Präzisionsdruckmessgerät für Kühlwasserkreisläufe｜Druckverlustmessung zur Verbesserung der PUE von Rechenzentren

Präzisionsdruckmessgerät für Kühlwasserkreisläufe

Wasserkühlsysteme in Rechenzentren sind ein wichtiger Bestandteil der Infrastruktur für den stabilen Betrieb der Geräte: Sie führen die Wärme, die zahlreiche Server und Netzwerkkomponenten erzeugen, über Kühlwasserkreisläufe ab. Ein Kühlwasserkreislauf besteht unter anderem aus Wärmetauschern, Rohrleitungen und Pumpen, die das Kühlmittel umwälzen. Die Auslegung der Strömungskanäle muss dabei auf die Größe des Rechenzentrums und die Anordnung der Geräte abgestimmt sein.

Das Differenzdruckmodell des MT300 eignet sich als Differenzdruckmessgerät auch für Flüssigkeiten. Damit lassen sich die an den einzelnen Stellen eines solchen Kühlwasserkreislaufs auftretenden Druckverluste mit nur einem Gerät hochgenau messen. Es bildet die messtechnische Grundlage für die Erfassung kleinster Druckänderungen im Kühlwasser – etwa bei der Bewertung von Strömungskanälen in der Entwicklungs- und Auslegungsphase von Kühlsystemen oder bei der Überprüfung der Kühleffizienz im laufenden Betrieb.

Herausforderungen bei Auslegung und Bewertung von Kühlwasserkreisläufen

Mit der zunehmenden Nutzung von Cloud-Diensten und KI steigen Rechenleistung und Wärmeentwicklung der Server. Der Stromverbrauch von Rechenzentren steht daher weltweit stark im Fokus. Auch der Anteil der Stromkosten für die Kühlung an den gesamten Betriebskosten ist nicht zu vernachlässigen. Die Effizienzsteigerung von Kühlsystemen – etwa durch den Einsatz von Wasserkühlsystemen oder die Verbesserung der PUE als Kennzahl für die Betriebseffizienz – ist zu einer Herausforderung für die gesamte Branche geworden.

Steigender Kühlenergiebedarf und Betriebseffizienz

Mit der zunehmenden Wärmeentwicklung der Server ist der Stromverbrauch für die Kühlung zu einem wesentlichen Kostenfaktor im Rechenzentrumsbetrieb geworden. Um die Energieeffizienz der gesamten Anlage zu verbessern, ist eine Auslegung dringend gefragt, die den Stromverbrauch des Kühlsystems – etwa die Antriebsleistung der Pumpen, die das Kühlwasser umwälzen – senkt.

Schwierigkeiten bei der Bewertung von Flüssigkeitskühlkreisläufen

Für die Effizienzsteigerung von Kühlwasserkreisläufen ist die genaue Kenntnis der im Kreislauf auftretenden Druckverluste unerlässlich. Viele gängige Hochpräzisions-Druckmessgeräte sind jedoch nur für Gase ausgelegt, und im Niederdruckbereich von Flüssigkeiten ist die Genauigkeit teilweise nicht garantiert. Daher gibt es nur wenige Messmittel, mit denen sich Kühlkreisläufe detailliert bewerten lassen.

Erforderliche Messgenauigkeit für eine energieeffiziente Auslegung

Bei der Effizienzverbesserung von Kühlwasserkreisläufen müssen die geringen Druckänderungen verglichen werden, die bei veränderten Rohrdurchmessern oder Durchflussbedingungen auftreten, um die Qualität einer Auslegung zu beurteilen. Je weiter die Effizienzsteigerung fortschreitet, desto kleiner werden die Absolutwerte der zu erfassenden Druckverluste – und umso wichtiger wird eine Messung mit einer Auflösung und Genauigkeit, die für Auslegungsentscheidungen belastbar sind.

Lösung mit dem Präzisionsdruckmessgerät MT300

Direkte Differenzdruckmessung mit nur einem Gerät

Das Differenzdruckmodell des MT300 misst den Differenzdruck (ΔP) direkt mit einem einzigen integrierten Sensor. Beim gängigen Verfahren, bei dem zwei Druckmessgeräte jeweils einen Druck messen und daraus die Differenz berechnet wird, addieren sich die Messunsicherheiten der einzelnen Sensoren (z. B. 0,01 % × 2 = 0,02 %), sodass die Genauigkeit der Differenzdruckmessung tendenziell sinkt. Bei der Messung mit einem einzigen Sensor tritt keine Fehlerakkumulation auf, und das an den Kühlwasserkreislauf angeschlossene Messsystem lässt sich einfach aufbauen. Das trägt zudem zu einer Platzersparnis und einer effizienteren Datenerfassung bei.

Ausgelegt für Flüssigkeiten und Gase

Das Differenzdruckmodell des MT300 eignet sich für Gase und Flüssigkeiten als Messmedium (nicht brennbare, nicht explosive, nicht toxische und nicht korrosive Medien). Es stehen vier Messbereiche zur Auswahl: 1 kPa, 10 kPa, 130 kPa und 700 kPa. So lassen sich je nach Größe des Kühlwasserkreislaufs und erwarteter Höhe der Druckverluste der passende Messbereich und die passende Auflösung kombinieren. Während Hochpräzisions-Druckmessgeräte häufig auf Gasmessungen beschränkt sind, ist das Differenzdruckmodell des MT300 auch für Flüssigkeitsanwendungen spezifiziert.

Eigenentwickelter Silizium-Resonanzsensor von Yokogawa

Im MT300 ist ein von Yokogawa eigenentwickelter Silizium-Resonanzsensor verbaut. Dabei wird ein auf einem Silizium-Wafer ausgebildeter Resonator mit Druck beaufschlagt, und der Druck wird anhand der Änderung der Resonanzfrequenz erfasst. Durch das Differenzverfahren, bei dem der Druck aus der Differenz der Eigenfrequenzen zweier Resonatoren bestimmt wird, werden äußere Einflüsse wie die Umgebungstemperatur kompensiert. So werden eine geringe Temperaturabhängigkeit und eine hohe Auflösung zugleich erreicht. Der Sensor wird zudem als Transfernormal für internationale Vergleichsmessungen von Drucknormalen eingesetzt, was seine Langzeitstabilität belegt.

Hochpräzise Erfassung kleinster Druckverluste

Das Differenzdruckmodell mit dem kleinsten Messbereich von 1 kPa ist mit einer Anzeigeauflösung von 0,00001 kPa und einer relativen Genauigkeit von ±(0,01 % vom Messwert + 0,00025 kPa) sehr fein spezifiziert. Auch wenn die Druckverluste mit zunehmender Effizienz des Kühlkreislaufs kleiner werden, stehen weiterhin eine Auflösung und Genauigkeit zur Verfügung, mit denen sich die Qualität einer Auslegung beurteilen lässt. Damit kann es eine verlässliche Datenbasis für die Bewertung der Auslegung von Kühlwassersystemen liefern.

Erwartete Vorteile durch den Einsatz des MT300

Durch den Einsatz des Differenzdruckmodells des MT300 lassen sich in Kühlwassersystemen von Rechenzentren folgende Vorteile erwarten.

Beitrag zur Senkung des Kühlenergiebedarfs

Da sich die im Kühlwasserkreislauf auftretenden Druckverluste hochpräzise erfassen lassen, können Stellen mit hohem Strömungswiderstand identifiziert und effizientere Kreislaufauslegungen überprüft werden. Dies ermöglicht eine Optimierung mit dem Ziel, die Antriebsleistung der Kühlmittelpumpen zu reduzieren, und kann dazu beitragen, den Kühlenergiebedarf des gesamten Rechenzentrums zu senken.

Steigerung der Betriebseffizienz

Der Stromverbrauch des Kühlsystems ist einer der Faktoren, die die Betriebseffizienz eines Rechenzentrums bestimmen. Wird die Effizienz des Kühlwasserkreislaufs bereits in der Auslegungsphase hochpräzise bewertet, dürften sich Maßnahmen für einen energieeffizienten Betrieb – etwa die Verbesserung der PUE oder die Senkung der Betriebskosten – messtechnisch unterstützen lassen.

Effizientere Bewertung in der Auslegungsphase

Da der Differenzdruck mit nur einem Gerät direkt gemessen werden kann, lässt sich das Messsystem zur Bewertung von Kühlwasserkreisläufen einfach aufbauen. Auch in der Entwicklungspraxis, wo mehrere Messpunkte parallel bewertet werden, bleibt die erforderliche Genauigkeit bei gleichzeitig schlankem Messsystem gewährleistet. Das macht die Verifizierung der Auslegung effizienter.

Zuverlässigkeit durch langfristig stabilen Betrieb

Das MT300 garantiert eine relative Genauigkeit von 0,01 % über einen Zeitraum von 12 Monaten, und der Silizium-Resonanzsensor sorgt für Langzeitstabilität. Da die Genauigkeitsdrift zwischen zwei Rekalibrierungen gering ist, dürfte es sich auch langfristig als zuverlässiges Messmittel für die Entwicklung von Kühlsystemen in Rechenzentren und für fortlaufende Verifizierungsaufgaben eignen.