Wie tragen EC-Lüfter in Serverräumen zur PUE-Reduzierung bei?

PUE und die versteckten Kosten der Serverkühlung

Power Usage Effectiveness (PUE) ist das Verhältnis der gesamten Anlagenenergie zur Energieverbrauch der IT-Ausrüstung. Ein idealer PUE beträgt 1,0, was bedeutet, dass jeder Watt für die Datenverarbeitung genutzt wird. In der Realität liegen die meisten Serverräume zwischen 1,6 und 2,0. Wohin verschwindet die zusätzliche Energie? In Lüftern und Kühlsystemen. Etwa 30 % bis 40 % des gesamten Stromverbrauchs in einem typischen Rechenzentrum entfallen auf Luftbewegung und Wärmeabfuhr. Ich habe Hunderte von Serverräumen besichtigt, und eines war stets offensichtlich: veraltete AC-Lüfterkonvektoren und Drehzahl-gesteuerte Gebläse verschwenden enorme Mengen elektrischer Energie. Ein Facility-Manager zeigte mir einmal die monatliche Stromrechnung. Allein die Kühlungslüfter kosteten an heißen Tagen mehr als die Server selbst. Das ist die versteckte Kostenposition, die Sie in keiner technischen Spezifikation finden. Die Reduzierung des PUE beginnt mit der Senkung des Lüfterenergieverbrauchs.

EC-Lüfter senken den Lüfterenergieverbrauch im Vergleich zu AC-Lüftern um die Hälfte

Der größte Verursacher von Energieverschwendung bei Lüftern ist der Wechselstrom-Asynchronmotor. Er läuft mit fester Drehzahl, es sei denn, man installiert einen Frequenzumrichter – dieser verursacht jedoch selbst Verluste. Ein EC-Motor (elektronisch kommutierter Motor) verwendet Permanentmagnete und enthält eine integrierte Steuerung. Es treten keine Kupferverluste im Rotor auf. Laut einer Studie des Lawrence Berkeley National Laboratory reduziert der Austausch eines Schattenspulenmotors oder eines PSC-Motors durch einen EC-Motor in einer Lüfteranwendung den Energieverbrauch um 40 % bis 60 % bei gleichem Luftdurchsatz. Hier ein Beispiel aus der Praxis: Ein kleiner Colocation-Serverraum mit zwanzig Kühleinheiten verwendete ursprünglich Radiallüfter mit Wechselstrommotoren. Jeder Lüfter nahm 80 Watt auf. Nach dem Austausch gegen EC-Lüfter war für denselben Luftdurchsatz nur noch eine Leistung von 38 Watt pro Lüfter erforderlich. Die gesamte Lüfterleistung sank von 1600 Watt auf 760 Watt. Die Amortisationszeit betrug weniger als ein Jahr. Dies ist keine Laborangabe, sondern eine reale Reduzierung der Stromrechnung.

Drehzahlregelung zur Echtzeit-Anpassung an die Serverlast

Server laufen nicht rund um die Uhr mit voller Last. Ihre Wärmeabgabe variiert je nach Tageszeit, Nutzeranforderung und auszuführenden Verarbeitungsaufgaben. Ein Lüfter mit konstanter Drehzahl läuft auch dann mit 100 % Leistung, wenn die Server im Leerlauf sind, wodurch der Raum überkühlt und Energie verschwendet wird. EC-Lüfter verfügen standardmäßig über eine 0–10-Volt- oder PWM-Drehzahlsteuerung. Sie können die Lüfterdrehzahl direkt an einen Temperatursensor oder an das IT-Leistungssignal koppeln. Ich habe mit einem Hosting-Anbieter zusammengearbeitet, der Klimageräte für Rechenzentren mit EC-Lüftern installiert hat. Der Steuerungsalgorithmus wurde so eingestellt, dass der heiße Gang stets genau 26,7 °C (80 °F) aufweist. Als die Serverauslastung nachts sank, reduzierten die EC-Lüfter ihre Drehzahl auf 35 %. Das Ergebnis? Der PUE sank innerhalb von sechs Monaten von 1,8 auf 1,45. Das Kühlsystem arbeitete nicht mehr gegen sich selbst. Der Betriebsleiter informierte mich darüber, dass auch die Kältemaschine seltener eingesetzt werden musste, da die EC-Lüfter lediglich die erforderliche Luftmenge lieferten.

Bessere Teillasteffizienz dort, wo Server überwiegend eingesetzt werden

Die meisten Rechenzentrumsbetreiber dimensionieren für die Spitzenlast, doch Server laufen im Durchschnitt nur mit 40 % bis 60 % ihrer Kapazität. Unter diesen Teillastbedingungen werden Wechselstrom-Lüfter sehr ineffizient. Wird ein Drehzahlregler (VFD) an einem Wechselstrommotor eingesetzt, verbraucht dieser selbst 3 % bis 8 % der Nennleistung als Wärme. Bei niedrigen Drehzahlen bricht die Motorwirkungsgrad stark ein. EC-Motoren weisen dieses Problem nicht auf: Sie halten über 80 % Wirkungsgrad im gesamten Drehzahlbereich von 20 % bis 100 % auf. Das Ähnlichkeitsgesetz besagt, dass die Lüfterleistung mit der dritten Potenz der Drehzahl variiert. Eine Drehzahlreduzierung um 20 % führt daher zu einer Leistungsreduzierung von rund 50 %. Vorausgesetzt, der Motor behält seinen Wirkungsgrad bei – was Wechselstrommotoren nicht leisten können. EC-Motoren hingegen schon. Ein Whitepaper des ASHRAE-Technischen Ausschusses 9.9 zur Kühlung von Rechenzentren bestätigt, dass EC-Lüfterarrays die beste Teillastleistung für Systeme mit variabler Luftmenge bieten. Für Serverräume, die die meiste Zeit im mittleren Lastbereich betrieben werden, sind EC-Lüfter die einzige logische Wahl.

Intelligente Integration mit Hot-Aisle-/Cold-Aisle-Containment

Selbst der beste Lüfter verliert an Wert, wenn die Luftströmung nicht richtig gelenkt wird. Moderne Serverräume nutzen die Hot-Aisle- und Cold-Aisle-Containment-Methode. Doch der statische Druck ändert sich, wenn sich Filter zusetzen oder Server hinzugefügt bzw. entfernt werden. EC-Lüfter verfügen über integrierte Intelligenz: Sie können den statischen Druck erfassen und ihre Drehzahl automatisch anpassen, um den Sollwert zu halten. Ich habe dies in einem Finanz-Datenzentrum in Chicago live erlebt: Dort waren zwanzig Kühlgeräte in einer Reihe installiert, jeweils mit vier EC-Lüftern in einer Lüfterwand-Anordnung. Das Gebäude-Managementsystem sendete ein Drucksignal an jeden Lüfter. Sobald sich ein Hotspot in der Nähe eines hochdichten Serverracks bildete, erhöhten die nächstgelegenen EC-Lüfter einzeln ihre Drehzahl – statt alle Lüfter gleichzeitig zu beschleunigen. Der jährliche Kühlenergieverbrauch sank um 35 %, und die PUE-Werte verbesserten sich von 1,65 auf 1,32. Der Best-Practice-Leitfaden zur Luftführung des Green Grid empfiehlt genau diese Art einer zonengesteuerten, bedarfsgesteuerten Regelung. EC-Lüfter machen dies praktikabel, da jeder Lüfter über seine eigene Steuerung verfügt.

Langfristige ROI- und Nachhaltigkeitsberichterstattung

Die anfänglichen Kosten sind die übliche Einwendung. Ein EC-Lüfter ist teurer als ein AC-Lüfter gleicher Größe. Doch die Gesamtbetriebskosten erzählen eine andere Geschichte. EC-Lüfter weisen weniger mechanische Ausfälle auf, da sie kühler laufen und weder einen Anlaufkondensator noch einen Fliehkraftschalter besitzen, der ausfallen könnte. Ihre abgedichteten Lager halten 50.000 Stunden oder länger. Betrachten wir nun die Energieeinsparungen: Für einen Serverraum mit 500 Racks und 25 Kühleinheiten, bei denen jede Einheit im Durchschnitt 400 Watt Lüfterleistung verbraucht, ergibt der Wechsel von AC zu EC jährlich etwa 200.000 Kilowattstunden Einsparung. Bei einem durchschnittlichen gewerblichen Strompreis von 12 Cent pro kWh entspricht dies einer jährlichen Ersparnis von 24.000 US-Dollar. Zudem verringert sich der CO2-Ausstoß um rund 140 Tonnen CO2 pro Jahr – ein Wert, den Sie direkt in Ihren Nachhaltigkeitsbericht übernehmen können. Für Betreiber, die eine garantierte Leistung und eine langfristige Partnerschaft benötigen, bieten erfahrene Lieferanten wie Fanova EC-Lüfter-Lösungen mit nachgewiesenen Windkanalprüfberichten, präzisem Matching-Service und einer dreijährigen Vollgarantie. Fanova fertigt EC-Motoren seit 2003 und unterstützt Kunden in 80 Ländern. Wenn die Reduzierung des PUE ein echtes Geschäftsziel und nicht nur ein Slogan ist, stellt Fanova die technische Kompetenz und Lieferzuverlässigkeit bereit, um dieses Ziel zu erreichen.