27.5.2010 - Data Center Dynamics Zurich A. Altenburger, Amstein+Walthert AG

[ High Performance Computing – LowEx Cooling ]Thermodynamische Grundsätze konsequent umsetzen – Standards anwenden

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LowEx RZ – die Geschichte vom "Fünfer und Weggli"

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Agenda

Facts & Figures

Themodynamik und Exergie

Relevante Systemparameter

Konzeptionelle Relevanz für die Energieeffizienz – Syteme und Konsequenzen

Beispiele für LowEx Rechenzentren (RZ) - Lösungen

Fazit

RMI DataCenter Charrette 2003, San Jose, CA

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Facts & Figures

Der weltweite Energiebedarf in Rechenzentren (RZ) hat sich in den letzten zehn Jahren ca. vervierfacht

Der RZ-Energiebedarf verursacht 2% des globalen CO2-Ausstoss, gleichviel wie der gesamte Flugverkehr

Die Energiestromdichte in Rechenzentren ist vergleichsweise extrem hoch (CPU > Herdplatte)

Der Gesamtenergiebedarf ist doppelt so gross wie derjenige für IT (PUE = 2)

Von der IT-Industrie getragene Standards sind weitgehend unbekannt

Es gibt (noch) keine Vorschriften bezüglich Energieeffizienz ("Wilder Westen")

Das thermodynamische und energetische Potential wird nicht ausgeschöpft (40% oder PUE < 1.2)

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Facts & Figures – der grosse IT-Hunger

Quelle: IDC 2006, Koomey 2007, Boderstep 2008

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Facts & Figures – "low hanging fruits"?

Quelle: BFE, Studie 2004

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Facts & Figures – grosse Performanceunterschiede!

Quelle: EPA (US Environmental Protection Agency), 2009 (PUE in 102 RZ, Mittelwert = 1.91)

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Facts & Figures - ASHRAE Zulufttemperatur Rackeintritt

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Thermodynamik und Exergie

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt aus, dass aus einem System gleich viel Wärme abgeführt werden muss, wie es von Aussen erhält, wenn die Raumtemperatur i konstant bleiben soll.Ein Wärmefluss findet nur vom Reservoir mit der höheren Temperatur e in Richtung Reservoir mit der niederen Temperatur i statt.

Julius Robert von Mayer (1814-1878),

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Thermodynamik und Exergie

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Aus dem zweiten Hauptsatz der Thermo-dynamik lässt sich ableiten, dass der Wärmestrom , der zwischen den Re-servoiren mit den Temperaturen i und

e fliesst, theoretisch eine Wärmekraftmaschine antreiben könnte, die den Anteil E an mechanischer Nutz-arbeit und die Abwärme B abgibt.E wird als Exergie, B als Anergie be-zeichnet.

Nicolas Léonard Sadi Carnot(1796–1832),

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Relevante Systemparameter - Grundsätze

Um den exergetischen Bedarf zur Wärmeabfuhr möglichst gering zu halten sind die Temperaturen der Reservoire möglichst so zu gestalten, dass der erste Hauptsatz der Thermodynamik zum tragenkommt.

Das heisst, es ist idealerweise eine Wärmesenke zu finden, welche immer eine tiefere Temperatur als die Wärmequelle aufweist.

Konsequenterweise ist die Wärmequelle auf einem möglichst hohen Temperaturniveau zu betreiben.

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Relevante Systemparameter – Aussenklima, Rackzuluft

Rackzuluft 27°C (ASHRAE 2008)

Adiabat gekühlte Aussenluft 22°C dT > 5K

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Konventionelle KM-Systeme – FC-Potential (10/16°C)

100% / 0%

40% / 60%

56% / 44%

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KM/FC-Mischbetrieb – Potentiale KW-Temperaturen

6/12°C 10/16°C

14/20°C 18/24°C

57% / 43% 40% / 60%

24% / 76% 12% / 88%

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LowEx RZ – Systeme (Wärmesenke) mit KW > 22°C

0% / 100%

Mischsystem mit Abwärme-nutzung & Freecooling(zB TABS)

(zB Schwimmbad)

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Bauliche Konsequenz LowEx RZ – Kaltgangeinhausung

30°C

13°C

26°C

Ziel: Vermeiden von "hot spots" durch Rezirkulation der Rackabluftin den Rackzuluftstrom

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Bauliche Konsequenz LowEx RZ – Kaltgangeinhausung

Beispiel einer kostengünstigen Kaltgangeinhausung (links) und einer aufwändigeren Ausführung (rechts)

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Technische Konsequenz LowEx RZ – keine Kältemaschine

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LowEx-Beispiel – ÖKK Rechenzentrum Landquart

23-24°C

33-38°C30-35°C

21°C

Kälteerzeugung mit 100% Freecooling:Sommer = Hybridkühler (adiabate Aussenluftkühlung)Winter (Heizperiode) = Kühlung mit der TABS-Heizung (direkte WRG)

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LowEx RZ – ÖKK Rechenzentrum Landquart (88 kWe)

Kosteneinsparung RZ:

Energie = ca. 15'000 CHF/a*

Investition = ca. 250'000 CHF

* mit 15 Rp./kWhePUE < 1.2

Anteil Eek = 4%

PUE < 1.3

Anteil Eek = 14%

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LowEx RZ – ETH Supercomputing Aquasar (Grundidee)

CPU als Kochplatte (ATHLON XP 1500 +)

Low-Power Data-Center Charrette, San Jose, California, 2–5 February 2003Amory B. Lovins, CEO, Rocky Mountain Institute, ablovins@rmi.org

CPU Oberflächentemperaturen > 90°C

CPU Wärmeabgabe > 200 W

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LowEx RZ – ETH Supercomputing Aquasar (Konzept)

60°C

65°C

60°C

55°C

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LowEx RZ – ETH Supercomputing Aquasar (Planung)

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LowEx RZ – ETH Supercomputing Aquasar (Pilot IBM)

Forschungsprojekt (Beteiligte):ETH Prof. D. Poulikakos, D. NötzliIBM B. Michel, Th. Brunschwiler, I. MeijerA+W A. Altenburger, P. Stierli

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LowEx RZ - Systemkonfiguration mit max. Anergienutzung

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Fazit

Der Energiebedarf in Rechenzentren kann mit lediglich zwei einfachen Massnahmen (Kaltgangeinhausung, ASHRAE-Standard für Zuluft) markant gesenkt werden

Von der IT-Industrie getragene Standards (zB ASHRAE) sind besser zu kommunizieren

Potentiale nutzen statt Dogmen pflegen – Ingenieure müssen mit IT-Verantwortlichen sprechen

LowEx Rechenzentren brauchen bei Aussenklimabedingen mit Taupunkttemperaturen < 22°C keine Kältemaschinen mehr und können als Direktheizung genutzt werden

Die CPU-Hochtemperaturkühlung ist in der Pilotphase – es ist nun an der IT-Industrie diesen Ball aufzunehmen und entsprechend Standardkonfigurationen zu entwickeln

Es gibt den "Fünfer und das Weggli" – weniger Investition und gleichzeitig geringere Betriebskosten

27.5.2010 - Data Center Dynamics Zurich A. Altenburger, Amstein+Walthert AG

[ AUF WIEDERSEHEN ]Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Adrian Altenburgerc/o Amstein+Walthert AGAndreasstrasse 11CH-8050 Zürich

Mail: adrian.altenburger@amstein-walthert.chWeb: www.amstein-walthert.ch