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Kühlung durch Außenluft

Text: Norbert Keil, APC by Schneider Electric Grafiken: APC by Schneider Electric
Wenn Rechenzentren auf Hochtouren laufen, kostet das viel Energie. Bei herkömmlichen IT-Systemen erweist sich die Klimatisierung als wahrer Energiefresser. Mit Hilfe neuer Kühltechnologien sind aber zum Teil Power-Usage-Effectiveness-Werte von bis zu 1,02 möglich.

Wer bei seinem Rechenzentrum langfristig Kosten sparen möchte, ist gut damit beraten, bei der Kühltechnologie anzusetzen: Etwa die Hälfte der erforderlichen Energie eines Rechenzentrums geht auf ihr Konto. Hinzu kommt, dass Kühlsysteme meist die größte Fehlerquelle darstellen. Eine komplexe Infrastruktur in Verbindung mit Bauteilen verschiedener Hersteller führt zu lästigen Störungen. Robuste und zudem effiziente Systeme sind daher die beste Investition für die Zukunft.

Messbarkeit der Energieeffizienz

Einen Maßstab für die Energieeffizienz liefert der sogenannte PUE-Wert (Power Usage Effectiveness). Er bezeichnet das Verhältnis zwischen der insgesamt für das Rechenzentrum verbrauchten Energie und der Energie, die tatsächlich nur für das Rechnen oder Speichern verwendet wird. Ideal ist ein PUE-Wert nahe an eins, doch noch immer liegen Kühlsysteme häufig bei Werten über zwei.

Warmgang- und Kaltgang-Modell

In der Branche sind verschiedene Modelle verbreitet, um die Wärme aus dem IT-Bereich abzuführen. Beim Warmgangmodell etwa werden die IT-Schränke mit den Rückseiten gegenüberliegend in zwei Reihen aufgestellt. Luft durchströmt das IT-Equipment von außen nach innen und dabei sammelt sich die Abwärme zwischen den beiden Schrankreihen. Dieser Bereich ist abgeschottet und bildet den Warmgang. Die Kühlung erfolgt hier durch leistungsfähige Reihenkühlgeräte, die die Luft beispielsweise über einen geschlossenen Wasserkreislauf auf die gewünschte Server-Luftansaugtemperatur herunterkühlen und wieder zurück in den IT-Raum leiten.

Ein anderes Prinzip ist die Kaltgang-Lösung mit Doppelbodenkühlung. Sie geht den umgekehrten Weg. Die Vorderseiten der IT-Schränke stehen sich gegenüber, die Abwärme des eingebauten IT-Equipments wird frei in den Serverraum oder das Rechenzentrum abgegeben und zwischen den Schränken entsteht eine kalte Zone. Die erwärmte Luft im umgebenden Raum steigt nach oben und sammelt sich als Warmluftpolster unter der Decke. Von dort aus wird sie mittels Raumklimaanlage abgesaugt, mittels Raumklimaanlage gekühlt und anschließend über einen Doppelboden wieder in den Kaltgang zwischen den IT-Schränken eingespeist.

Der Vorteil beider Systeme liegt auf der Hand: Da Warm- und Kaltluft sich nicht vermischen, wird die Effizienz des Kühlsystems signifikant verbessert.

Direkte und indirekte freie Kühlung

Insbesondere in den letzten Jahren hat sich einiges im Bereich der Kühltechnik für Rechenzentren getan. Neue Rahmenbedingungen der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), einem weltweit anerkannten Verband, der Standards für Gebäudetechnologie setzt, haben den Grundstein für alternative Technologien gelegt. Betriebsumgebungen dürfen nun wärmer, kälter, feuchter oder trockener sein als zuvor, ohne dass die IT schon als gefährdet gilt.

Gerade in kühleren Regionen wurden in den letzten Jahren neue Konzepte erprobt, bei denen die Rechenzentren mithilfe von Außenluft gekühlt werden. Dies ist auf zwei Arten möglich: Bei der direkten Kühlung wird die Außenluft ins System eingeschleust. Dies bietet insbesondere bei sehr kalten Umgebungstemperaturen viel Raum für Einsparungen, ist jedoch auch mit einigem Aufwand verbunden. So müssen beispielsweise spezielle Filteranlagen die Luft zuerst reinigen. Trotzdem können bei diesen Systemen aber immer Schadstoffe aus der Außenluft in den IT-Bereich gelangen. Bei der indirekten freien Kühlung hingegen wird die Luft nicht direkt in den Serverraum eingespeist, sondern über Wärmetauscher in den Kreislauf eingebunden.

Das Unternehmen APC by Schneider Electric hat ein neues System entwickelt, das zwei Konzepte miteinander verknüpft: EcoBreeze setzt zum einen auf das Warmgang-Prinzip und zum anderen auf eine indirekte Verdampfungskühlung. Hier wird eine zusätzliche Effizienzsteigerung erreicht, indem die Außenluft bei Bedarf mittels Sprühwasser abgekühlt wird, bevor sie zur Kühlung der IT-Luft genutzt wird.

Die Warmgangeinhausung wird über ein Luftkanalsystem mit dem Klimagerät verbunden. Die heiße Luft steigt zunächst nach oben und wird dann in den EcoBreeze gesaugt und durch den Luft-Luft-Kreuzstromwärmetauscher abgekühlt. Hierbei wird der wärmeren IT-Raumluft Energie entzogen, indem der kältere Außenluftstrom diese aufnimmt. Bei diesem System kreuzen sich Abluft und Außenluft zwar, fließen aber stets durch getrennte Rohre. Eine Vermischung ist dadurch nicht möglich. Die gekühlte Luft wird in den Doppelboden zurückgeführt und durch die perforierten Platten an der Vorderseite der Serverschränke geleitet. Sie hält die Server auf einer sicheren Betriebstemperatur.

Kalte Außentemperaturen nutzen

Meist reicht bei den Temperaturen hierzulande die Außenluft zur Kühlung aus. Das System nutzt die Vorteile der indirekten freien Kühlung und schließt die Nachteile direkter freier Kühlung aus. Reicht die Außenluft einmal nicht aus, kommt die Verdampfungskühlung hinzu. In über 8000 Stunden im Jahr kommt das Kühlsystem auf diese Weise ohne Kompressor aus und liegt mit einem Teil-PUE-Wert von 1,02 deutlich vor alternativen Systemen. Je nach Serverstruktur und produzierter Abwärme, wird ab Temperaturen über 30 °C der stetig regelbare Kompressor hinzugeschaltet. Sensoren messen die Temperatur am Luftaustritt und steuern den Kompressor. Diese Steuerung kann außerdem in die Software InfraStruxure integriert werden. Das Tool zur Planung und Verwaltung von Rechenzentren ermöglicht es, Werte in Echtzeit zu überwachen. In kritischen Situationen kann der IT-Manager damit schnell auf Störungen reagieren.

Das System wird insbesondere den Anforderungen der Telekommunikationsbranche, Rechenzentrums-Dienstleistern und Cloud-Servicen gerecht und ist aufgrund der architektonischen Vorraussetzungen besonders für Neubauten geeignet, da das außen aufzustellende Gerät möglichst nahe am IT-Raum platziert werden sollte. Die beiden kompakten Geräterahmen mit 200 oder 400 kW Gesamtleistung sind in 50-kW-Module unterteilt. Das spart in der IT Platz und es bleibt mehr Raum für Rechner - das Rechenzentrum ist effektiver. Da sich die Module an den Leistungsbedarf des IT-Raumes anpassen lassen, wächst das Kühlsystem mit der IT mit und lässt sich erweitern. Durch diese modulare Bauweise ergeben sich auch Vorteile hinsichtlich der Skalierbarkeit und Redundanz.

Unterschiedliche Lösungen können optimal sein

Eine ideale Lösung für alle Zwecke gibt es nicht. Deshalb erweisen sich je nach baulicher Vorraussetzung unterschiedliche Systeme als optimal, denn vorhandene Einrichtungen lassen sich nicht ohne größere Investitionen umbauen. Generell gilt es einige Punkte zu beachten, um mit dem Kühlsystem Energie zu sparen.

Eine zeitgemäße Rack-Anordnung hilft, kalte und warme Luftströme voneinander zu trennen. Modulare Kühlungsstrategien bieten dabei Vorteile, die Rechenzentrumsmanager im Hinterkopf behalten sollten. So ist es sinnvoller nachzurüsten wenn die Kühlleistung nicht mehr ausreicht, anstatt direkt für eine mögliche Erweiterung zu planen und damit die Investitions- und Betriebskosten höher als dringend notwendig zu halten. In jedem Fall bietet es sich in Deutschland an, die Vorteile der freien Kühlung zu nutzen. Systeme, die dabei außerdem auf Verdampfungskühlung setzen, erreichen momentan die höchste Energieeffizienz.

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