{"id":4535,"date":"2019-01-23T09:32:00","date_gmt":"2019-01-23T09:32:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dc-pro.com\/?p=4535"},"modified":"2026-05-01T22:14:16","modified_gmt":"2026-05-01T20:14:16","slug":"wise-efficient-use-of-thermal-energy-storage-tanks-in-data-centers","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.azuraconsultancy.com\/de\/wise-efficient-use-of-thermal-energy-storage-tanks-in-data-centers\/","title":{"rendered":"Sinnvolle und effiziente Nutzung von thermischen Energiespeichern in Rechenzentren"},"content":{"rendered":"
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Abstrakt<\/b>: Kontinuierliche K\u00fchlung ist eine obligatorische Anforderung des UPTIME Institute (UTI) f\u00fcr die Zertifizierung aller Tier-IV-Rechenzentren. W\u00e4rmespeichertanks (TES) sind eine weit verbreitete technische L\u00f6sung, um einen angemessenen Puffer f\u00fcr diesen Zweck bereitzustellen und die UTI-Anforderungen zu erf\u00fcllen (TES-Tanks werden auch von der UTI empfohlen und entwickeln sich zur Standardindustriepraxis f\u00fcr alle Tier-III-Rechenzentren mit hochdichten IT-Racks. Die Eigent\u00fcmer und Betreiber von Rechenzentren k\u00f6nnen jedoch nicht nur von der kontinuierlichen K\u00fchlung profitieren, sondern auch ihre j\u00e4hrlichen Betriebskosten mit TES-Tanks senken.<\/p>\n

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Thermische Energiespeichertanks und ihre Anwendung in Rechenzentren:\n<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Kontinuierliche K\u00fchlung ist eine obligatorische Anforderung von <\/span>UPTIME-Institut (UTI)<\/strong> f\u00fcr alle Tier-IV-Rechenzentren. Thermische Energiespeicher (TES) sind in den meisten F\u00e4llen die beste M\u00f6glichkeit, diese Anforderung zu erf\u00fcllen (au\u00dfer bei Konstruktionen mit DX-Einheiten, z. B. CRAC in Datenhallen). Daher m\u00fcssen redundante TES-Tanks mit gleichzeitig wartbarer und fehlertoleranter Konfiguration f\u00fcr Rohrleitungen und Steuerung vorgesehen werden. Dar\u00fcber hinaus wird die Bereitstellung von TES-Tanks in Tier-III-Rechenzentren von UTI f\u00fcr IT-Racks mit hoher Dichte (mehr als 5 kW\/Rack) dringend empfohlen und wird von vielen Rechenzentrumsbesitzern und -betreibern zur Erh\u00f6hung der Ausfallsicherheit immer h\u00e4ufiger angenommen.<\/span><\/p>

Bei herk\u00f6mmlichen Konstruktionen ist in der Regel ein gro\u00dfer, geschlossener Puffertank aus Stahl mit ausreichender Kapazit\u00e4t vorgesehen, um die IT-Ger\u00e4te bei einem Stromausfall ununterbrochen zu k\u00fchlen, bis die Generatoren (bei Netzstrom als Hauptstromquelle) in Betrieb genommen werden und die K\u00e4ltemaschine wieder ihre volle K\u00fchlleistung erbringt.<\/p>

Diese Tanks sind in der Regel sperrig, nehmen Platz\/Land ein und haben hohe Herstellungskosten, werden aber w\u00e4hrend des gesamten Lebenszyklus eines Rechenzentrums nur wenige Male verwendet. Ein intelligenterer Weg w\u00e4re jedoch, das Design leicht zu \u00e4ndern und sie h\u00e4ufiger (z. B. t\u00e4glich) statt nur gelegentlich zu verwenden, um die Energieeffizienz und die Energieeinsparung in Rechenzentren zu verbessern, was wiederum zu niedrigeren Betriebskosten f\u00fchrt.<\/p>

Nat\u00fcrlich kann die unten vorgeschlagene Anwendung in bestimmten F\u00e4llen nicht anwendbar sein, und dies muss von Fall zu Fall f\u00fcr jedes Projekt unter Ber\u00fccksichtigung der klimatischen Bedingungen, der Tag\/Nacht-Temperaturschwankungen, der K\u00fchllastprofile, des Vorhandenseins anderer freier K\u00fchlung und k\u00fchlerloser Systeme in der Konstruktion usw. untersucht werden. Entgegen der landl\u00e4ufigen Meinung sind die K\u00fchllastprofile von Rechenzentren nicht notwendigerweise immer flach (100% Volllast), und die tats\u00e4chlichen Betriebsdaten zeigen Schwankungen (mit H\u00f6hen und Tiefen) im K\u00fchlprofil, je nach Anwendung und Art der IT-Lasten; au\u00dferdem ist, selbst wenn die K\u00fchllast in einigen Anwendungen 100% Volllast anzeigt, das Temperaturprofil des Wetters NICHT flach und wir sehen Temperaturschwankungen w\u00e4hrend der Tage und N\u00e4chte am Standort; dies gibt dem Planer die M\u00f6glichkeit, die thermische Energiespeicherung kl\u00fcger zu nutzen und alle ihre Vorteile voll auszusch\u00f6pfen.<\/p>

Geschichtete thermische Energiespeicher sind eine ausgezeichnete und wirtschaftliche (im Vergleich zu Batterien) M\u00f6glichkeit, Energie in Form von gek\u00fchltem Wasser zu speichern; durch die Nutzung dieser Schwankungen in den K\u00fchllastprofilen und der Trocken-\/Nasskugeltemperatur der Umgebung k\u00f6nnen wir den TES-Tank in den Stunden aufladen, in denen dies m\u00f6glich ist:<\/p>

  • das K\u00fchlsystem kann effizienter arbeiten (weniger kW\/TR)<\/li>
  • die K\u00fchlleistung der K\u00e4ltemaschine wird erh\u00f6ht (niedrige Trocken-\/Nasskugeltemperatur)<\/li>
  • der K\u00fchllastbedarf ist gering (K\u00e4ltemaschinen arbeiten im Teillastbetrieb)<\/li><\/ul>

    und entladen, wenn:<\/p>

    • das K\u00fchlsystem ist weniger effizient (hohe kW\/TR)<\/li>
    • Die K\u00fchlleistung der K\u00e4ltemaschine ist geringer (hohe Trocken-\/Nasskugeltemperatur).<\/li>
    • der K\u00fchllastbedarf ist auf dem H\u00f6hepunkt (eine oder mehrere K\u00e4ltemaschinen k\u00f6nnen vollst\u00e4ndig abgeschaltet werden und trotzdem die Spitzenlast decken)<\/li><\/ul>

      Diese Entlade-\/Lademodi k\u00f6nnen mit Hilfe von SCADA\/PLC vollst\u00e4ndig automatisiert werden, um optimale und effiziente Betriebsbedingungen zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>

      Etwaige zus\u00e4tzliche Kapitalkosten, die durch die erh\u00f6hte TES-Kapazit\u00e4t und das Automatisierungssystem entstehen, k\u00f6nnen f\u00fcr jedes Projekt mit Hilfe von Finanzmodellen untersucht werden, um die Durchf\u00fchrbarkeit und Rentabilit\u00e4t der Investition nachzuweisen, die durch die j\u00e4hrlichen Stromverbrauchseinsparungen ausgeglichen werden k\u00f6nnen.<\/p>

      Die Anforderung der Stufe UTI f\u00fcr die kontinuierliche K\u00fchlung kann weiterhin mit demselben Tank erf\u00fcllt werden, um sicherzustellen, dass die Tanks NIEMALS unter die Mindestschwellenkapazit\u00e4t entleert werden (durch \u00dcberwachung des Thermokline-Pegels im Tank), die die Mindestkapazit\u00e4t darstellt, die f\u00fcr eine \"kontinuierliche K\u00fchlung\" immer im Tank verbleiben muss.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t

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      Designhinweise und Vorteile:\n\n<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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      • Der TES-Tank ist f\u00fcr eine 4-st\u00fcndige Speicherung der vollen K\u00fchlkapazit\u00e4t ausgelegt, im Vergleich zu den 10 bis 15 Minuten, die in der g\u00e4ngigen Praxis \u00fcblich sind, d.h. wenn ein Rechenzentrum mit einer IT-Last von 4.000 kw typischerweise 5.200 bis 5.600 KW (1,3 bis 1,4 x IT-Last) an K\u00fchlkapazit\u00e4t ben\u00f6tigt, sollte die thermische Speicherkapazit\u00e4t 4 Stunden x 5.600 kw = 22.400 kwh oder 6.370 Tonnen-Stunden betragen.<\/li>
      • Derzeit wird die kontinuierliche K\u00fchlung \u00fcber spezielle, mit der USV verbundene Kaltwasserpumpen mit geringer Leistung gew\u00e4hrleistet.<\/li>
      • Im Vergleich zu Pufferspeichern bieten sie eine stabilere Kaltwasservorlauftemperatur f\u00fcr etwa 80% bis 90% des Speichervolumens.<\/li>
      • Sollte \u00fcberdimensioniert sein und in der t\u00e4glichen Betriebsroutine verwendet werden, um Kaltwasser in der Nacht zu erzeugen und den Betrieb von Teillastk\u00e4ltemaschinen zu vermeiden.<\/li>
      • Vorzugsweise offen zur Atmosph\u00e4re und mindestens 2 m h\u00f6her als die h\u00f6chste CRAH-, FCU- oder AHU-Schlange.<\/li>
      • Sie k\u00f6nnen im Keller untergebracht werden, erfordern aber komplexe St\u00fctzventile und eine spezielle Pumpen- und Steuerungsanlage.<\/li>
      • Kann unter Druck gesetzt werden, erfordert jedoch dickeren Stahl und eine kritische Konstruktion des Diffusors. Die Erfahrung ist unzureichend und die Verwendung ist extrem selten.<\/li>
      • Die Kalt- und Warmluftdurchl\u00e4sse ben\u00f6tigen jeweils 450 mm H\u00f6he, und die Sprungschicht ist in der Regel 600 mm hoch, so dass etwa 1,5 m der H\u00f6he des Wassers\u00e4ule ungenutzt bleiben.<\/li>
      • Die W\u00e4rmeverluste betragen etwa 1% pro Tag und erfordern eine Isolierung der W\u00e4nde, des Bodens und des Daches von mindestens 100 mm Dicke.<\/li>
      • Zus\u00e4tzlicher Wasserspeicher kann als Brandschutztank verwendet werden (abh\u00e4ngig von den \u00f6rtlichen Vorschriften und Bestimmungen)<\/li>
      • Der atmosph\u00e4rische Tank dient als Ausdehnungsgef\u00e4\u00df und Druckausgleichssystem.<\/li><\/ul>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t
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        Phase-Change-Material (PCM) TES-Tanks:\n\n\n<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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        Wie Wasser haben auch Phasenwechselmaterialien eine hohe latente Schmelzw\u00e4rme, allerdings bei verschiedenen Gefrierpunkten (-40 \u00b0C bis +46 \u00b0C). PCMs mit Gefrierpunkten im Bereich von 9 \u00b0C bis 20 \u00b0C haben ein gutes Potenzial f\u00fcr Anwendungen in Rechenzentren, vor allem aufgrund ihrer gro\u00dfen Energiespeicherkapazit\u00e4t bei geringerem Volumen.<\/span><\/div>

        Das Volumen eines PCM-TES-Tanks kann im Vergleich zu einem Wasser-TES-Tank um das 3 bis 4fache reduziert werden, was zu einer wesentlich geringeren Stellfl\u00e4che f\u00fchrt. Zur weiteren Best\u00e4tigung und Einf\u00fchrung in gr\u00f6\u00dferem Ma\u00dfstab sind jedoch umfangreichere Studien und tats\u00e4chliche Feldergebnisse und Tests erforderlich.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t

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        Schlussfolgerung\n\n<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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        Konstrukteure, Eigent\u00fcmer und Betreiber haben die M\u00f6glichkeit, die Versorgungseffizienz und den PUE-Wert ihrer Rechenzentren durch t\u00e4gliches Laden und Entladen der thermischen Energiespeicher weiter zu verbessern, doch ist vor der Einf\u00fchrung einer solchen L\u00f6sung eine sorgf\u00e4ltige Pr\u00fcfung und Studie in der Phase der Projektdurchf\u00fchrbarkeit und des konzeptionellen Designs erforderlich. Zuk\u00fcnftige Fortschritte in der Automatisierung, insbesondere beim maschinellen Lernen, werden sich definitiv auf die Optimierung eines solchen Systems auswirken, indem sie die Lastprofile und -trends sowie das beste Szenario f\u00fcr die Lade-\/Entladezyklen im Hinblick auf interne und externe Faktoren vorhersagen.<\/span><\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

        Abstract: Continuous cooling is a mandatory requirement by UPTIME Institute (UTI) for the certification of all Tier-IV datacenters. 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