Energieeffiziente Klimatisierung
Hitzefrei im Rechenzentrum
Schnellere und aufwändige Rechenprozesse sorgen auch im Server-Rack oder Rechenzentrum für "rauchende Köpfe". Damit die IT keinen Hitzekollaps erleidet, muss auch die Infrastruktur wachsen, vor allem die Klimatisierung.Stellen Sie sich vor, in Ihrem Unternehmen fällt plötzlich die gesamte IT aus. E?Mail, Internet, ERP, eventuell sogar IP-Telefonie - überall geht plötzlich "das Licht aus". Das Gedankenspiel zeigt die Bedeutung des Rechenzentrums als Rückenmark des Unternehmens: Nutzern greifen dort auf Unternehmensanwendungen zu, und die Datenspeicherung findet ebenfalls im RZ statt.
In vielen bestehenden Rechenzentren kommt vom eingespeisten Strom nur etwa 50 Prozent bei den Servern an. Die andere Hälfte verbrauchen hauptsächlich Kühlung und unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Das größte Energieeinsparpotenzial bietet dabei die Klimatisierung. Sie verbraucht mit bis zu 37 Prozent fast genauso viel Energie wie die Server selbst. Bei der Auswahl der passenden Klimatisierungslösung für das RZ sind verschiedene Gesichtspunkte in Betracht zu ziehen. Welches Konzept geeignet ist und für eine bessere Energieeffizienz im Rechenzentrum sorgt, hängt vor allem von der Leistungsdichte der Server und der damit verbundenen Wärmeentwicklung im Server-Rack beziehungsweise im Server-Raum ab.
Wie energieeffizient ein Rechenzentrum arbeitet, gibt der PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) an. Diese Zahl setzt die insgesamt verbrauchte Energie ins Verhältnis zur Energieaufnahme der IT-Hardware. Werte von 2,0 und noch höher sind durchaus in vielen Rechenzentren üblich - dann verbraucht die Infrastruktur genauso viel Energie wie die angeschlossenen Server. In besonders energieeffizienten RZs messen die Experten dagegen Werte zwischen 1,1 und 1,2.
Nichts als kühle Luft
In Rechenzentren mit einer Wärmeentwicklung von bis zu 4 Kilowatt pro Schrank erfüllen Umluftklimasysteme in der Regel die Anforderungen an eine effiziente Kühlung. Sie saugen die warme Luft der Server an, kühlen diese über einen Wärmetauscher herunter und blasen sie in den Doppelboden ein. Von dort gelangt sie durch Schlitze oder Perforierung in den Bodenplatten wieder vor die Server-Racks.
Für eine höhere Energieeffizienz im Rechenzentrum sorgt die Aufstellung der Server-Schränke nach dem Kalt- und Warmgangprinzip. Dabei stehen sich Rack-Fronten in einer Gasse direkt gegenüber. Dieses einfache Prinzip verhindert, dass sich die kalte Luft aus den Kühlungen unkontrolliert mit der warmen Abluft aus den Rechnern und Speichersystemen vermischt und so genannte Luftkurzschlüsse entstehen.
Eine noch bessere thermische Trennung ist durch die Einrichtung einer Gangschottung gewährleistet. Dabei wird zumeist der Kaltgang an der Rack-Oberseite sowie an den Kopfseiten verschlossen, die kalte Luft kann nicht entweichen. Diese mechanische Maßnahme sorgt für einen Temperaturunterschied zwischen Warm- und Kaltgang von 10 bis 15 Grad. Damit lässt sich die Kühlleistung der Anlage entsprechend reduzieren - nach einer Untersuchung des Bundesministeriums für Umwelt sowie des Borderstep Instituts um bis zu 35 Prozent.
Reicht die Leistung des Umluftklimasystems für die adäquate Kühlung der Server-Racks nicht mehr aus, empfiehlt sich die Installation zusätzlicher Hardware, etwa eines Toptherm Liquid Cooling Packages (LCP) Inline von Rittal, das bis zu einer Kühlleistung von 60 Kilowatt kalte Luft nach vorne in den Kaltgang bläst. LCP-Inline-Geräte lassen sich auch nachträglich installieren - selbst in heterogene Umgebungen.
Je höher die Rechenleistung, desto größer die Wärmeentwicklung: Leistungsstarke Blade-Server für Cloud-Computing-Anwendungen oder für den Einsatz in Forschungsinstituten erzeugen viel Abwärme, teilweise bis 25 Kilowatt, die abgeführt werden muss. Aufgrund der hohen Leistungsdichte im Rack können zudem rasch so genannte Wärmenester entstehen, wenn sich warme Luft beispielsweise durch zu enge Verkabelung staut und nicht entweichen kann. Dies kann schnell zu einer Überhitzung der Hardware und damit zu Störungen und Ausfällen führen. Hohe Wärmelasten führt das LCP direkt aus dem Rack ab. Dabei dringt die kalte Luft über perforierte Seitenwände direkt seitlich in das Server-Rack vor die Front der Server ein, an der Rückseite nimmt das System die warme Luft wieder auf. Die hohen Wärmelasten gelangen über Luft/Wasser-Wärmetauscher aus den IT- und Server-Racks. Da Wasser aufgrund seiner stofflichen Eigenschaften Wärmeenergie fast 4.000 mal "besser" transportieren kann als Luft, reichen hier bereits sehr kleine Wasserleitungen zum Transport der großen Wärmemengen.
Durch den sehr gezielten Einsatz der Kaltluft in LCPs lassen sich die Vorlauftemperaturen im Wasserkreislauf erhöhen. Dies trägt maßgeblich zu einer effizienteren Klimatisierung bei. Während die Raumklimatisierung mit Luft-/Wasser-Wärmetauschern Wassertemperaturen von acht bis 15 °C benötigt, reichen bei LCPs oft bereits 21 Grad aus. Entsprechend energiesparend ist die Erzeugung des Kaltwassers.
Gleichgültig, für welche Kühlungsart sich ein RZ-Betreiber entscheidet - in jedem Fall muss er an irgendeinem Punkt im Kreislauf Kälte in Form von Kaltluft oder Kaltwasser erzeugen. Dies kann beispielsweise mit Chillern geschehen. Eine sehr energieeffiziente Alternative oder Ergänzung dazu ist die freie Kühlung. Diese nutzt eine Ressource, die kostenlos ist: kühle Außenluft. Erst wenn sie eine bestimmte Außentemperatur überschreitet, muss der Betreiber mit herkömmlichen Kältemaschinen die Kaltwasserproduktion sichern. Dabei unterscheidet man zwischen indirekter und direkter freier Kühlung: Bei der direkten freien Kühlung kühlen die Klimasysteme bei niedrigen Außentemperaturen direkt mit kalter Außenluft. Ein Luftklappensystem regelt die verschiedenen Luftströme und mischt Abluft aus dem Rechenzentrum zu, um die gewünschte Zulufttemperatur zu erreichen. Kunden erreichen mit dieser Form der Klimatisierung PUE-Werte kleiner als 1,3.
Technische Basis der indirekten freien Kühlung ist ein leistungsstarker Luft/Wasser-Wärmetauscher, der außerhalb des Gebäudes steht und dort die Kaltwasserversorgung sichert. Dafür ist gewöhnlich eine Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Kaltwasser von fünf Grad nötig. Mit leistungsfähigen Kälteregistern lässt sich die Temperaturdifferenz auf 2,5 Grad reduzieren. So können Anwender ihre Energiekosten für die Rechenzentrumsklimatisierung halbieren Der Kühlkreislauf funktioniert bis zu einer Außentemperatur von 19 Grad Celsius und damit in unseren Breitengraden den Großteil des Jahres.
Fazit
Jedes RZ hat individuelle Anforderungen an die Klimatisierung. Diese ergeben sich beispielsweise aus der Rechenleistung der einzelnen Schränke, den Räumlichkeiten und den Verfügbarkeitsansprüchen. Neben der Ausfallsicherheit und Energieeffizienz sollten Modularität und Skalierbarkeit gesichert sein. Hersteller, die das gesamte Portfolio an Klimatisierungslösungen im Angebot haben, sind bestens aufgestellt, um die individuellen Kundenanforderungen zu erfüllen, die schließlich im Betrieb den Geldbeutel und die Umwelt schonen. Eine Klimatisierung, die Tag und Nacht in vollem Einsatz ist, schadet Geldbeutel und Umwelt. Klimatisierungslösungen sollten daher genau an den tatsächlichen Bedarf angepasst sein. Da die Server in Unternehmen beispielsweise an Wochenenden oft nicht die volle Leistung erbringen müssen, empfiehlt sich der Einsatz einer Management-Software für eine bedarfsgerechte Regulierung der Klimatisierung.
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