VERWARMING  
Install Magazine 943 – september 2017

Datacenter verwarmt kantoren

Warmtepomp koelt computercentrum en verwarmt zo de nieuwbouw

Toen het bouwbedrijf Züblin zijn hoofdkantoor wilde uitbreiden, stelde het hoge eisen aan de nieuwbouw, onder meer qua duurzaamheid en energiezuinigheid. In de praktijk scoorde dit zelfs beter dan het berekende verbruik voor verwarming en koeling. Het performante datacenter in het gebouw levert voldoende warmte voor de kantoren, en het goede thermische comfort zorgt voor een hoge gebruikerstevredenheid. De grootste energieverbruiker -duidelijk meer dan voorzien- is de verlichting.

Met de nieuwbouw van kantoor Z3 in Stuttgart wilde bouwbedrijf Ed. Züblin AG het hoogste certificaat van het DGNB (Duitse vereniging voor duurzaam bouwen) behalen. Het moest een hoogwaardige werkplek voor ongeveer 250 medewerkers worden, en zo energie-efficiënt en innoverend mogelijk worden uitgerust. Het dient tegelijk als uithangbord voor de firma en als prototype. Het bedrijf ontwikkelt en bouwt namelijk verschillende dergelijke projecten in binnen- en buitenland. De ervaringen uit deze realisatie zijn dus bruikbaar in het ontwerp en advies bij volgende bouwprojecten. Het Duitse ministerie voor Economie en Energie investeerde dan ook in een uitgebreide wetenschappelijke monitoring, inclusief meettechniek, gebruikersbevraging en innoverende componenten.

Een architectuurwedstrijd bracht de vereiste kwaliteit in vormgeving en de urbanistische integratie met de twee bestaande kantoorgebouwen. De staalskeletbouw van vijf verdiepingen werd in 15 maanden opgetrokken. De werkplekken bevinden zich langs de gevels van het compacte grondplan. Tussen de kantoorruimtes en de gang bevinden zich glaswanden, zodat het daglicht diep tot in het gebouw kan doordringen. De buitenwanden bestaan uit voorgemonteerde elementen volgens het houtskeletprincipe, die compleet met vensters, zonnewering en staalbekleding naar de bouwwerf gebracht worden en daar modulair worden gemonteerd. Uitspringende lisenen in onbehandeld larikshout zorgen voor een verticale ritmering van de gevel, en dragen bij tot de schaduwwerking. Bovendien is er een lamellenzonnewering. Met een gemiddelde U-waarde van 0,4 W/m²K inclusief vensters, voldoet de gevels aan de eisen van passiefbouw. Een fotovoltaïsche installatie op het groendak verbetert de energiebalans.

Twee koelmachines voor het datacenter

Het datacenter heeft een koelbehoefte van ongeveer 200 MWh. Bij lage buitentemperaturen wordt die overwegend gedekt door passieve koeling. Bij hogere buitentemperaturen nemen twee koelmachines over. Het ene toestel is voorzien voor warmtepompwerking, het andere werkt alleen in koelbedrijf. In de wintermaanden dekt de warmtepomp de koelbehoefte van het datacenter en verwarmt tegelijk het gebouw. Dan zijn de rendementen het hoogst. In de zomermaanden werken beide toestellen in parallel.

Door de goede isolatie heeft het gebouw een erg geringe warmtebehoefte, die zo goed als volledig gedekt wordt door de afvalwarmte van het datacenter. De WKK van het aanpalende gebouw dient als back up, en wordt anders voornamelijk voor SWW-productie gebruikt. Zowel de verwarming als de koeling van de kantoren gebeurt door middel van capillaire matten die in de bezetting zijn ingewerkt. Gezien hun kleine thermische inertie vormen ze een snelreagerend systeem, dat in de regeling van de individuele kamers geïntegreerd is.

Vraaggestuurde regeling voor verse lucht en licht

Het ventilatiesysteem heeft een hybride concept. Als de buitentemperaturen weinig verschillen met de kamertemperatuur, blijft het ventilatiesysteem voor de kantoren uitgeschakeld. De ruimte wordt dan manueel geventileerd via de vensters. Wordt het temperatuurverschil tussen de buitentemperatuur en de kamertemperatuur groter, worden de kantoren mechanisch geventileerd met een kloksturing. De ventilatie-installatie is voorzien van een hoogefficiënte warmteterugwinning. Bovendien is er de mogelijkheid voor adiabatische koeling door de bevochtiging van de afvoerlucht. De centrale ruimtes en de kelderverdieping worden uitsluitend mechanisch geventileerd. De vergaderkamers zijn voorzien van CO₂-sensoren. Er is ook de mogelijkheid voor passieve nachtkoeling via een bodem-luchtwarmtewisselaar die op het ventilatiesysteem is aangesloten voor een nog hogere efficiëntie.

Zonwering, verlichting en kamertemperatuur zijn gestuurd op basis van aanwezigheidsdetectoren, en zijn individueel instelbaar via de bediening in de kamer. Elke gebruiker kan gedetailleerde informatie over de instellingen van zijn kantoor inkijken via de web-interface. Zo krijgt hij bijvoorbeeld informatie over de stand van de ventilatie-installatie en de mogelijkheden voor manueel verluchten.

In de kantoren worden er uitsluitend staande lampen met direct en indirect licht ingezet, die de lichtsterkte automatisch regelen in functie van aanwezigheid en het beschikbare omgevingslicht. Als een kantoor niet in gebruik is, schakelen de aanwezigheidsmelders de stopcontacten van de staande lampen uit. Dat vermijdt standby-verbruik. De verlichting van de gangen en secundaire ruimtes is eveneens in functie van de aanwezigheid en omgevingslicht.

Gebruikers tevreden met binnenklimaat.

Wetenschappers van het Fraunhofer Institut für Baufysik IBP voerden twee online enquetes uit (in hoogzomer en winter), waaruit bleek dat de gebruikers erg tevreden waren met het thermische comfort en de verlichting, ongeacht het seizoen. De werking van de automatische zonnewering werd eveneens als ‘eerder positief’ ingeschat. De vraag naar de gebruiksvriendelijkheid van zonnewering werd overwegend met ‘minder tevreden’ beantwoord. Terwijl de gebruikers tevreden waren met de lichtsterkte op het werkvlak, waren ze minder positief over de verlichting in het kantoor in het algemeen, die te ongelijkmatig werd gevonden. De staande lampen creëren immers een lichtvlak over de werkplek, terwijl de rest van het kantoor merkbaar donkerder blijft. De werking en gebruiksvriendelijkheid van het gebouwenautomatisatiesysteem werd als neutraal beoordeeld. Voor verbetering vatbaar volgens de gebruikers waren de gevoeligheid van de aanwezigheidsdetectoren voor de regeling, en de geluidsisolatie van de glazen wanden en deuren tussen kantoor en gang. Dat laatste werd door bouwakoestische metingen bevestigd.

Monitoring brengt afwijkingen aan het licht

Het gebouw Z3 is op grote schaal voorzien van tellers en meetpunten. Dat maakte een gedetailleerde evaluatie van het gedrag van het gebouw mogelijk door het onderzoekscentrum duurzame energie van de Hochschule für Technik Stuttgart (HFT).

Het verbruik in primaire energie voor koelen en verwarmen stemt grotendeels overeen met de oorspronkelijke berekeningen. Daarentegen verbruiken sommige onderdelen van de verlichting drie keer zoveel als verwacht, wat ertoe leidt dat het totale verbruik duidelijk boven de streefwaarde ligt. Ook het verbruik van de ventilatie-installatie is hoger dan gedacht. Omdat zowel ventilatie als verlichting op elektriciteit werken, is dat extra nadelig voor het bilan aan primaire energie, gezien de omrekenfactor van 2,6. De metingen voor 2015 geven een verbruik van 44,8 kWh/m² per jaar aan, 65% beter dan de toen geldende wettelijke voorschriften, maar toch 72% meer dan het berekend verbruik bij het ontwerp volgens DIN V 18599.

Bij de ventilatie stemmen de gemeten waarden grotendeels overeen met de berekende waarden in de periode tussen oktober en maart. Daarbuiten ligt het verbruik duidelijk hoger. De reden daarvoor is dat de gebruikers de voorziene verluchting via de vensters onderbenut hebben. Om dat de compenseren werd de mechanische ventilatie het hele jaar door ingeschakeld. Op jaarbasis verdubbelt het verbruik daardoor nagenoeg.

Aandachtspunt verlichting

In de energiebalans van sterk geïsoleerde gebouwen wordt de verlichting van doorslaggevend belang, vooral in kantoren. Het hoge stroomverbruik in Z3 is voornamelijk veroorzaakt door de staande lampen aan de werkplekken. Zodra een kantoor in gebruik is, betekent dit een basisverbruik van 30 W. De lampen zijn niet in te stellen op een precieze lichtsterkte, zodat de gebruiker de lamp doorgaans op de vooringestelde maximale stand laat staan. Naregeling, afplakken van de aanwezigheidssensoren of het aansluiten van de lampen op stopcontacten die niet door aanwezigheidssensoren geregeld werden, hebben het totale verbruik duidelijk verhoogd.

De optimalisering van de zonwering zelf en van de sturing bracht een merkbare energiebesparing. Bij helemaal gesloten blinden wordt het daglichtaandeel zo laag, dat de regeling van de verlichting het aandeel kunstlicht gaat verhogen. Dat beïnvloedt de werkingsduur van de verlichting van de centrale circulatieruimtes. Volgens de planning zouden die daglicht moeten krijgen via de glazen wanden van de kantoren. Bij de monitoring viel op dat er op een verdieping een constante basislast optrad, wat gezien de aanwezigheidssturing onmogelijk zou moeten zijn. Dat was goed voor ongeveer de helft van het jaarverbruik van de verdieping in kwestie in 2014. De oorzaak waren problemen in de buscommunicatie in de sturing van de verlichting, waarvoor nog een oplossing gezocht wordt.

Test van nieuwe bouwelementen

In het onderzoeksproject wilde men ook ervaringen verzamelen met innovatieve componenten. Zo waren er testkamers om verschillende zonweringsystemen te testen. De lamellen met een speciale coating en de lamellen met geïntegreerde PV-cellen presteerden echter niet beter dan het traditionele systeem. Ook het idee om licht van het dak via glasvezels naar ondergelegen verdiepingen te brengen, bleek problematisch over langere afstanden. Met uitzondering van de lamellen met coating werden de geteste technieken dan ook niet verder ontwikkeld.

Meetdata van verschillende bronnen combineren

In het kader van het project ontwikkelde het team van HFT Stuttgart de EmTool software verder. Hiermee kunnen meetdata van uiteenlopende bronnen, voornamelijk uit gebouwentechniek en uit mobiele meettechniek, geïntegreerd worden. Dat maakt een geautomatiseerde storingsdetectie en plausibiliteitsanalyse mogelijk. Via intelligente algoritmes kunnen opgeslagen meetwaarden snel uit databanken worden ingelezen. Daarbij worden de data van verschillende bronnen en databanken geïntegreerd op een tijdlijn. De directe aansluiting op de databanken van de gebouwentechniek via zelf ontwikkelde interfaces leidt tot een soepel gegevensbeheer.

Tot nu toe wordt de software alleen in de hogeschool zelf gebruikt. Begin 2017 is er echter een ontwikkelingsprogramma via de firma Bosch gestart.

Energie besparen in datacenters

Datacenters behoren tot de grootste elekriciteitsvreters in de informatie- en communicatietechniek. Bovendien neemt hun aantal en complexiteit steeds toe. Volgens een onderzoek van het Borderstep Institut verbruikten datacenters in Duitsland in 2015 12 miljard kWh, goed voor 2% van het totale stroomverbruik van het land. Daarom loopt er onderzoek naar manieren om de energie-efficiëntie ervan te verhogen.

Het project RenewIT liep tot eind 2016, en werd ondersteund door de EU. Hierbij onderzochten experts uit vijf landen hoe men datacenters volledig op hernieuwbare energie kon laten werken. Om dat te bereiken, moet het elektriciteitsverbruik eerst en vooral zoveel mogelijk gereduceerd worden door een optimaal bouwconcept, IT-management, beperking van de verliezen in de stroombevoorrading, optimalisering van de koeling en het gebruik van warmteterugwinning. Dat leidde onder meer tot de ontwikkeling van de RenewIT-Tool software. Hierin kan men de belangrijkste parameters van een datacenter invoeren en zo snel en eenvoudig onderzoeken welk effect diverse besparingsmaatregelen zouden hebben. Een nieuw ontwikkelde monitoring tool helpt gebruikers om de prestaties van het datacenter op te volgen, evenals de werking van elektrische en koeltechnische installatie.

Het project TEMPRO (Total Energy Management for Professional Data Centers) startte recent onder impuls van de universiteit Oldenburg en heeft tot doel om het verbruik van energie en grondstoffen in datacenters te optimaliseren. Het omvat partners uit de wetenschappelijke wereld, bedrijven en lokale overheden. In plaats van de werking van een datacenter te analyseren, zoals tot nu toe gebruikelijk was, past het TEMPRO-project een holistische methode toe: het onderzoekt de volledige levenscyclus van de apparaten, van de grondstoffen tot de recycling. Dat moet tot bijkomende besparingsmogelijkheden leiden.

In het kader van technologieprogramma IT2Green steunde het Duitse ministerie voor milieu en economie al tussen 2011 en 2014 onderzoek naar datacenters in de cloud. Door intelligent datamanagement zou men tot een verdeling van de lasten kunnen komen om zo het rendement van individuele centra te laten stijgen.

Door Dorotee Gintars

www.bine.info