehörigen Pumpen verwendet werden. Beginnt die Ablufttemperatur, über einen inneren Sollwert zu steigen, können die Regelventile 224 weiter geöffnet werden oder die Pumpen 120, 124, 128, 132 schneller laufen, um zusätzliches Kühlwasser zu fördern. Dieses zusätzliche Kühlwasser kann die Ablufttemperatur senken. Die Ablufttemperatur kann auch verwendet werden, um die Serverlüfter indirekt zu beeinflussen. Das heißt, dass im Fall von Computern, die ihre Lüfterdrehzahl danach steuern, wie schwer der Server arbeitet, die Steuerung der Ablufttemperatur der Kühleinheit, sodass Heißpunkte im Arbeitsbereich 106 vermieden werden, diesen Servern erlauben kann, ihre Lüfter mit einer geringeren Drehzahl laufen zu lassen, sodass sie weniger Energie verbrauchen, als sonst erforderlich wäre.
Wenn zusätzliches Wasser durch System 100 strömt, weil die Ventile 224 geöffnet wurden oder die Pumpen 120, 124, 128, 132 mehr Wasser ziehen, sinkt das Druckdifferenzial zwischen den Zulaufleitern 246 und den Ablaufleitern 248, weshalb sich die Pumpen 120, 124, 128, 132 auf einem geringeren Druckgleichgewicht als sonst einstellen müssen (bezeichnet als „der Pumpenkurve folgen”), sodass der Druckabfall der gesamten Kühleinheiten dem Druckdifferenzial der Pumpen entspricht. Wird aus der modularen Kühlanlage 222 überschüssiges Wasser entzogen, kann die modulare Kühlanlage 222 möglicherweise eine voreingestellte Wasserzulauftemperatur nicht halten. Beispielsweise haben die Kühltürme, weil das Wasser schneller im System umläuft, und die Umgebungstemperatur höher ist, möglicherweise nicht ausreichend Zeit, Wärme aus dem Wasser an die Umgebung abzugeben, wie sie sie haben, wenn die Außentemperatur niedriger ist. Deshalb läuft Wasser durch System 100, das wärmer ist als die voreingestellte Wasserzulauftemperatur.
Das potenziell negative Ergebnis des Umlaufs von Wasser, das wärmer ist als die voreingestellte Wasserzulauftemperatur, durch die Etagenkühleinheit 160, nämlich weniger Kühlfähigkeit des die Etagenkühleinheit 160 durchströmenden Wassers, wird jedoch womöglich durch das positive Ergebnis des erhöhten Wasserdurchflusses durch die Etagenkühleinheit 160 mehr als ausgeglichen. So kann die sich ergebende Ablufttemperatur unter den inneren Sollwert gebracht werden. In manchen Ausführungsformen kann die sich ergebende Ablufttemperatur mehr als ein Grad kühler sein als der innere Sollwert, obwohl das der Etagenkühleinheit 160 zugeführte Wasser ein Grad wärmer ist als die voreingestellte Wasserzulauftemperatur.
Steuergeräte können zur Regelung der Drehzahl verschiedener Gegenstände wie ein Lüfter 110 verwendet werden, um ein eingestelltes Druckgefälle zwischen zwei Räumen, etwa Boden 105 und Arbeitsbereich 106 aufrechtzuerhalten und damit eine gewünschte Luftflussgeschwindigkeit. Sind Mechanismen zur Verstärkung der Kühlung, etwa Beschleunigung von Pumpen, nicht mehr in der Lage, mit ansteigenden Lasten Schritt zu halten, kann ein Steuersystem die Kälteanlage 130 und die zugehörigen Pumpen 128, 132 zu aktivieren und die Regelventile 134 entsprechend zu modulieren, um zusätzliche Kühlung bereitzustellen.
System 100 kann auch auf Signale von außerhalb des Rechenzentrums 101 reagieren, z. B. auf die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums 101 (die mit der Temperatur des vom Kühlturm gelieferten Wassers korreliert sein und überwacht werden kann). Thermostate können außerdem verwendet werden, um die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums 101 zu überwachen. Wenn die Temperatur, d. h. entweder die Lufttemperatur oder die Feuchtkugeltemperatur, außerhalb des Rechenzentrums 101 unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt, ist Wasser, das im Kühlturm gekühlt wird, mindestens so kühl wie die voreingestellte Wasserzulauftemperatur. Dieses gekühlte Wasser kann durch das System 100 umlaufen lassen werden, um die Temperatur innerhalb des Rechenzentrums 101, beispielsweise die Ablufttemperatur jeder Etagenkühleinheit 160, unterhalb eines inneren Sollwertes zu halten. Der innere Sollwert kann beispielsweise weniger als 120 °F (49 °C) betragen, etwa weniger als 115 °F (46 °C) oder weniger als 110 °F (43 °C), etwa 75 °F (24 °C) bis 85 °F (29 °C) und im Jahresverlauf, wie nachfolgend besprochen schwanken. Die Bundes-OSHA- und kalifornischen OSHA-Richtlinien können ebenfalls Grenzen für den inneren Sollwert liefern. Außerdem kann der Sollwert je nach geografischem Standort schwanken und die Durchschnittstemperatur und -luftfeuchtigkeit am jeweiligen Ort berücksichtigen. Wenn die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums 101 oberhalb eines vorbestimmten Werts liegt, kann Wasser, das Wärmer ist als die voreingestellte Wasserzulauftemperatur durch das System 100 umlaufen lassen werden und so die Temperatur innerhalb des Rechenzentrums 101 über den inneren Sollwert ansteigen. Die Nennbetriebstemperatur des Wassers im Rechenzentrum 101 kann niedriger liegen als die voreingestellte Wasserzulauftemperatur, d. h. das Rechenzentrum 101 kann über genügend Wasservorräte verfügen, um die Ablufttemperatur unterhalb einer voreingestellten Temperatur zu halten und in manchen Fällen die Wassertemperatur in System 100 unter der voreingestellten Wasserzulauftemperatur zu halten.
In einer Implementierung können die Zulauftemperaturen für Kühlwasser zwischen 65 °F (18 °C) und 70 °F (21 °C), etwa bei 68 °F (20 °C), und die Rücklauftemperaturen zwischen 100 °F (38 °C) und 110 °F (43 °C) liegen, etwa bei 104 °F (40 °C). In anderen Implementierungen kann das Zulaufwasser zu Temperaturen von 50 °F bis 84,20 °F oder 104 °F (10 °C bis 29 °C oder 40 °C) einlaufen und das Rücklaufwasser zu Temperaturen von 59 °F bis 176 °F (15 °C bis 80 °C) zurücklaufen. Die Temperatur des vom Kühlturm gelieferten Wassers kann leicht oberhalb der Feuchtkugeltemperatur unter den umgebenden atmosphärischen Bedingungen liefen, während die Temperatur des Wassers, das zum Kühlturm zurückgeführt wird, teilweise von der Wärme innerhalb von Gebäude 101 abhängt.
Mithilfe dieser Parameter und der oben besprochen Parameter für die Zu- und Abluft können mit dem System 100 relativ enge Näherungstemperaturen erreicht werden. Die Näherungstemperatur ist in diesem Beispiel der Unterschied in der Temperatur zwischen der von einer Kühlschlange wegströmenden Luft und des in die Schlange einströmenden Wassers. Die Näherungstemperatur ist stets positiv, da das Wasser, das in die Schlange einläuft, das kälteste Wasser ist, und das Wasser sich beim Durchgang durch die Schlange erwärmt. Deshalb kann das Wasser, wenn es die Schlange verlässt, spürbar wärmer sein. Luft, die nahe dem Wasserablauf über die Schlange streicht, ist wärmer als die Luft, die beim Wasserzulauf über die Schlange streicht. Da auch die am stärksten gekühlte Abluft am Wasserzulaufpunkt wärmer ist als das einströmende Wasser, ist auch die gesamte Ablufttemperatur wenigstens etwas höher als die Temperatur des einströmenden Kühlwassers.
Wird die Näherungstemperatur klein gehalten, kann das System einen größeren Teil des Jahres auf kostenloser, oder Verdampfungs-, Kühlung laufen und die mit dem System verwendete Kältemaschine kleiner gehalten werden, falls überhaupt eine Kältemaschine erforderlich ist. Um die Näherungstemperatur zu senken, können die Kühlschlangen für Gegenstrom ausgelegt werden. Beim Gegenstrom fließt die wärmste Luft nahe dem wärmsten Wasser, und die kühlste Luft strömt aus, wo das kühlste Wasser einströmt.
In manchen Implementierungen kann wie oben vermerkt die Wasserzulauftemperatur 64 °F (18 °C) betragen und die Ablufttemperatur 77 °F (25 °C), sodass sich eine Näherungstemperatur von 13 °F (7 °C) ergibt. In anderen Implementierungen können aus betriebswirtschaftlichen Gründen für eine gesamte Einrichtung breitere oder engere Näherungstemperaturen gewählt werden.
Bei einer engen Näherungstemperatur folgt die Temperatur der von der Kühlschlange wegströmenden Luft eng der Temperatur des in die Schlange einströmenden Kühlwassers. Infolgedessen kann die Lufttemperatur – im Allgemeinen ohne Rücksicht auf die Last – durch das Halten einer konstanten Wassertemperatur selbst konstant gehalten werden. Im Verdampfungskühlmodus kann eine konstante Wassertemperatur gehalten werden, da die Feuchtkugeltemperatur konstant bleibt (oder sich nur sehr langsam ändert), und durch Mischen von wärmerem Rücklaufwasser mit Zulaufwasser oder dem Modulieren der Kühlturmlüfter, wenn die Feuchtkugeltemperatur fällt. So kann eine aktive Regelung der Kühllufttemperatur in manchen Fällen vermieden werden, und die Regelung einfach über die Kühlwasserrücklauf- und -zulauftemperaturen erfolgen.
3 ist ein psychrometrisches Diagramm, das den Wärm- und Kühlkreislauf für Luft in einem Rechenzentrum wiedergibt. Ein psychrometrisches Diagramm stellt die thermodynamischen Eigenschaften von feuchter Luft dar (also Luft, die wahrnehmbare Feuchtigkeit enthält, und nicht nur Luft, die ein Mensch als feucht empfinden würde). Das Diagramm stammt aus ASHRAE Psychrometric Chart No.1, das die Eigenschaften von Luft bei Anwendungen auf Meereshöhe definiert. Siehe 1997 ASHRAE Handbook – Fundamentals, Seite 6.15. Andere Diagramme können verwendet werden, auch wird das hier gezeigte Diagramm nur verwendet, um bestimmte Aspekte der im vorliegenden Dokument besprochenen Konzepte zu exemplifizieren.
Das psychrometrische Diagramm ist von einer Anzahl Linien durchkreuzt, die verschiedene Eigenschaften von Luft darstellen. Luftkühlungs- und -erwärmungsvorgänge können dadurch analysiert werden, dass ein Punkt auf dem Diagramm identifiziert wird, der Luft bei einer bestimmten Bedingung darstellt (z. B. Temperatur und Feuchtigkeit), und dann ein anderer Punkt gefunden wird, der Luft bei einer anderen Bedingung darstellt. Von einer Linie zwischen diesen Punkten, meistens als Gerade gezeichnet, kann vernünftigerweise angenommen werden, dass sie die Bedingungen der Luft darstellt, wie sie von der ersten Bedingung sich zu der zweiten bewegt, etwa durch einen Kühlvorgang.
Hier werden verschiedene Eigenschaften besprochen. Erstens ist die Sättigungstemperatur ein Bogen entlang der linken Seite des Diagramms und stellt die Temperatur dar, bei der die Luft gesättigt wird und Feuchtigkeit beginnt, als Flüssigkeit aus der Luft auszufallen – volkstümlich auch als „Taupunkt” bekannt. Wird die Lufttemperatur unter den Taupunkt geführt, fällt immer mehr Wasser aus der Luft, da die kühlere Luft weniger Wasser halten kann.
Die Trockenkugeltemperatur der Luft ist entlang der Unterseite des Diagramms aufgetragen und stellt dar, was volkstümlich als Temperatur angesehen wird, d. h. die von einem typischen Quecksilberthermometer angegebene Temperatur.
Das Diagramm zeigt zwei Zahlen im Zusammenhang mit der Luftfeuchtigkeit. Die erste ist das Feuchtigkeitsverhältnis, abgetragen entlang der rechten Seite des Diagramms, und ist einfach das Gewicht der Feuchtigkeit je Gewichtseinheit trockener Luft. Das Feuchtigkeitsverhältnis bleibt somit bei verschiedenen Lufttemperaturen konstant, bis Feuchtigkeit aus der Luft entfernt wird etwa durch Führen der Lufttemperatur bis auf ihren Taupunkt (d. h. die Feuchtigkeit fällt aus der Luft und landet schließlich morgens auf dem Gras) oder durch Hinzufügen von Feuchtigkeit zur Luft (z. B. durch Atomisieren von Wasser in einen so feinen Nebel, das der Nebel durch die natürlich Bewegung der Luftmoleküle in der Schwebe gehalten werden kann). Beim Abtragen von Vorgängen, die einfach Änderungen der Lufttemperatur betreffen, wandert also der Punkt, der den Zustand der Luft darstellt, bei einem konstanten Feuchtigkeitsverhältnis geradewegs nach links oder rechts entlang des Diagramms. Er tut dies, weil die Trockenkugeltemperatur zwar steigen und fallen, das Feuchtigkeitsverhältnis aber konstant bleibt.
Der zweite Feuchtigkeitsparameter ist die sogenannte relative Luftfeuchtigkeit. Anders als das Feuchtigkeitsverhältnis, das die absolute Feuchtigkeitsmenge in der Luft misst, misst die relative Luftfeuchtigkeit die Menge an Feuchtigkeit in der Luft als Prozentsatz der gesamten Feuchtigkeit, die die Luft bei ihrer jeweiligen Temperatur halten könnte. Warme Luft kann mehr Feuchtigkeit bergen als kältere Luft, weil sich die Moleküle in wärmerer Luft schneller bewegen. Deshalb ist bei einer gleichen Menge Feuchtigkeit in der Luft (d. h. gleichem Feuchtigkeitsverhältnis) die relative Feuchtigkeit bei hoher Temperatur niedriger als bei niedriger Temperatur.
Als ein Beispiel beträgt an einem Sommertag, wenn die Tiefsttemperatur nachts bei 55 °F (13 °C) lag, und Tau den Boden benetzt, und die Tageshöchsttemperatur etwa 75 °F (24 °C) erreicht, die relative Luftfeuchtigkeit frühmorgens etwa 100 % (der Taupunkt), die relative Luftfeuchtigkeit am Nachmittag jedoch sehr angenehme 50 %, selbst wenn man annimmt, dass beide Male die gleiche Menge Wasser in der Luft enthalten ist. Diese exemplarische Vorgang ist in 3 durch die als C und D bezeichneten Punkte dargestellt, wobei Punkt C gesättigte Luft bei 55 °F (13 °C) anzeigt (der nächtlichen Tiefsttemperatur) und Punkt D dieselbe Luft auf 75 °F (24 °C) angewärmt (die Tagestemperatur).
Gewerbliche Klimasysteme nutzen diesen selben Vorgang, wenn sie ein Gebäude mit gekühlter Luft versorgen. Insbesondere können solche Systeme Luft aus einer Büroraum bei 75 °F (24 °C) entnehmen und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 Prozent. Die Systeme führen die Luft durch eine Kühlschlange, die wie ein Autokühler aussieht, und kühlen die Luft auf 55 °F (13 °C), wobei sie in der Regel auf ihren Taupunkt gedrückt wird. Dies bringt die Feuchtigkeit dazu, aus der Luft auszufließen, wenn die durch die Kühlschlange streicht. Die Feuchtigkeit kann in Abläufen unterhalb der Kühlschlangen aufgefangen und aus dem Gebäude hinausgeführt werden. Die Luft kann dann zurück in den Arbeitsbereich geführt werden, und wenn sie sich dann wieder auf 75 °F (24 °C) erwärmt, hat sie sehr angenehme 50 Prozent relativer Feuchtigkeit.
Dieses gängige Kühlverfahren ist durch die Punkte A, B, C, und D im Diagramm in 3 dargestellt. Punkt A zeigt die Luft mit 75 °F (24 °C) und 70 Prozent relativer Feuchtigkeit. Punkt B zeigt die auf ihren Taupunkt gekühlte Luft, den sie bei einer Temperatur (Trockenkugel) von etwa 65 °F (18 °C) erreicht. Eine weitere Kühlung der Luft auf 55 °F (13 °C) (nach Punkt C) läuft entlang der Sättigungskurve, sodass in diesem Teil der Kühlung Wasser aus der Luft austreten wird. Schließlich bewegt sich der Luftzustand nach Punkt D, während die Luft sich erwärmt und wieder 75 °F (24 °C) erreicht. An diesem Punkt beträgt die relative Feuchtigkeit 50 Prozent (unterstellt, dass die Luft keine weitere Feuchtigkeit aus dem Raum oder der Raumabluft aufgenommen hat) statt der ursprünglichen 60 Prozent, weil der Kühlvorgang die Luft durch den Austritt von Feuchtigkeit aus der Luft in der Kühlschlange entfeuchtet hat. Wenn die Raumluft mehr Feuchtigkeit enthält als die gekühlte Luft, liegt Punkt D etwas über seiner in 3 gezeigten Position, jedoch immer noch unter Punkt A.
Ein solches gängiges Verfahren bringt eine Anzahl an Herausforderungen mit sich. Erstens muss das System, um die Luft auf 55 °F (13 °C) zu kühlen, Kühlwasser in der Kühlschlange bereitstellen, das die ganze Wärme aufnehmen kann. Dieses Wasser muss mindestens kühler als 55 °F (13 °C) sein. Die Erzeugung dieses kühlen Wassers kann Systeme wie Kältemaschinen und andere energieintensive Systeme erfordern und darum teuer sein. Außerdem ist der Bereich unmittelbar um die Rohre herum, die das Kühlwasser liefern, kühler als 55 °F (13 °C), also kühler als der Taupunkt der Luft, wenn die Rohre durch den Arbeitsbereich verlaufen oder durch Luft, die denselben Zustand hat wie die Luft im Arbeitsbereich. Im Ergebnis kann Feuchtigkeit aus der Luft sich auf dem Rohr niederschlagen, da die Temperatur der Umgebungsluft auf ihren Taupunkt fällt. Deshalb kann Isolation um die kühlen Rohre herum erforderlich sein, um diese Kondensation zu vermeiden, Kondensation kann aber trotzdem auftreten und Korrosion, Schimmel, Wasseransammlung und andere Probleme verursachen. Schließlich erfordert die Entfeuchtung, d. h. Wasser von einem Zustand in den anderen zu bringen, viel Energie.
Die in Bezug auf 1 oben besprochenen Warmluftkühlmerkmale können in bestimmten Implementierungen einen oder mehrere dieser Herausforderungen vermeiden. Ein exemplarisches Warmluftkühlverfahren wird im Diagramm von 3 durch die Punkte E und F bezeichnet. Punkt E zeigt einen Raumluftzustand an einem Arbeitsplatz, der nahe der oberen Schranke für allgemeine Leitlinien für Bequemlichkeitsstufen für Menschen in Sommerkleidung liegt, aber noch drinnen. Siehe 1997 ASHRAE Handbook – Fundamentals, Seite 8.12. Dieser Zustand ist 75 °F (24 °C) bei einer relativen Feuchtigkeit von etwa 70 Prozent (wie in Punkt A im vorigen Beispiel). Punkt F zeigt die Erwärmung dieser Luft ohne Hinzufügung von Feuchtigkeit, etwa durch Führung der Luft über wärmeerzeugende Computerbauteile in einem in ein Gestell eingebauten Server. Der Temperaturanstieg beträgt 36 °F (20 °C) und bringt die Luft in einen Zustand von 111 °F (44 °C) bei etwa 23 Prozent relativer Feuchtigkeit. Die Luft kann dann in einer Kühlschlange auf ihre ursprüngliche Temperatur (Punkt E) von 75 °F (24 °C) gekühlt werden, ehe sie wieder in den Arbeitsbereich geführt wird, ohne der Luft Wasser hinzuzufügen oder aus ihr zu entfernen.
Die Punkte G und H auf dem Diagramm stellen den Luftzustand im Raum unmittelbar um die Kühlrohre herum dar. Es wird für dieses Beispiel angenommen, dass das Kühlzulaufwasser 68 °F (20 Grad Celsius) hat und die Rücklauftemperatur 104 ° (40 Grad Celsius) beträgt. Es wird weiterhin angenommen, dass die Luft nahe den Rohren den gleichen Feuchtigkeitsspiegel enthält wie der Rest der Luft im Raum, und dass die Luft, die die Rohre unmittelbar umgibt, die gleiche Temperatur annimmt wie das Wasser im Rohr. Wie man sehen kann, bleibt auch die Luft in der Nähe des Kühlwassers oberhalb ihres Taupunktes, sodass es keine Kondensation auf den Kühlwasserrohren geben kann und somit kein Bedarf an Isolierung gibt, um die Kondensation auf den Rohren zu verhindern.
Durch diesen Prozess wird sichtbar, dass die Luft niemals gesättigt wird. Infolgedessen braucht das System keine Energie bereitzustellen, um in der Luft einen Phasenwechsel herbeizuführen. Außerdem braucht das System keine Auffangstrukturen für Feuchtigkeit an der Kühlschlange und auch keine Rohrisolierung irgendwo vorzusehen. Andere ähnliche Temperaturen können verwendet werden, und in vielen Implementierungen auch höhere Temperaturen. Die hier besprochenen besonderen Temperaturen sollen lediglich beispielhaft sein.
4 ist ein Diagramm eines inneren Sollwertes für eine Recheneinrichtung über einen Zeitraum von einem Jahr. Die innere Sollwerttemperatur kann eine Temperatur in einem Arbeitsbereich wie Arbeitsbereich in 106 in 1 sein. Wie im gestuften Diagramm gezeigt wird die innere Sollwerttemperatur (d. h. die Zieltemperatur) nur selten geändert, etwa jahreszeitlich oder monatlich, um die erwarteten Feuchtkugeltemperaturen außen besser widerzuspiegeln. Der innere Sollwert wird im Sommer erhöht, weil der niedrigere innere Wintersollwert bei warmem Sommerwetter nur mit Verdampfungskühlung tatsächlich nicht zu erreichen sein kann. Deshalb gilt im Winter ein „bester”, d. h. niedrigere Temperatur wie 71 °F (22 °C), innerer Sollwert, dieser Sollwert ist aber im Beispiel in den Sommermonaten nicht realistisch.
Der innere Sollwert kann von einem Nutzer händisch gesetzt und selten geändert werden, um besser einen Sollwert anzustreben, der mit Verdampfungskühltechnik mit wenig oder keiner Unterstützung durch Kühlmaschinen oder ähnlichen Bauteilen erreichbar ist, deren Betrieb relativ hohe Mengen Energie erfordern. Zwar kann die Erhöhung des inneren Sollwertes in wärmeren Zeiten des Jahres die typische Betriebstemperatur erhöhen, sie senkt allerdings das Maß an Temperaturwechselbeanspruchung, die in einer Einrichtung vorkommen, und verlängert so die Lebensdauer von elektronischen Bauteilen in der Einrichtung. Wird dagegen der Sollwert so niedrig wie möglich gehalten, wäre der klimatisierte Bereich an Tagen mit niedriger Feuchtkugeltemperatur relativ kühl und an Tagen mit hoher Feuchtkugeltemperatur relativ warm. Ein konstanter Sollwert über das ganze Jahr kann also die Temperaturwechselbeanspruchung besonders in warmen Monaten erhöhen, da das System an manchen Tagen den Sollwert einhalten kann, an anderen aber nicht. In einer anderen Ausführungsform können die Kühleinheiten so gesteuert werden, dass sie die Differenz zwischen ihrer Abluft- und Wasserzulauftemperatur stabil halten. Durch Zurücksetzen der Kühlplansollwerte kann die Lufttemperatur im Arbeitsbereich 106 faktisch von der Wassertemperatur der Kühlanlage abhängig gemacht werden, sodass eine Schicht zu planender Sollwerte entfallen kann.
Der Sollwert kann außerdem im Wesentlichen stetig geändert werden, etwa durch Verstellen der Sollwerttemperatur in einer über das Jahr sinusförmigen Weise, die im Allgemeinen der erwarteten Außenfeuchtkugeltemperatur folgt, wie sie die sinusförmige Sollwertlinie zeigt. Studien haben ergeben, dass Menschen es als weniger unangenehm empfinden, wenn sehr kleine oder stetige Änderungen der Temperatur erfolgen statt Änderungen der Temperatur in großen Schritten. In beiden Beispielen kann der Sollwert in bestimmten Implementierungen konstant gehalten werden, selbst wenn eine niedrigere Temperatur leicht zu erreichen ist (z. B. weil die Außenfeuchtkugeltemperatur niedriger ist als erwartet), um die Temperaturwechselbeanspruchung in einer zu kühlenden Einrichtung gering zu halten.
Die besonderen Sollwerttemperaturen können je nach der Leistungsfähigkeit der Bauteile in einer Einrichtung und den vorherrschenden örtlichen Wetterbedingungen gewählt werden. So können beispielsweise Sollwerte für kühles Wetter im Bereich 59–77 °F (15–25 °C) liegen mit Einzelwerten von 64,4, 68, 71,6 und 75,2 °F (18, 20, 22 und 24 °C). Sollwerte für warmes Wetter können im Bereich von 68–86 °F (20–30 °C) liegen mit Einzelwerten von 71,6, 75,2, 78,8 und 82,4 °F (22, 24, 26 und 28 °C). In einer bestimmten Implementierung sind die Temperaturen in einer Einrichtung bei warmem Wetter bei etwa 80,6–82, 4 °F (27–28 °C) und bei kaltem Wetter bei etwa 71,60 °F (22 °C). Der Zeitraum für die neue Setzung des Sollwertes kann ebenfalls schwanken und eine Woche betragen (z. B. unter Verwendung langfristiger Wettervorhersagen zur Auswahl eines erreichbaren Sollwertes, der sich nach der vorhergesagten Feuchtkugeltemperatur richtet), einen Monat oder ein Quartal.
Liegt die Feuchtkugel- oder Lufttemperatur so hoch, dass der gewünschte Sollwert nicht erreichbar ist, kann hingenommen werden, dass die Kühlwassertemperatur sich mit der Außentemperatur nach oben bewegt, sodass auch die Temperatur im Arbeitsbereich 106 steigt. Wenn wie oben besprochen die Außentemperatur über einen voreingestellten Wert steigt, kann die Temperatur im Rechenzentrum 101 wie mit Bereich 401 in 4 gezeigt ebenfalls über einen inneren Sollwert ansteigen lassen werden. Dieser Anstieg der Temperatur im Rechenzentrum kann wie oben besprochen durch Zirkulieren von warmem Wasser durch das System 100, also Wasser, das wärmer ist als eine voreingestellte Temperatur. Entsprechend kann mehr Wasser durch System 100 geführt werden, um die Wärme schneller abzuführen und auszugleichen, dass warmes Wasser durch das System geschickt wird.
Der Temperaturanstieg im Rechenzentrum 101 über den inneren Sollwert kann zeitlich begrenzt werden, beispielsweise auf weniger als 10 % der Betriebszeit des Rechenzentrums oder des Geräts, etwa auf weniger als 5 %, weniger als 1 % oder weniger als 0,5 % der Betriebszeit. Ebenfalls kann der Zeitraum, in dem warmes Wasser durch das System 100 geschickt wird, zeitlich begrenzt werden, beispielsweise auf weniger als 1000 Stunden pro Jahr, weniger als 500 Stunden pro Jahr, weniger als 100 Stunden pro Jahr oder weniger als 50 Stunden pro Jahr. Liegt die Temperatur im Rechenzentrum 101 mehr als 10 % der Betriebszeit des Rechenzentrums oder des Geräts über dem inneren Sollwert oder wird warmes Wasser mehr als 1000 Stunden im Jahr umlaufen lassen, kann das elektronische Gerät schneller ausfallen als gewünscht. So kann beispielsweise elektronisches Gerät schneller ausfallen, wenn warmes Wasser 15 % der jährlichen Betriebszeit des Rechenzentrums oder des Geräts umgelaufen ist oder 1500 Stunden lang.
5 ist ein Flussdiagramm 500, das Schritte für die Kühlung eines Rechenzentrums in einer oder mehreren Perioden erhöhter Temperaturen zeigt. Diese Methode ist lediglich exemplarisch; es können Schritte entfernt und andere Schritte hinzugefügt werden, auch können die Schritte in anderen Reihenfolgen vollzogen werden. Die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums wird überwacht (Schritt 502). Die Ablufttemperatur des Rechenzentrums wird überwacht (Schritt 503). Es wird ermittelt, ob die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt (Schritt 504). Liegt die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums nicht oberhalb einer voreingestellten Temperatur, kann die Ablufttemperatur unterhalb eines inneren Sollwertes gehalten werden, indem kühles Wasser durch ein Kühlsystem innerhalb des Rechenzentrums geschickt wird (Schritt 505). Das heißt, Wasser, das mindestens so kühl ist wie eine voreingestellte Wasserzulauftemperatur, läuft im Rechenzentrum um. Steigt die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums über den voreingestellten Wert an, kann zugelassen werden, dass die Ablufttemperatur über den inneren Sollwert anstellt, indem Wasser durch das Kühlsystem geschickt wird, das wärmer ist als die voreingestellte Wasserzulauftemperatur (Schritt 506).
6 ist ein Flussdiagramm 600, das Schritte für die Kühlung eines Rechenzentrums in einer oder mehreren Perioden erhöhter Temperaturen über weniger als 90 % der Betriebszeit des elektronischen Geräts des Rechenzentrums zeigt. Diese Methode ist lediglich exemplarisch; es können Schritte entfernt und andere Schritte hinzugefügt werden, auch können die Schritte in anderen Reihenfolgen vollzogen werden. Die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums wird überwacht (Schritt 602). Liegt die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums nicht oberhalb einer voreingestellten Temperatur, kann die Ablufttemperatur unterhalb eines inneren Sollwertes gehalten werden, indem kühles Wasser durch ein Kühlsystem innerhalb des Rechenzentrums geschickt wird (Schritt 605). Das heißt, Wasser, das mindestens so kühl ist wie eine voreingestellte Wasserzulauftemperatur, läuft im Rechenzentrum um. Steigt die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums über den voreingestellten Wert an, kann zugelassen werden, dass die Ablufttemperatur über den inneren Sollwert anstellt, indem Wasser durch das Kühlsystem geschickt wird, das wärmer ist als die voreingestellte Wasserzulauftemperatur (Schritt 606). Die Temperatur kann über mehr als 90 % der Betriebszeit des elektronischen Geräts unter dem inneren Sollwert gehalten werden.
Kaltwasser etwa aus einer Kältemaschine kann über die modulare Kühlanlage bereitgestellt werden. Das Kaltwasser kann mit kühlem Wasser verschnitten werden, sodass der innere Sollwert entweder gehalten oder sein Anstieg nur über eine vorbestimmte Zeit zugelassen wird. 7 ist ein Flussdiagramm 700 zur Kühlung eines Rechenzentrums mit sowohl Kaltwasser als auch kühlem Wasser und über eine oder mehrere Perioden erhöhter Temperaturen. Diese Methode ist lediglich exemplarisch; es können Schritte entfernt und andere Schritte hinzugefügt werden, auch können die Schritte in anderen Reihenfolgen vollzogen werden. Die Ablufttemperatur wird von einer Etagenkühleinheit im Rechenzentrum aus überwacht (Schritt 701). Die Temperatur außerhalb wird überwacht (Schritt 703). Es wird ermittelt, ob die Temperatur außerhalb des Rechenzentrums oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt (Schritt 705). Liegt die Außentemperatur nicht über der voreingestellten Temperatur, wird kühles Wasser durch das Rechenzentrum geschickt (Schritt 715). Alternativ wird, wenn die Außentemperatur über einer voreingestellten Temperatur liegt, ermittelt, ob warmes Wasser schon länger als über einen vorbestimmten Zeitraum durch das Rechenzentrum gelaufen ist (Schritt 707). Ist warmes Wasser noch nicht länger als über einen vorbestimmten Zeitraum durch das Rechenzentrum gelaufen, wird warmes Wasser weiter durch das Rechenzentrum laufen lassen (Schritt 709). Alternativ wird, wenn warmes Wasser länger als den vorbestimmten Zeitraum durch das Rechenzentrum laufen lassen worden ist, bestimmt, ob Kaltwasser durch das Rechenzentrum laufen lassen werden soll (Schritt 711). Kaltwasser wird durch das Rechenzentrum laufen lassen (Schritt 713).
Außerdem können, wenn auch nicht gezeigt, zusätzliche Lüfter und die Drehzahlsteuerung örtlicher Lüfter verwendet werden, um die Temperatur innerhalb des Rechenzentrums zu halten. Zusätzliche Lüfter können zum Einsatz kommen, um die Lüfter in den Behältern und Kühleinheiten zu verstärken. In einer Ausführungsform können die Lüfter Luft aus einer Vielzahl von Gestellen sammeln. In einer anderen Ausführungsform können Lüfter Kühlluft auf eine Vielzahl von Gestellen geben. In einer anderen Ausführungsform kann ein Verstärkerlüfter eingesetzt werden, um Druckabfall in den Kästen auszugleichen. Zum Beispiel ist unter erneuter Bezugnahme auf 1, wenn eine Ansaugöffnung 110 viel näher am Warmluftkasten 104a liegt als der Warmluftkasten 104b, kann ein zusätzliche Lüfter im Pfad vom Warmluftkasten 104b eingesetzt werden, sodass der sich ergebende statische Druck im Warmluftkasten 104a und im Warmluftkasten 104b etwa gleich sind. Wird wegen Druckabfällen quer durch den Kasten im Dachboden 105 der Verstärkungslüfter nicht verwendet, können die statischen Drücke im Warmluftkasten 104a und im Warmluftkasten 104b hinreichend verschieden sein, dass entweder stärkere Behälterlüfter im Gestell 102b erforderlich sind oder die Luft über das Gestell 102a übersaugen. Die Auslegung eines Kühlsystems wie hierin beschrieben kann die Effizienz des Systems verbessern. So kann beispielsweise das Hinnehmen eines Anstieges der Temperatur im Rechenzentrum über den inneren Sollwert für kurze Zeiträume den Bedarf an Kältemaschinen verringern. Außerdem lässt sich durch den Einsatz von Regelventilen zur individuellen Steuerung des Wasserflusses zu jeder Etagenkühleinheit, sodass nur die jeweils erforderliche Wassermenge verbraucht wird, der gesamte Wasserbedarf des Systems um 10–50 % senken. Ist die Anlage so ausgelegt, dass sie genügend Wasser liefert, dass alle Regelventile ständig weit geöffnet sind, Wasser mit einer Temperatur unterhalb der voreingestellten Wasserzulauftemperatur und Wasser zum Ausgleich von durch Reinigung beziehungsweise Verdampfung verlorenem Wasser zu liefern, müsste die Anlage über mehr Kühlwasser verfügen als außer zu den wärmsten Zeiten des Jahres nötig, also beispielsweise 30–40 Stunden pro Jahr. Gestattet man jedoch, dass die Wassertemperatur über kurze Zeiträume oder bei höheren Flussbedarfen ansteigt, kann die Anlage so ausgelegt werden, dass sie weniger Wasser benötigt. Ebenso kann die Kühlung mit relativ warmem Wasser bestimmte Vorteile mit sich bringen, wenn Kältemaschinen verwendet werden. Insbesondere kann eine Kältemaschine, wenn man ihr ermöglicht, eine kleine Temperaturänderung eines Kühlmittels, z. B. Wasser, zu bewirken, Kühlung für weniger Stromverbrauch je Tonne Kühlmittel zu erzeugen als wenn sie eine größere Temperaturänderung des Kühlmittels bewirken müsste. Lässt man höhere Temperaturen in einer kühlen Umgebung zu, also innerhalb des Rechenzentrums und neben der elektrischen Ausrüstung, kann die Wasserzulauftemperatur gleichfalls höher liegen und der Bedarf an der Kühlung des Wassers durch eine Kältemaschine geringer ausfallen. Als Ergebnis der hierin besprochenen Verbesserungen der Effizienz und anderer Konstruktionsparameter kann die Stromverbrauchseffizienz des Systems, also der vom Rechenzentrum aufgenommenen Leistung geteilt durch die für den Betrieb des elektronischen Geräts oder der Server im Rechenzentrum aufgenommenen Leistung weniger als 1,5 sein, zum Beispiel weniger als 1,3 oder etwa 1,2.
Eine Anzahl an Ausführungsformen wurden beschrieben. Dennoch versteht es sich von selbst, dass Modifikationen gemacht werden ohne vom hier beschriebenen Schutzumfang und Geist der Erfindung abzuweichen. So können beispielsweise die Schritte im beispielhaften Flussdiagramm in 6 in anderen Reihenfolgen vollzogen werden, es können Schritte entfernt und andere Schritte hinzugefügt werden. Dementsprechend liegen Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

1997 ASHRAE Handbook – Fundamentals, Seite 6.15 [0070]
1997 ASHRAE Handbook – Fundamentals, Seite 8.12 [0080]

Claims

System zur Versorgung von elektronischem Gerät mit gekühlter Luft, das Folgendes umfasst: ein Rechenzentrum mit elektronischem Gerät, das sich in Betrieb befindet; eine Vielzahl von Etagenkühleinheiten im Rechenzentrum, worin die Etagenkühleinheiten vom elektronischen Gerät gewärmte Luft kühlen; und eine Kühlwasserquelle, die dafür konfiguriert ist, Kühlwasser zu liefern, das eine Temperatur der Etagenkühleinheiten verringert, worin die Stromnutzungseffizienz – im Folgengen als Power usage effectiveness, „PUE” bezeichnet – des Systems geringer als 1,3 ist, worin die PUE definiert ist als die zum Betrieb des Rechenzentrums erforderliche Energie geteilt durch die zum Betrieb des elektronischen Geräts erforderliche Energie.
System nach Anspruch 1, worin die PUE des Systems etwa 1,2 beträgt.
System nach Anspruch 1, worin die Kühlwasserquelle einen Kühlturm umfasst.
System nach Anspruch 1, worin jede Etagenkühleinheit einen Wärmetauscher umfasst, der dafür konfiguriert ist, Wärme vom elektronischen Gerät zur Kühlwasserquelle zu übertragen.
System nach Anspruch 4, worin der Wärmetauscher Kühlschlangen umfasst, die angrenzend an einen oder mehr Heißluftkästen angebracht sind, die warme Luft vom elektronischen Gerät empfangen.
System nach Anspruch 1, worin die Kühlwasserquelle strömungstechnisch mit den Etagenkühleinheiten verbunden ist.
System nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Fühler zum Überwachen der Ablufttemperatur aus einer Etagenkühleinheit.
System nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Vielzahl von Proportionalventilen, wovon jedes für die Regelung des Umlaufs von Wasser durch die entsprechende Etagenkühleinheit ausgelegt ist.