Az adatközpontok, szervertermek, telekommunikációs központok és géptermek energiahatékony hűtése komoly kihívást jelent a mérnököknek. A cél a hűtési energiafelhasználás csökkentése. Kutatásomban egy telekommunikációs központ hűtési rendszerének villamosenergia-megtakarítási lehetőségeit vizsgáltam meg HeatTank fázisváltó anyag töltetű hőenergiatároló alkalmazásával. Az éves energiafelhasználásban elérhető megtakarítás megállapításához, mérésekkel különböző üzemállapotokat vizsgáltam meg.

Fázisváltó anyagok (PCM)

A fázisváltó anyagok (Phase Change Material – PCM) olyan energiatároló anyagok, melyek a látens hőt felhasználva nagy energiasűrűséggel képesek a hőenergiát tárolni. Az adott hűtési rendszer esetén például az 1. ábrán látható kapcsolás felhasználásával lehet energiamegtakarítást elérni a következő lehetőségek felhasználásával:

• indirekt szabadhűtés a tárolón keresztül,
• szabadhűtés idejének kiterjesztése, az éjjel szabadhűtéssel tárolt hűtési energia nappali hasznosítása,
• kompresszoros üzem optimalizálása, a hűtési energiát a legjobb hatékonyság mellett kell előállítani, és a legrosszabb hatékonyságú esetben a tárolt energiát kell hűtésre használni.

1. ábra - Energiatároló kapcsolása

A felhasznált fázisváltó anyag a CrodaTherm 21, melynek fizikai tulajdonságait az alábbi táblázat tartalmazza.

Mérési eredmények

A vizsgált telekommunikációs központ tervezési adatai:

• 2,5 kW folyamatos hőterhelés, 
• 2 db 6 kW-os split klíma:  redundáns hűtésért, 
• belső megkívánt hőmérséklet 24-26 °C.
• éjszakai szabadhűtési időszak ld. 2. ábra (összehasonlított napok: 2019. július 13. és április 25.).

A meglévő rendszernek folyamatosan elő kell állítania a szükséges hűtési energiát, ezáltal több villamosenergiát fogyaszt, mikor a külső hőmérséklet magasabb. Az új rendszer PCM tárolóval viszont éppen ebben az időszakban takarítja meg a legtöbb villamosenergiát. Tavaszi/őszi időszakban a PCM egész nap hűti az adatközpontot, így a klímaberendezés kikapcsolható. 19:00-10:00 óra között a tároló a külső hideg levegő segítségével szabadhűtéssel hűti a szervereket, illetve tárolja a napi szükséges hűtési energiát. 10:00-19:00 óra között nem lehet szabadhűtést használni, a PCM hűt a tárolt hűtési energia segítségével. A mérések alapján a villamosenergiafogyasztás így  17,9 kWh-ról 8,1 kWh-ra csökkent, ami 55%-os megtakarítást jelent.

2. ábra - Éjszakai szabadhűtés

Nyáron kevésbé lehet szabadhűtést használni, mert a külső hőmérséklet éjszaka is túl magas. A PCM-et a klíma segítségével lehet fagyasztani 3:00-7:00 óra között, mikor a klímának a legmagasabb a hatékonysága. Ebben az időszakban több villamosenergiát használ fel a rendszer a PCM tárolós esetben, mint a meglévő rendszernél, mivel a klímának nem csak a szervereket kell hűtenie, hanem el kell tárolni a hideget a legalacsonyabb hatékonyságú időszakra. 13:00-18:00 óra között jelentkezik a megtakarítás, a klíma kikapcsol, és a PCM egyedül hűt. Az átmeneti időszakokban a tároló nem működik, mert kapacitását a csúcsidőszakra kell tartogatni, a klíma egyedül hűti a szervereket.

3. ábra - Kompresszor optimalizálás

A villamosenergiafogyasztás 22,6 kWh-ról 20,1 kWh-ra csökkent, ami 10,8%-os megtakarítást jelent.
Kilenc hónap mérései alapján egy év alatt 54,2% villamosenergia takarítható meg;  a projekt megtérülése kevesebb mint 4 év.

4. ábra - Éves megtakarítás

Fázisváltó anyagokkal kutatásokat Andrássy Zoltán és Dr. Szánthó Zoltán végez.