Rack-, Reihen- oder Raumkühlung?

Einer der größten Energiefresser im Rechenzentrum ist die Kühlung. Im ungünstigsten Fall entfällt auf sie ein Drittel des gesamten Stromverbrauchs. Ein Blick auf die verfügbaren Kühlkonzepte lohnt sich für Unternehmen. Es stehen prinzipiell drei Möglichkeiten zur Verfügung: das Rack-, Reihen- oder Raumkühlkonzept. Alle drei Ansätze unterscheiden sich hinsichtlich Auslegung und Betrieb. Was aber sind weitere Unterscheidungsmerkmale der drei Konzepte? Und welche Methode wird gerade bei kleineren Rechenzentren (RZ) am besten eingesetzt?

Emerson Network Power hat anhand eines Modellrechenzentrums untersucht, wie die drei Umluft-Klimalösungen ausgelegt sind und wie sich die Kosten für Investition, Betrieb und Wartung in einem Zeitraum von zehn Jahren verhalten. Das Modellrechenzentrum befindet sich am Standort Frankfurt und hat eine Nennlast von 1000 kW. Auch wenn die Last deutlich über dem liegt, was für Rechenzentren in mittelständischen Unternehmen üblich ist, gelten die wesentlichen Erkenntnisse auch für Rechenzentren mit deutlich kleineren Lasten, wie sie in kleineren und mittleren Unternehmen vorkommen. Alle Systeme und Komponenten der RZ-Infrastruktur (außer Umluft-Klimatechnik) sind in allen drei Szenarien identisch, um die Vergleichbarkeit gewährleisten zu können. Die Gesamtkosten werden für jeweils drei Szenarien ermittelt: Den Betrieb bei 30, 60 und 90 Prozent der Nennlast. Die maximal erlaubte Zuluft-Temperatur beträgt 25 °C und liegt somit noch knapp unter dem maximal zulässigen Wert gemäß der Empfehlungen der American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) TC9.9.

Im IT-Raum sind 100 Racks (2200Hx1200Tx800B) aufgestellt, zehn Reihen mit je zehn Racks. Es wird ein durchgängiges Warmgang-Kaltgang-Prinzip umgesetzt. Die Fläche des Raumes beträgt 262 m² und hat eine Raumhöhe von 2,7 m. Außerdem wird ein klassisches kühlwasserbasiertes System eingesetzt.

Folgende Ergebnisse ergaben sich mit den drei verschiedenen Kühlsystemen im Modellrechenzentrum:

Variante 1: Rack-Kühlung

Bei dieser Kühlmethode wird ein passiver Schrankrücktür-Kühler in das Rack eingebaut. Dabei handelt es sich in der Regel um Luft-Wasser-Wärmeüberträger, die in die Rücktür eines Serverschranks inte­griert sind. Der Wärmeüberträger dient zur Abführung von Wärmelasten von bis zu 35 kW aus Serverschränken. Es sollte immer möglich sein, die Konfiguration so einzustellen, dass keine thermischen Lasten an den Aufstellungsraum abgegeben werden. Bei dieser Art der Kühlung stehen die Racks bevorzugt „back-to-back“ (nach dem Kaltgang-Warmgang-Prinzip) und müssen große Luftvolumenströme aus dem Gang hinter den Racks ohne große Druckverluste vor die Racks bringen.

Die Rack-Kühlung bietet einige Vorteile. Für sie ist weder ein Doppelboden noch eine abgehängte Decke erforderlich. Ebenso müssen keine Zwischenwände oder geschlossenen Zwischendecken eingezogen werden. Allerdings wird bei der Rack-Kühlung etwas mehr Raumhöhe benötigt. Wird erlaubt, dass die Zwischengänge etwas schma­ler als üblich gestaltet werden, entsteht kein zusätzlicher Flächenbedarf. Bei hoher Wärmelastdichte erreicht die Rack-Kühlung den besten Wert für die Power Usage Effectiveness (PUE) (mech).

Variante 2: Reihenkühlung

Setzt man im Rechenzentrum auf die Reihenkühlung, werden Rack-Kühlgeräte zur seitlichen Installation eingesetzt. Bei diesen Kühlgeräten ziehen die Lüfter Luft von der Rückseite des Racks, kühlen diese im Wärmetauscher und geben sie dann an die Vorderseite ab.

Durch das Hinzufügen der Reihenkühlungseinheiten werden die Gänge länger, wodurch ein erhöhter Platzbedarf im Vergleich zu Variante 1 entsteht. Da kein Doppelboden oder abgehängte Decken erforderlich sind, hat diese Kühlmethode keine Auswirkungen auf die Geschosshöhe. Werden Kühlgeräte auf Basis der konventionellen offenen Reihenkühler eingesetzt, ist die Trennung der warmen und kalten Luft nach dem Kalt- und Warmgang-Prinzip umzusetzen. Wird ein Rack-Kühlgerät wie der „Knürr DCL“ als Hybrid-Version im Rechenzentrum verwendet, ist auch ohne Kalt- und Warmgang das Kaltraumprinzip erfüllt und der gesamte Raum kalt. Allerdings müssen bei der Reihenkühlung mehr Kühleinheiten eingesetzt werden als bei der Rack-Kühlung, da sie re­dundant pro Schrankreihe vorzuhalten sind. Gegebenenfalls ist zusätzlich ein Air Handler erforderlich, um die Luft zu filtern und die Feuchtigkeit im erlaubten Bereich zu halten.

Bei einer Last von 90 Prozent steigt der PUE (mech) leicht an im Vergleich zu den beiden anderen Varianten.

Variante 3: Klassische Raumkühlung

Bei diesem Kühlprinzip muss im Raum einmal die geforderte Anzahl an Redundanzgeräten vorgehalten werden. Eine weitere Voraussetzung ist ein Doppelboden für die Kaltluftverteilung, was alternativ auch über abgehängte Decken für die Rückluft umgesetzt werden kann. Die Trennung von kalter und warmer Luft wird über Einhausungen der Kaltgänge bzw. einem Warmgangkanal zur Decke erreicht.

Bei dieser Kühlvariante bleibt der Flächenbedarf für die IT (Racks) unverändert. Durch die Klimaspange ergibt sich jedoch ein Flächenmehrbedarf von 60 m² Facility Management (FM)-Fläche gegenüber dem Ausgangsszenario. Anders als bei den ersten beiden Methoden erfordert die klassische Raumkühlung eine größere Geschosshöhe wegen des Doppelbodens sowie den Einhausungen. Das Kaltraumprinzip wird hier nicht erfüllt, sondern der Großteil des Raums ist ein Warmbereich.

Im Gegensatz zu den anderen beiden Kühlmethoden sind bei der Raumkühlung die höchsten Kühlwasser(KW)-Temperaturen möglich, wodurch der Energieeinsatz für die Kälteerzeugung im Vergleich am geringsten ist. Ein weiteres Plus: Im IT-Raum selbst ist keine KW-Verrohrung erforderlich und der PUE (mech) erreicht bei geringer Wärmelastdichte den besten Wert.

Fazit

Während die Rack- und Reihenkühlung die Kalt- und Warmtrennung integriert haben, ist bei der Raumkühlung eine Einhausung erforderlich. Die Reihen- und Raumkühlung benötigen zusätzliche Fläche, die Rack- und Raumkühlung größere Geschosshöhen. Unternehmen müssen also im Einzelfall und entsprechend der jeweiligen örtlichen Gegebenheiten – Fläche und Geschosshöhe, zusätzlich erforderliche Maßnahmen und deren Kosten etc. – entscheiden, welches Modell für sie am besten passt. Gerade für kleinere Rechenzentren mit bis zu 20 Racks eignen sich die Raum- und die Reihenkühlung.