Nieuwe generatie. autarkische datahotels.

Transcriptie

1 RCCTotlEnergy RCC Totl Energy Schoon & zuinig koelen en verwrmen Door Hrry Schmitz AUTARKIS BV en Vn Dorp Instllties BV Nieuwe genertie utrkische dthotels De nieuwe genertie utrkische dthotels onderscheidt zich vn de nieuwe genertie niet-utrkische dthotels doordt de overstp wordt gemkt vn een centrle energievoorziening nr een decentrle energievoorziening De computerrekken op zich worden omgevormd tot gedecentrliseerde dtcentr, onderling verbonden in een wereldwijd informtienetwerk Het gt hier om een formeel rtikel, wrin op een rekenkundige wijze lle stellingen worden onderbouwd, zodt de lezer in stt is lle berekeningen en uitgngspunten te verifiëren, zo nodig te corrigeren 0[ 0 C] In deze publictie worden drie generties dthotels beschreven, nmelijk de huidige genertie dthotels, een nieuwe genertie dthotels en een nieuwe genertie utrkische dthotels De nieuwe genertie dthotels onderscheidt zich vn de huidige genertie dthotels doordt de computerrekken in de serverruimte niet worden ngesloten op AC- mr op DC-stroom, de bouwkundige schil vn het dthotel in plts vn zeer goed, zeer slecht wordt geïsoleerd en door dt de DX-koeling vervngen wordt door PCM-koeling 1 Computerrekken Geïsoleerde buitenschil DX-Koeling AC-electriciteit 1 1 [ 0 C] [ 0 C] Figuur 1 Het proces flow digrm vn de huidige genertie dthotels De huidige genertie dthotels DE DATA VERWERKING Het betreft een dthotel voorzien vn twlf computerrekken, elk met een voelbre wrmtedissiptie vn 6,5 kilowtt (kw), totl,0 kw De rekken worden ngesloten op het 0 / 00 Volt wissel- en dristroomnet (Alternting Current, dt wil zeggen een AC-elektriciteit net) De specifieke koelbelsting in de ruimte bedrgt 1560 Wtt per vierknte meter netto vloeroppervlk DE BOUWKUNDIGE CONSTRUCTIE De computerrekken worden gepltst in een goed geïsoleerde serverruimte met een netto vloeroppervlk vn 50m² en een isoltiedikte vn de buitenschil vn tien centimeter Het mximle trnsmissie en infiltrtiever- 9

2 RCCTotlEnergy RCC Totl Energy Schoon & zuinig koelen en verwrmen Tbel 1 De fysische dt vn de huidige genertie dthotels De wrmtedissiptie in het dthotel 1 1 [stuks] computerrekken vn elk 6,5[kW] [kw] Ansluitspnning 0 00 [VAC] De bouwkundige constructie Netto vloeroppervlk 50[m NVO] W U - wrde buitenschil 0, m K 5 W Nominl trnsmissie en infiltrtieverlies 5 m NVO De werktuigbouwkundige instlltie 6 Luchtgekoelde DX - CCU met een voelbr koelvermog W m NVO voelbr koelvermogen vn m Een recircultieluchtdebiet vn 70 h m NVO 8 Een SPF,9 9 Gedimensioneerd op een mximle buitentempertuur op ertuur op dkniveu vn 0 [ C] Redundntie Tweeml De elektrotechnische instlltie 11 1 De meet en regelinstlltie 1 Het jrlijkse energiegebruik 1 15 DX - koeling VA Een E - nsluiting vn 0 m NVO Ansluitspnning 0-00 [VAC] Een constnt volumedebiet CV systeem Het betreft een ll continue bedrijfswijze vn 8760 electricl solution met een continue bedrijfswi h Het jrlijkse elektriciteitsverbruik bedrgt 1655 kwh(e) bedrgt 1655 m NVO lies onder nominle winterse ontwerpcondities bedrgt,6 kw, dit komt overeen met een specifieke verwrmingsbelsting vn 5 Wtt per vierknte meter netto vloeroppervlk dus slechts procent vn de interne voelbre koelbelsting DE WERKTUIGBOUWKUNDIGE INSTALLATIE De tot dusverre meest geëigende wijze vn klimtiseren vn dtcentr vormt de instlltie vn redundnte luchtgekoelde direct expnsie close controle units (DX-CCU), bestnde uit een binnenunit met recircultieventiltor, DX-verdmper en expnsieventiel en een buitenunit voorzien vn een buitenluchtventiltor, DX-condensor en koelmiddelcompressor Een en nder elektrisch ngesloten op het AC-net De computerrekken worden in het dtcenter gepositioneerd in een zogeheten wrmetunnelopstelling De gekoelde lucht wordt vi de verhoogde computervloer tussen de rekken toegevoerd en door de computers opgewrmd, wrn de opgewrmde lucht in de down flow DX-CCU wordt gekoeld en ls geconditioneerde lucht weer vi de verhoogde plenumvloer in de up-flow tunnel wordt toegevoerd De mximle luchttoevoer tempertuur bedrgt C en de mximle retourlucht tempertuur bedrgt C Het benodigde recircultie luchtdebiet is dn 000 gelijk n V 00 m per uur Met een opvoerhoogte vn de recircultieventiltor vn 500 Pscl en een overll ventiltor/motor-rendement vn 70 procent, bedrgt het opgenomen krchtvermogen vn de ventiltor ,6 kw 600 0,7 P fn De gemiddelde verdmpingstempertuur vn het koelmiddel in de verdmper zl zo rond de C liggen en de condensortempertuur bedrgt circ 5 C bij een buitenluchttempertuur vn 0 C Indien het een thermodynmisch goed geconstrueerde DX-CCU betreft, functioneert de compressor onder vollst condities met een Coëfficiënt Of Performnce (7 ) (COP) vn 0,60,9 (5 ) Het te instlleren compressorvermo- gen betreft dn 15,9 kw,9 Het benodigde buitenluchtdebiet voor de koeling vn de condensor wordt uitgelegd op een tempertuurverschil tussen de intredende en uittredende buitenlucht vn circ 6 C, ldus resulteert een benodigd condensorluchtdebiet vn ( ) V k m per uur Met een opvoerhoogte vn 50 Pscl en een ventiltor rendement vn 80 procent bedrgt het opgenomen krchtvermogen voor de buitenluchtventiltor P fn, kw 600 0,8 (7 ) De berekening vn de overll COP wrde vn de luchtgekoelde DX CCU instlltie levert dn op: COP,,6 15,9, Hoewel de koelbelsting een continu krkter vertoont, functioneert de luchtgekoelde koelinstlltie doorgns in deellst bedrijf De gemiddelde buitentempertuur in Nederlnd bedrgt C Onder deze buitenluchtcondities drit de compressor op deellst met een gemiddelde COP vn 0,60 11, ((5 0) ) Het gemiddeld opgenomen krchtvermogen bedrgt dn 6,9 kw De Sesonl 11, Performnce Fctor (SPF) vn de koelinstlltie voor een continue koelbelsting bedrgt dn, 9,6 6,9, De reguliere regeling vn een DX close controle instlltie betreft een constnt volumedebiet, dt wil zeggen de ruimtetempertuur wordt geregeld middels deel en vollst bedrijf vn de compressor en niet door middel vn een toerenregeling vn de binnenventiltor DE ELEKTROTECHNISCHE INSTAL- LATIE Aldus is een ll-electricl solution voor de energievoorziening ontworpen Met een cosinusphi vn 0,85 bedrgt het elektrische nsluitvermogen vn het,6 15,9,,0 dthotel 11 kilo- 0,85 VoltAmpere HET JAARLIJKSE ELEKTRICITEIT- VERBRUIK vn de huidige genertie dthotels bestt uit twee posten, nmelijk: 6880 kwh(e) groot 1950,9 gekoelde DX-CCU instlltie groot

3 RCCTotlEnergy RCC Totl Energy Schoon & zuinig koelen en verwrmen 50 Tbel 1 geeft smen met figuur 1 een en nder weer Een nieuwe genertie dthotels DE DATAVERWERKING Het betreft weer een dthotel met twlf computerrekken met elk weer een informtie vermogen vn 6,5 kw equivlent, totl dus weer,0 kw De rekken worden echter niet meer ngesloten op het wisselen dristroomnet, mr op bijvoorbeeld een 8 Volt gelijkspnningnet (=direct current: een lokl DC elektriciteit net) De conversie vn AC nr DC wordt niet meer ingebouwd in de computerrekken, mr verpltst nr buiten het dtcenter Elke computer werkt intern op gelijkspnning Het conversieverlies vn AC nr DC bedrgt circ procent De specifieke koelbelsting in de ruimte zkt drdoor vn 1560 nr 0 W/m² netto vloeroppervlk, totl dus 70 kw DE BOUWKUNDIGE CONSTRUCTIE De computerrekken worden niet meer gepltst in een goed geïsoleerde ruimte, mr bij wijze vn spreken in een slecht geisoleerde circustent met wel weer een netto vloeroppervlk vn 50m² De U-wrde vn de gebouwschil neemt toe vn 0, nr 5,5 W/m² per Kelvin tempertuurverschil binnen- buiten Het mximle trnsmissie en infiltrtieverlies onder nominle winterse ontwerpcondities neemt dn toe vn 5 nr 90 W/m² netto vloeroppervlk, dus procent vn de nieuwe interne 0 voelbre koelbelsting Zols figuur schemtisch weergeeft, wordt de circustent of het glzen dthotel voorzien vn een zomers strlingsscherm Op het te instlleren voelbre koelvermogen heeft de circustent weinig invloed, doch op de benodigde jrlijkse koelenergie wel De gemiddelde buitentempertuur bedrgt in Nederlnd circ C De jrlijks grtis koelenergie door trnsmissie en infiltrtieverlies bedrgt bij een gemiddelde binnentempertuur vn dn 7 W [ C] 7 m NVO dgen h m NVO dg kwh thermische koelenergie per jr Deze energiebespring wordt gereliseerd door de wrme lucht vn C die expliciet lngs het dk en de buitengevel wordt gevoerd en door de meet en regelinstlltie, die wordt omgebouwd vn een constnt volume systeem (CV systeem) nr een vribel volume systeem (VAV systeem) DE WERKTUIGBOUWKUNDIGE IN- STALLATIE De luchtgekoelde redundnte DX close controle units worden vervngen door PCM close controle units De Engelse fkorting PCM stt voor phse chnge mteril In het Nederlnds vertlt is dt fse overgngsmteril Smeltend ijs is een bijzonder goed voorbeeld vn een fse overgngsmteril Als ijs vn 0 C smelt in wter vn 0 C bedrgt de koelenergie kj per kilogrm ijs Ter vergelijking: 1 kilogrm koelwter met een tempertuurtrject vn 6 nr 1 C, een zeer gebruikelijk koeltrject in oudere koelinstllties, vertegenwoordigt mr een koelenergie vn kj 1[kg], (1 6)[K] 5 kj per kilogrm kg K of te wel slechts 8 procent vn de ggregtie overgng vn vst (=ijs) nr vloeibr (=ijswter) Kortom ggregtie overgngen worden gekenmerkt door thermodynmisch beschouwd twee fundmentele grootheden, nmelijk een vste tempertuur tijdens de fse overgng en bijzonder grote koel- en verwrmingsenergieën Het grote ndeel vn ijs ls PCM-mteril voor het klimtiseren vn dtruimten is dt de smelttempertuur vn 0 grden Celsius te lg is om middels directe vrije buitenluchtkoeling weer te regenereren Drom hnteert Autrkis een PCM-mteril met een smelttempertuur vn C voor dthotels Nu, zols figuur weergeeft, wordt in de close controle unit de DX-koelbtterij vervngen door een PCM-koelbtterij De PCM CCU mkt ook geen gebruik meer vn recircultielucht zols in DX CCU gebezigd wordt, mr vn volledige buitenlucht met wt recircultielucht voor de winter De luchttoevoertempertuur wordt geconditioneerd op C De ngezogen buitenlucht heeft zomers, overdg, een mximle tempertuur vn 8 C In tegenstelling tot de buitenunit met de DX condensor, die opgesteld stt op het dk vn het dthotel, vindt de buitenluchtnzuiging plts op miveldniveu De buiten tempertuur op miveldniveu is ltijd circ C koeler dn boven op het dk vn het dthotel De ngezogen buitenlucht wordt overdg voelbr gekoeld nr C, wrbij het PCM-mteril smelt De minimle zomerse nchtelijke tempertuur bedrgt 16 C en deze wordt door de PCM btterij opgewrmd nr ook weer C wrbij het PCM-mteril weer bevriest Door de continue bedrijfswijze vn het dthotel wordt het PCM-mteril utomtisch weer geregenereerd Net hetzelfde ls bij de DX-koeling, wrbij het koelmiddel in feite ook een PCMkringproces doorloopt vn verdmpen, compressie, condenseren en expnderen, doorloopt de PCM-koeling ook een cyclisch proces vn smelten en weer bevriezen Dus de DX-koeling bestt uit de ggregtie toestnden vloeibr en gs, terwijl de PCM-koeling uit de ggregtie toestnden vst en vloeibr is opgebouwd De PCM-instlltie bestt verder uit een luchttoevoer en fvoerventiltor met mengsectie De instlltie wordt geregeld ls een vribel volumedebiet Het tempertuurverschil tussen de luchtfvoer ( C) en de luchttoevoer ( C) wordt constnt gehouden op C Als extr trnsmissie en infiltrtieverlies optreedt, zl het toerentl vn de beide ventiltoren terug regelen Dit gedrg vindt men terug in de nvolgende energieberekeningen Onder wintercondities, ls de toevoerlucht dreigt te zkken onder de C, zl meer recircultielucht vn C gemengd worden bij de buitenlucht, middels het nsturen vn de mengsecties Als ltste resulteert nog de redundntie Deze wordt verzorgd door conventionell DX close controle units Mocht nu door wt voor reden dn ook de PCM-koeling flen, springt de DX-koeling bij Met recht kn hier gesproken worden vn een hybride combintie vn innovtieve PCM- en 11

4 RCCTotlEnergy RCC Totl Energy Schoon & zuinig koelen en verwrmen Tbel De fysische dt vn de nieuwe genertie dthotels De wrmtedissiptie in het dthotel 1 1 [stuks]dtrekken vn elk 5,85 [kw](informti [kw](informtie equivlent 6,5[kW]) 70 [kw] Ansluitspnning 16 of of 8 {VDC] De bouwkundige constructie Netto vloeroppervlk 50 [m NVO] W U - wrde schil 5,5 m K 5 Nominl trnsmissie en infiltrtieverlies W everlies 90 m NVO De werktuigbouwkundige instlltie 6 Luchtgekoelde PCM - CCU met een voelbr koelvermog W m NVO voelbr koelvermogen vn0 7 m Een recircultieluchtdebiet vn 0 h m NVO Een SPF,7 8 9 Gedimensio ertuur op miveldniveu vn 8[ C] Redundntie Eenml De elektrotechnische instlltie 11 1 De meet en regelinstlltie 1 Het jrlijkse energiegebruik 1 Het betreft een ll electricl neerd op een mximle buitentempertuur op DX - koeling en eenml PCM - koeling VA Een E - nsluiting vn190 m NVO Ansluitspnning 0-00 [VAC] Een vribel volumedebiet VAV systeem solution met een continue h een continue bedrijfswijze Het jrlijkse elektriciteitsverbruik bedrgt 70 kwh(e) bedrgt 70 m NVO conventionele DX-koeling 0 bedrgt V 0 kubieke meter per uur per vierknte meter netto vloer m oppervlk of te wel totl 00 h Het te instlleren luchttoevoer en fvoerventiltor vermogen, elk met een mximle opvoerhoogte vn 50 Pscl en een gemiddeld ventiltorrendement vn 0,7 0, ,75 bedrgt dn, ,75 kw DE ELEKTROTECHNISCHE INSTAL- LATIE Aldus is weer een ll-electricl solution voor de energievoorziening ontworpen De conversie vn AC nr DC is buiten de serverruimte gelegd Dt heeft weliswr geleid tot een verlging vn de wrmte dissiptie in het dthotel, mr de cosinusphi vn 0,85 blijft gehndhfd en het elektrisch nsluitvermogen vn,9,0 het dthotel bedrgt dn 96 0,85 kilovoltampere DE JAARLIJKSE ENERGIEBESPARING De jrlijkse energiebespring wordt ls volgt berekend; dgen h 70[kW] kwh dg per jr Zols reeds berekend bedrgt het extr trnsmissie en infiltrtieverlies 1 1 [ 0 C] 5 [ 0 C] e=[ 0 C] kwh per jr Door de mtregelen DC-elektriciteit en het slechter isoleren vn de gebouwschil reduceert de jrlijkse koelenergie vn kwh(t) 6880 nr kwu per jr en de slechte isoltie vn de gebouwschil drien de ventiltoren doorgns in deellst en wel op 0 8 procent 60 Het jrlijkse elektrgebruik bedrgt dn d h 0,8,9[kW] d kwu per jr 6880 SPF,7 050 Smengevt geeft Tbel smen met figuur een en nder weer De jrlijkse bespring n elektriciteitkosten, met een elektriciteitprijs vn 0,5 euro per kwh bedrgt ( ) 0, euro per jr De minder investeringen in isoltiemteril, een kleinere elektrische nsluitkbel en de meer investeringen voor de omschkeling vn DX- nr PCM-koeling bedrgen 8900 euro De eenvoudige terugverdientijd exclusief subsidies wordt dn berekend op 8900 jr 9800 Algemene conclusies Op grond vn de tbellen 1 en kn worden geconcludeerd dt: 8 16[ 0 C] 8[ 0 C] uur 1 Computerrekken Niet geïsoleerde buitenschil DX-Koeling pcm-koeling 5 AC-electriciteit Figuur Het proces flow digrm vn een nieuwe genertie dthotels 1

5 RCCTotlEnergy RCC Totl Energy Schoon & zuinig koelen en verwrmen Figuur Het proces flow digrm vn een nieuwe genertie utrkische dthotels [ 0 C] 1 [ 0 C] 1 Computerrekken Afzuigventiltor pcm-koeling DC stroom e[ 0 C] t[h] Tbel De fysische dt vn de nieuwe genertie utrkische dthotels De wrmtedissiptie in de zeecontiner 1 1[stuk] dtrek vn 5,6 [kw] De bouwkundige constructie 5 Ansluitspnning 16 of of 8[VDC] UPS en btterijen in de computers Netto vloeroppervlk [m NVO] W U - wrde schil 5,5 m K 6 Nominl trnsmissie en infiltrtieverlies W everlies 90 m NVO De werktuigbouwkundige instlltie 7 Luchtgekoelde PCM - CCU met een voelbr koelvermog kw voelbr koelvermogen vn1, m NVO totl 5,6 [kw] dthotel met 0 [%] wordt 0 verkleind - vnwege de degrdtie, dt wil zeggen de dissiptie vn krcht nr wrmte) voor het klimtiseren vn het dthotel met,7,9 85[%] reduceert, met 15[%] reduceert 870 qu duurzmheid en bedrijfeconomisch beschouwd zeer interessnte instlltie concepten AUTARKIS BV beschikt over de kennis en kunde in de vorm vn ptenten om dergelijke dtcentr te reliseren De nieuwe genertie utrkische dthotels Het grote probleem vn de nieuwe genertie dthotels, ondnks het feit dt het elektriciteitgebruik voor koeling extreem wordt gereduceerd, vormt nog steeds een lokle utrkische energievoorziening tie door (lokle) Urbn Wind Turbines (PV-cellen) Het uitgngspunt voor de utrkische energievoorziening vormen de twlf computerrekken, wrvoor benodigd 50 m² netto vloeroppervlk Dus 50 circ 1 m² NVO per computer rek Ieder computer rek wordt smen met een uninterrupted power supply (UPS) in een niet geïsoleerde zeecontiner gepltst (het dk vn de zeecontiner en de zuidgevel worden wel geisoleerd) Deze zeecontiner wordt nu uitsluitend vn DC-stroom voorzien, zodt de lokle cosinusphi toeneemt vn 0,85 nr 1,00 In deze niet-geïsoleerde zeecontiner wordt ntuurlijk ook weer PCMkoeling geïnstlleerd en lokl, voor de Nederlndse situtie, ngesloten op een hybride combintie vn 0 procent PV vermogen en 60 procent UWT vermogen gelijkstroom genertoren De DC- nr de AC-conversie vn de lokle PV- en UWT-stroomproductie vervlt overeenkomstig, wrdoor deze lokle elektriciteit productie circ procent kleiner wordt gedimensioneerd Tbel en figuur verstrekken de fysische dt voor een zeecontiner met een computer rek MEER INFORMATIE Autrkis bv Annie MG Schmidtweg 7B 11 NA Almere I: wwwutrkisnl 8 Een recircultieluchtdebiet vn 0 m m vn 0 totl1680 h m NVO h 9 Redundntie 11 Wellicht tweeml PCM koeling De elektrotechnische instlltie 1 Het betreft weer een ll electricl solution kva 1 Een E - nsluiting vn1,6 totl m NVO 1 Ansluitspnning 16 of of 8[VDC] De meet en regelinstlltie 15 Een vribel volumedebiet VAV systeem Het jrlijkse energiegebruik 16 Het betreft een ll electricl solution met 17 Een SPF,7 Gedimensioneerd op een mximle buitentemp mximle buitentempertuur op miveldniveu vn 8[ C] De jrlijkse lokle totl , [kva] een continue h een continue bedrijfswijze 8760 elektriciteitsproductie bedrgt kwh(e) tie bedrgt70 kwh(e) m NVO 18 Hierin wordt voorzien door 0% PV Vermogen zonder invertor Het benodigde PV oppervlk bedrgt circ [m ] 19 Verder wordt hierin voorzien door 60 procent UWT vermogen dus ook weer zonder invertor Het benodigde UWT vermogen bedrgt dn 5,6[kW] Het betreft dn een stnd lone, off the grid zeecontiner met een computerrek 1