Grundsätzlich lässt sich die sogenannte Kühlungskette im Rechenzentrum (RZ) in die drei Bereiche Kälteerzeugung, Kältetransport und Kälteverteilung aufgliedern. In den meisten Rechenzentren findet sich ein Kaltwassersatz, in einer Kombination eines Frei- oder Trockenkühlers mit einem oder mehreren Chillern. In diesem Konzept wird die Kälte mithilfe von gekühltem Wasser in das RZ transportiert, während die Abwärme durch das erwärmte Wasser im Rücklauf wieder aus dem RZ gebracht wird.
Die Kühlung des Wassers erfolgt dabei über den Wärmeübertrager des Freikühlers, indem die kalte Außenluft durch den Wärmeübertrager geblasen wird. Schließlich pumpt die Anlage das gekühlte Wasser wieder in das RZ zurück. In welchem Umfang der Freikühler genutzt werden kann, hängt von zwei wesentlichen Faktoren ab: von der Vorlauftemperatur des Wassers und von der Außentemperatur der Luft.
Vorlauf- und Außentemperatur
Die Vorlauftemperatur des Wassers legt fest, mit welcher Temperatur das Wasser durch den Wärmeübertrager im RZ strömt, um dort kalte Zuluft für die Server bereitzustellen. Dabei können Server laut ASHRAE problemlos mit einer Zuluft von bis zu 27 °C betrieben werden. Auf welche Temperatur die Verlauftemperatur des Wassers eingestellt werden muss, hängt dabei von den Temperaturverlusten im Kältetransport und von der Effizienz der Kälteverteilung ab. Da in europäischen Breiten im Großteil eines Jahres die Freikühlung durch Außenluft möglich ist, spart der Anwender gleichzeitig Geld und Energie: Die kühle Luft muss nicht mühsam erzeugt werden. Doch auch ein Mischbetrieb ist möglich, wobei zunächst mit dem Freikühler das Wasser vorgekühlt wird und dann mit dem Chiller die gewünschte Vorlauftemperatur erzeugt wird. Nur an sehr heißen Sommertagen wenn die Außentemperatur größer, als die Rücklauftemperatur des Wassers ist , wird der reine Chiller-Betrieb gefahren.
Kühlung durch Meerwasser
Alternative Kältequellen können z. B. durch die Geothermie, aber auch durch Meerwasser bereitgestellt werden. Das kalte Außenwasser kann beispielsweise mittels Pumpen aus dem Grundwasser gewonnen werden. Da hier zwei Wasserkreisläufe streng voneinander getrennt sind und nur über einen Wärmeübertrager gekoppelt sind, lässt sich auch kaltes Meerwasser nutzen. Wird bei dieser Art der Freikühlung Wasser als Transportmedium genutzt, so spricht man auch von der indirekten Freikühlung. Bei der direkten Freikühlung wird die kalte Luft als Transportmedium genutzt. Wärmeübertrager, Pumpen und Rohrleitungen entfallen damit, sodass eine weitere Effizienzsteigerung möglich ist.
Umgebungsparameter beachten
Bei einer Serverzulufttemperatur von bis zu 27 °C lässt sich die kühle Außenluft zu einem großen Teil des Jahres nutzen, ohne dass zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung notwendig sind. Jedoch sind bei der direkten Freikühlung die folgenden Randbedingungen zu beachten: Die in das RZ einströmende Luft darf nicht zu kalt sein, da es sonst zur Kondensatbildung kommen kann. Die einströmende Luft wird daher mit der warmen Abluft so gemischt, dass die optimale Serverzulufttemperatur erreicht wird. Ebenso muss die Luftfeuchtigkeit beachtet werden (Kondensat, statische Aufladungen) und gegebenenfalls Be- oder Entfeuchter eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch Filter gegen Staub und unter Umständen gegen schädliche Gase einzusetzen. Steigt die Außentemperatur über die Zulufttemperatur, so sind zusätzliche Kühlungsmaßnahmen vorzusehen. Dies können Chiller sein, die kalte Luft beimischen, oder auch neuartige Verfahren, wie die adiabatische Kühlung, bei der ein feiner Wassernebel versprüht wird. Dabei erzeugt die Verdunstungskälte die gewünschte Temperatur, wobei zugleich die Luftfeuchtigkeit angehoben wird. Einen interessanten Ansatz der direkten Freikühlung bieten Rotationswärmeübertrager, wie sie seit Jahrzehnten bei der Gebäudeklimatisierung zur Wärmegewinnung zum Einsatz kommen.
Der Weg der Kälte
Der Wärmeübertrager ist bei diesem Ansatz als großes, sich drehendes Rad ausgeführt. Die eine Hälfte befindet sich im RZ, die andere Hälfte außerhalb, der Übergang ist über Lamellen abgedichtet. Im Außenbereich strömt die kalte Luft durch den Wärmeübertrager und kühlt diese ab. Der sich drehende Wärmeübertrager transportiert so die Kälte ins RZ. Hier wird er von der warmen Abluft der Server durchströmt und kühlt diese wieder ab. Da zwischen RZ und Außenbereich kein Luftaustausch stattfindet, muss einer Be- oder Entfeuchtung nicht Rechnung getragen werden. Mit der direkten Freikühlung lassen sich hervorragende Effizienzwerte erzielen, wie zahlreiche Kundenapplikationen belegen.
Gezielte Luftführung ist entscheidend
Ein wichtiger Punkt bei der Erstellung eines ganzheitlichen Klimatisierungskonzeptes für Rechenzentren ist die effiziente Kälteverteilung in den Serverräumen. Hierbei spielt die mittlere Wärmelast eines Serverschranks eine entscheidende Rolle. Liegt die Wärmelast unterhalb von 6 bis 7 kW pro Schrank, ist es möglich, über einen Druckdoppelboden die kalte Luft mithilfe von CRAC-Systemen den Servern zuzuführen. Die CRAC-Systeme saugen die warme Luft des Serverraumes an, kühlen diese über Wärmeübertrager ab und blasen die kalte Luft in den Doppelboden. Perforierte Bodenplatten vor den Serverschränken der Schrankreihen erlauben eine gezielte Luftzufuhr. Es empfiehlt sich eine Gangeinhausung vorzusehen, mit deren Hilfe die kalten und warmen Luftbereiche voneinander getrennt werden, um so eine Vermischung von warmer und kalter Luft zu verhindern und Energie einzusparen. Dazu wird zunächst der Schrank abgedichtet, um Luftkurzschlüsse zwischen Vorder- und Rückseite zu verhindern, so dass die kalte Luft ausschließlich durch die Server strömen kann. Die Schrankreihen selbst werden so angeordnet, dass jeweils die Vorderseiten bzw. die Rückseiten einander gegenüberstehen und so einen Kalt- bzw. Warmbereich bilden. Über den Gängen, genau wie bei den Zugängen der Gänge, wird geschottet, sodass die Luft in dem abgegrenzten Volumen bleibt.
Steigende Verlustleistung steigende Herausforderung
Befindet sich in einem derartigen Raumkühlungskonzept ein HD-Cluster mit einer wesentlich höheren Verlustleistung im Schrank, wird es nicht möglich sein, über den Druckboden genügend Kaltluft zuzuführen. Dieser Hot-Spot muss mit einer Schrankkühlung versehen werden. Steigt die mittlere Verlustleistung in den Schränken, so wird es zunehmend schwerer, über den Doppelboden Kaltluft zur Verfügung zu stellen. Eine Alternative stellt die Reihenkühlung dar. Die Wärmeübertrager stehen hierbei mit den Serverschränken in einer Reihe und bilden eine Kalt-Warmgang-Situation. Ein Doppelboden zur Luftführung wird nicht benötigt, da die Reihenklimatisierungsgeräte die kühle Luft direkt in den Kaltgang blasen, sodass sie von den Servern angesaugt werden kann. Die Abluft der Server wird im Warmgang über die Reihenklimatisierungsgeräte wieder angesaugt und über die Wärmeübertrager abgekühlt. Da der Luftweg zwischen Klimatisierungsgerät und Server kürzer ist, können größere Luftmengen und höhere Verlustleistungen in den Schränken gefahren werden.
Klimatisierung im Schrank
Für große Verlustleistungen empfiehlt sich als dritte Variante die Schrank-Klimatisierung. Der Wärmeübertrager sitzt dabei seitlich am Schrank und bläst die kalte Luft direkt vor die Serverebene. Die warme Abluft wird noch im Schrank angesaugt und den Wärmeübertragern zugeführt. Die Luft zirkuliert also horizontal in einem kleinen, abgegrenzten Volumen, welches aus Serverschrank und Schrank-Klimatisierungsgerät besteht. Eine spezielle Variante davon stellt die passive Rücktür RDHx dar. Dabei wird die Rücktür eines Serverschrankes als Wärmeübertrager ausgeführt. Dieser besitzt keine eigenen Ventilatoren und verbraucht im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Geräten keine Energie. Die warme Abluft wird mittels der in den Servern integrierten Ventilatoren durch den Wärmebertrager gedrückt. Dieser kühlt die Abluft herunter und gibt diese in den Raum ab, wo sie wieder von den Servern angesaugt werden kann. Auch einzelne Hot-Spots können so klimatisiert werden, da die RDHx die Wärme gezielt abführt und ein neutrales Raumklima bereitstellt.
Fazit
Um ein optimales Klimatisierungskonzept für ein Rechenzentrum zu erstellen, ist es notwendig, die drei Teilbereiche Kälteerzeugung, Kältetransport und Kälteverteilung genau auf die Erfordernisse der Server anzupassen. Eine richtige Dimensionierung wie auch ein optimaler Arbeitspunkt der Klimatisierung ist der Garant für ein energieeffizientes Rechenzentrum. Ein guter Effizienzwert senkt auch die Ausgaben für Strom nachhaltig. Rittal unterstützt bei der bedarfsgerechten Auslegung einer optimalen RZ-Klimatisierung. -
Bernd Hanstein
Hauptabteilungsleiter Produktmanagement IT, Rittal, Herborn
Kerstin Ginsberg
PR-Referentin IT, Rittal, Herborn
