Passive Kühlsysteme
Wege der Luft
Energiesparen im RZ wird immer wichtiger. Als Konsequenz bieten verschiedene Hersteller ausgefeilte Verbesserungen der klassischen Konzepte wie Kalt- oder Warmgangeinhausungen an. Panduits Lösung besteht aus einem vertikalen Abluftsystem namens VES.
Business-Management-Anwendungen und mächtige Softwarelösungen bürden Unternehmen zunehmend die
Last einer immer komplexerer und umfangreicherer Datenbankverarbeitung auf. Manager von
Rechenzentren sehen sich immer häufiger der Herausforderung gegenüber, dieses Wachstum zu steuern,
gleichzeitig aber die Betriebskosten im Auge zu halten, wenn nicht gar zu senken. Während die
Gerätedichte pro Schrank zunimmt, um steigenden Prozessoranforderungen gerecht zu werden, benötigen
Nutzer neue und effektive Konzepte zur Kühlung, um die aus dem Wachstum resultierenden hohen
Wärmelasten im laufenden Betrieb zu kontrollieren. Der vorliegende Beitrag stellt ein vertikale
Abluftsystem vor. Das VES des Herstellers Panduit soll sich durch eine besondere Kosteneffizienz
auszeichnen. Das international agierende Unternehmen mit Deutschlandsitz in Frankfurt am Main ist
Spezialist auf dem Gebiet der physikalischen Infrastruktur in Rechenzentren.
Die Grenzen herkömmlicher Kühlsysteme
Im Allgemeinen erfolgt das Luftstrom-Management in Rechenzentren durch die strategische
Platzierung von Umluftkühlgeräten (CRAH – Computer Room Air Handling) sowie den Einsatz von
Infrastruktur-Elementen auf der physischen Ebene.
Dabei sind die Schrankreihen meist gemäß dem TIA-942-Standard und den "Thermal Guidelines for
Data Processing Environments" von ASHRAE in einer Kalt- und Warmgang-Anordnung positioniert.
In einer Doppelbodenumgebung mit Deckenabführung verteilen Umluftklimageräte die Kaltluft im
Doppelboden. Die Luft gelangt dabei durch perforierte Bodenplatten im Kaltgang zurück in den Raum.
Aktive Komponenten sind so in den Schränken positioniert, dass ihre Gebläse Kaltluft aus dem
Kaltgang ansaugen und ihre Abluft in den Warmgang an der Rückseite abführen. Letztlich verlässt die
Geräteabluft über die Decke und Abführungskanäle den Raum und wird zurück zu den Klimageräten
geführt.
Doch der aktuelle Trend im Rechenzentrum geht in Richtung einer größeren Gerätedichte. Und genau
diese höhere Gerätedichte treibt die Doppelboden-Kühlsysteme an die Grenzen ihrer Belastbarkeit.
Doppelbodensysteme mit Deckenabführung bieten im Allgemeinen ausreichend Luft zum Abführen von 7
bis 8 kW Wärme pro Schrank. Voraussetzung ist, dass die Umluftkühlgeräte über eine adäquate
thermische Kapazität verfügen und bewährte Verfahren des Temperatur-Managements angewendet werden.
Zur diesen Best-Practice-Verfahren gehören eine Doppelbodenhöhe von 60 bis 90 cm, eine Warm- und
Kaltganganordnung, ausreichend und korrekt perforierte Bodenplatten oder Gitter, die adäquate
Positionierung von Strom- und Datenkabeln sowie die Verwendung von luftdichten Kabeldurchführungen
im Doppelboden und von Blind-Panelen.
Fortschreitende Konsolidierung und Virtualisierung im Rechenzentrum führen jedoch zu Schränken
mit höherer Packungsdichte, wobei jeder Schrank mehrere Server aufnimmt. Diese hohe Server-Dichte
kann eine Wärmelast von 8 bis 12 kW pro Schrank erzeugen. Ohne effektive Strategien zum
Temperatur-Management vervielfachen sich die Risiken rasch. Ausfallzeiten und Gewinnverluste
aufgrund von Geräteausfällen können die Folge sein, ebenso erhöhte Kosten für Service und Wartung
sowie steigende Betriebskosten durch unverhältnismäßig hohe Kühlung.
Kostengünstige Verbesserungen der Kühlung
Durch Budgetbeschränkungen und steigende Energiekosten sind Betreiber von Rechenzentren dazu
gezwungen, alle verfügbaren Optionen für die Wärmeabführung in Betracht zu ziehen, um die Effizienz
zu verbessern und die Geschäftskontinuität zu erhalten. Der Einsatz UPI-basierender Lösungen zur
Einsparung von Kühlleistung als zuverlässige, kostengünstige und ökologische Option zur Bewältigung
hoher Wärmelasten in Rechenzentren nimmt kontinuierlich zu. Diese Lösungen verwenden
Präzisionskühlverfahren zur Optimierung des Luftstroms und zum Schutz aktiver Komponenten ohne
zusätzlich Strom zu verbrauchen.
Als Bestandteil eines ganzheitlichen UPI-(Unified Physical Infrastructure)Ansatzes lassen sich
Präzisionskühlelemente von Beginn an einplanen und bereitstellen oder nach Bedarf modular
hinzufügen. Dies erhöht die Flexibilität durch Integration in vorhandene Schranklayouts und
ermöglicht die Skalierbarkeit der Kühlkapazität entsprechend des Wachstums und der sich ändernden
geschäftlichen Anforderungen. Dank dieser Flexibilität können RZ-Betreiber weitere Geräte nach
Bedarf ohne zusätzliche Klimaanlagen oder die Überlastung des Doppelbodenkühlsystems nutzen.
Das vertikale Abluftsystem VES
Eine nach Einschätzung der Verfechter dieser Technik effizientesten Möglichkeiten zum passiven
Luftstrom-Management in Rechenzentrumsumgebungen ist die Einhausung der Abluft wie etwa durch das
vertikale Abluftsystem (VES), das die warme Abluft der Server über einen vertikalen Kanal oder "
Kamin" direkt in die geschlossene Deckenabführung leitet. Diese Kanalisierung der warmen Abluft zu
den Raumkühlgeräten verhindert den Rückfluss der warmen Luft und sichert so die ausreichende
Kaltluftversorgung an den Geräteeinlässen. Das VES-Ablufteinhausungssystem ist für hohe Wärmelasten
geeignet und ermöglicht Konfigurationen mit hoher Equipment-Dichte wie
Blade-Server-Installationen.
Durch die Trennung von warmer und kalter Luft können Rechenzentren bei höherer Temperatur
arbeiten, was wiederum den Energieverbrauch des Kühlsystems reduziert. Das zentrale Abführen der
Warmluft über die geschlossene Decke verringert zudem den Energieverbrauch. Durch Maximierung der
Temperaturdifferenz zwischen der Abluft und der gekühlten Luft in den Kühlschlangen arbeiten
Umluftkühlanlagen mit höherer Kapazität. Zu den bewährten Verkabelungsverfahren gehört das
weitgehende Freihalten des Abluftbereichs von Hindernissen im Schrank hinter den Servern, um den
ungehinderten Strom von warmer Abluft in den vertikalen Kanal zu ermöglichen. So sollten
Installateure vor allem Daten- und Stromkabel in Richtung der Seitenwände des Schranks – also fort
von den Server-Abluftbereichen – führen, um den Abluftbereich frei von großen Kabelbündeln zu
halten. Ein VES-Einhausungssystems bietet zudem die Möglichkeit zur Verringerung der
CRAH-Gebläsegeschwindigkeiten und spart somit Energiekosten bei gleichbleibenden
Schrankeinlasstemperaturen innerhalb des gewünschten Bereichs (zum Beispiel das von ASHRAE
empfohlene Temperaturlimit von 27°C).
Ein Beispiel
Für ein Rechenzentrum mit rund 280 m² Doppelbodenfläche und 68 Server-Schränken wären sechs
CRAH-Geräte erforderlich, um 8 kW Wärme pro Schrank abzuführen. Wenn weitere Verbraucher
hinzukommen, entstehen neue Herausforderungen beim Abführen der dadurch entstehenden zusätzlichen
thermischen Last.
Ein solches Rechenzentrum würde zusätzliche Kühlgeräte benötigen, um zuverlässig bis zu 10 kW
Wärmelast pro Schrank zu bewältigen. Pro Klimagerät entstehen Kapitalkosten von rund 30.000 Euro.
Bei einem durchschnittlichen Strompreis von 0,09 Cent pro kWh ergeben sich für den Betrieb eines
Klimagerätes bei Maximalleistung Kosten von etwa 7.500 Euro pro Jahr.
Durch Kombination oben genannter Komponenten sinken die Betriebskosten des Kühlsystems durch den
Einsatz von VES um mindestens 25 Prozent. Zusätzlich können die Kosten durch Layoutkonfiguration,
Gerätedichte und Wartungseinsparungen noch weiter reduziert werden. All dies zeigt deutlich, dass
VES eine kostengünstige (und grüne) Wahl für die effiziente Kühlung von Schränken mit hoher
Wärmeentwicklung ist.
Fazit
Hohe Wärmelasten im Rechenzentrum lassen sich gut durch die Bereitstellung von UPI-basierten
Lösungen bewältigen, die Hochverfügbarkeitsziele unterstützen, die Lebensdauer von aktiven Geräten
verlängern und eine fortlaufende Unterstützung von Green-IT-Zielen ermöglichen. Ein
kostengünstiger, umweltverträglicher und vor allem zuverlässiger Betrieb eines Rechenzentrums lässt
sich durch die Bereitstellung von passiven Ablufteinhausungssystemen erreichen.
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