Rechenzentren effizient kühlen

Rechenzentren werden i. d. R. nach nationalen Standards sowie nach internationalen Planungsgrundsätzen errichtet. Neben allgemeinen Richtlinien, wie etwa der VDI 2054 und der VDI 2047, müssen je nach Projektanforderung auch zusätzliche Normen beachtet werden, z. B. die Rechenzentrumsnorm DIN 50600.

Es gibt den klassischen Aufbau, in dem ein ganzer Raum mit Servern gekühlt werden muss. Ein Aufbau mit Einhausungen und Trennung nach Kalt- oder Warmgängen ist ebenfalls sehr beliebt, weil hierbei High-Density-Bereiche gezielter klimatisiert werden können. Zudem werden Serverschränke mit integrierter „In-Rack“-Kühlung immer wichtiger, weil dieser Klimatisierungsansatz sehr gezielt eingesetzt werden kann und gerade in etwas kleineren Rechenzentren für deutlich mehr Flexibilität sorgt. Eine Besonderheit sind zudem Rechenzentren in Outdoor-Containern, die im Bereich der Telekommunikation oder im Bereich dezen­traler IT-Lösungen wie dem Edge Computing zum Einsatz kommen.

PUE bei Rechenzentren

In Zeiten steigender Strompreise und strengerer Umweltschutzauflagen ist der Energieverbrauch für viele IT-Manager und Rechenzentrumsbetreiber ein Dauerthema, mit dem zunehmend auch spezialisierte Klimaexperten konfrontiert werden. Dies zeigt sich insbesondere im ständigen Ringen um immer niedrigere PUE-Werte (Power Usage Effectiveness) im Bereich von Neuinstallationen und Nachrüstungen. Die international genutzte Kennzahl PUE stellt den Quotienten aus dem Gesamtenergieverbrauch eines Rechenzentrums und der Energieaufnahme der IT-Komponenten dar und gibt damit Auskunft über die Energieeffizienz eines Rechenzentrums. Moderne Rechenzentren erreichen heute bereits PUE-Werte von 1,4 und darunter. Dabei spielt die Klimaanlage eine entscheidende Rolle. Ist die Klimatechnik nicht optimal ausgelegt oder veraltet, können bis zu 50 % des Gesamtenergieverbrauchs auf das Kühl- und Umluftsystem entfallen. Will man also wettbewerbsfähige PUE-Werte von 1,4 und darunter erreichen, ist eine wesentliche Maßnahme die Begrenzung des Energieeinsatzes für die Klimatisierung.

Das Gesetz zur Steigerung der Energieeffizienz in Deutschland (Energieeffizienzgesetz – EnEfG) ist am 18.11.2023 in Kraft getreten – Abschnitt 4 ist den Rechenzentren gewidmet. Hier gibt es klare Vorgaben betreffend Klimaneutralität und Effizienzen:

Rechenzentren, die vor dem 1. Juli 2026 den Betrieb aufnehmen oder aufgenommen haben, sind so zu errichten und zu betreiben, dass sie

ab dem 1. Juli 2027 eine Energieverbrauchseffektivität von kleiner oder gleich 1,5 und

ab dem 1. Juli 2030 eine Energieverbrauchseffektivität von kleiner oder gleich 1,3 im Jahresdurchschnitt dauerhaft erreichen.

Diese Anforderungen sind spätestens zwei Jahre nach Inbetriebnahme im Jahresdurchschnitt dauerhaft zu erreichen. Bei der Berechnung der Energieverbrauchseffektivität ab 1. Juli 2027 bleibt der Stromeinsatz von Anlagen, die ausschließlich der Aufwertung der Abwärme des Rechenzentrums dienen, unberücksichtigt.

Rechenzentren, die ab dem 1. Juli 2026 den Betrieb aufnehmen, sind so zu errichten und zu betreiben, dass sie

eine Energieverbrauchseffektivität von kleiner oder gleich 1,2 erreichen und

einen Anteil an wiederverwendeter Energie nach DIN EN 50600-4-6, von mindestens 10 % aufweisen; Rechenzentren, die ab dem 1. Juli 2027 den Betrieb aufnehmen, müssen einen geplanten Anteil an wiederverwendeter Energie von mindestens 15 % aufweisen; Rechenzentren, die ab dem 1. Juli 2028 den Betrieb aufnehmen, müssen einen geplanten Anteil an wiederverwendeter Energie von mindestens 20 % aufweisen.

Für diese Rechenzentren sind im Gesetz auch Ausnahmen definiert, der genaue Gesetzestext kann hier vollständig eingesehen werden: https://t1p.de/KKA-RZ2024EnEfG

Verfügbarkeitsklassen: welche Ausfallzeiten können toleriert werden?

Steigende Energiekosten und zunehmende Leistungsdichten im Rechenzentrum stellen gerade an die Klimatisierung hohe Anforderungen, da diese auch bei modernen Anlagen noch bis zu 25 % des Gesamtenergieverbrauchs eines Rechenzentrums ausmacht. Präzisionsklimatisierungssysteme und die zentrale Kälteerzeugung sparen Energiekosten und sorgen gleichzeitig für einen ausfallsicheren Rechenzentrumsbetrieb mit Verfügbarkeiten von bis zu 99,999 %. Zur Definition der Verfügbarkeitsklassen liegen heute unterschiedliche Rahmenwerke vor, z. B. die DIN 50600 oder der Leitfaden betriebssichere Rechenzentren vom Bitkom-Verband. Dieser sieht fünf Verfügbarkeitsklassen vor (Tabelle 1).

Anforderungen an die Kühlleistung durch die Leistungsdichte

Lag die durchschnittliche Nennleistung eines Serverracks vor wenigen Jahren noch bei ca. 5 bis 8 kW/h, bringen es moderne Blade-Server heute schon auf 25 bis 40 kW/h pro 19“-Schrank. Betrachtet man diese rasante Entwicklung, wird ersichtlich: An Präzisionsklimatisierungslösungen für Rechenzentren werden i. d. R. deutlich höhere Anforderungen gestellt, als etwa an herkömmliche Mono-Split-Komfortklimaanlagen, wie sie in Bürogebäuden oder Gewerberäumen zum Einsatz kommen.

Präzisionsklimatisierungssysteme verfügen über eine sehr hohe Regelgenauigkeit mit einer maximalen Abweichung von nur 1 K. Denn anders als bei der Raumklimatisierung dient die Kühlung im Rechenzentrum in erster Linie der uneingeschränkten Betriebssicherheit. Hier gilt es, die Sollwerte für Temperatur und Luftfeuchtigkeit ohne Unterbrechung rund um die Uhr exakt einzuhalten. Mit durchschnittlich 300 m³/h pro kW ist die bewegte Luftmenge eines Präzisionsklimatisierungsgerätes rund zehn Mal so hoch wie die einer herkömmlichen Komfortklimaanlage, damit die konzentrierten Wärmelasten verlässlich abgeführt werden können.

Anteil sensible und latente ­Kühlleistung

Um dies leisten zu können, verwenden Klimalösungen in Rechenzentren nahezu 100 % ihrer verfügbaren Kühlleistung zur reinen Temperaturabsenkung, der sogenannten sensiblen Kühlung. Die hohe sensible Kühlleistung ist einer der Hauptunterschiede zum Wirkprinzip herkömmlicher Raumklimasysteme. Denn Komfortklimageräte erzeugen etwa die Hälfte ihrer Kühlleistung über eine permanente Entfeuchtung der Raumluft (Bild 1). Das auch als latente Kühlung bezeichnete Prinzip setzt jedoch voraus, dass die Raumluft genügend Luftfeuchte aufweist, um überhaupt eine ausreichend hohe Temperaturabsenkung erzielen zu können. Da das in IT-Räumen jedoch quasi niemals der Fall ist, eignen sich Split-Klimasysteme eher nicht zur Kühlung von Serverräumen. Hier kommen nur hochwertige Präzisionsklimatisierungssysteme infrage, da diese Systeme für einen zuverlässigen Dauerbetrieb ausgelegt sind und dank ihres hohen Anteils an sensibler Kühlleistung sehr viel weniger Energie als herkömmliche Split-Klimageräte verbrauchen – und das bei gleichen Leistungsanforderungen.

ASHRAE Empfehlung für Zuluft­bedingungen

Im Vorfeld der Klimatisierungsplanung muss geklärt werden, welche Wärmelasten entstehen und mit welchen Temperaturen für Zuluft und Abluft geplant wird. Damit ein Rechenzentrum so effizient wie möglich gekühlt wird, hat die ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) eine Empfehlung für die Lufttemperatur am Servereintritt veröffentlicht (Bild 2). Bei Bestandsrechenzen­tren können die Lufttemperaturen vor dem Server auf bis zu 28°C angehoben werden, hier ist auf eine notwendige Motorkühlung des Ventilators zu achten. Neuere Rechenzentren können sogar mit 30°C betrieben werden, niedrigere Betriebskosten und höhere Investitionskosten und größerer Platzbedarf für die Klimaschränke sind die Folge. Bei Neubauten und großen Leistungen werden bevorzugt die Racks mit Flüssigkeitskühlung ausgestattet.Da das Rechenzentrumsgeschäft oft nach internationalen Vorgaben arbeitet, sind diese Empfehlungen auch für deutsche Rechenzentren wichtig.

Für die effiziente Kühlung spielt die freie Kühlung (mit kühler Außenluft) eine wichtige Rolle. Inzwischen gibt es viele Varianten, alle mit dem Ziel, den Energieverbrauch des Rechenzentrums zu senken und den PUE-Wert zu verbessern. Wenn es darum geht, die Effizienz von Klimaanlagen in Rechenzentren zu optimieren, sind stromsparende Komponenten wie teillastfähige Ventilatoren und Pumpen sowie eine intelligente Luftführung letztlich nur ein Teil der Gleichung. Denn der Hauptanteil des Energieverbrauchs entfällt nicht auf Ventilatoren und Filtersysteme, sondern auf die Verdichter. Deren Verbrauchsanteil liegt bei rund 80 %, während die Lüfter im Inneren des Rechenzentrums nur etwa 15 % des Klimastromverbrauchs ausmachen. Als wichtigste aller effizienzsteigernden Maßnahmen gilt daher die Minimierung der Betriebszeiten der mechanischen Kühlung. Begünstigt wird der Einsatz von Freikühlsystemen heute durch die Tatsache, dass das Temperaturniveau in Rechenzentren insgesamt deutlich höher ist als in der Vergangenheit: Während vor zwanzig Jahren die Rücklufttemperatur zwischen 22 °C und 24 °C lag, sind heute Rücklufttemperaturen zwischen 35 °C und 40 °C realistische Standardwerte, wie sie sich z. B. aus den ASHRAE-Empfehlungen für Serverlufteintrittstemperaturen ergeben. Da die Free-Cooling-Option in modernen Präzisionsklimasystemen bereits zur Kühlung genutzt werden kann, sobald die Außentemperatur etwa 5 °C unter der Rücklufttemperatur liegt, bietet selbst Mitteleuropa mit Jahresdurchschnittstemperaturen zwischen 6 °C (Österreich) und 9 °C (Deutschland) heute beste Voraussetzungen für den Einsatz von Free-Cooling-Modulen. Es stellt sich also lediglich die Frage, für welche Variante sich Rechenzentrumsbetreiber entscheiden sollten, um eine maximale Energieeffizienz zu erreichen.

Direkte und indirekte freie Kühlung

Für System zur freien Kühlung muss u. a. beachtet werden, welche Außenlufteigenschaften vorliegen. Hierzu zählen Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Reinheit. Direkte freie Kühlung sollte deshalb nur dort zum Einsatz kommen, wo die Luft möglichst wenig ungenügende Eigenschaften hat oder wo diese mit kostentechnisch akzeptablen Maßnahmen kontrolliert werden kann. Bevor die Außenluft in das Rechenzentrum gelangt, muss sie gefiltert werden. Der Vorgang kann, ebenso wie eine Be- und Entfeuchtung, aufgrund der Luftmengen aufwändig und kostenintensiv werden. Zudem ist zu prüfen, ob aus Sicherheitsgründen Einschränkung für Öffnungsgrößen von Außenwänden vorliegen.

Die indirekte freie Kühlung ist oft nicht so effizient wie die direkte freie Kühlung, da immer mindestens ein Wärmeübergang zwischen der Luft im Rechenzentrum und der Außenluft erfolgt. Wenigstens ein Wärmeübertrager ist notwendig, was einen Effizienzverlust zur Folge hat. Bei den indirekten Anlagen werden meist einstufige und zweistufige Freikühlsysteme unterschieden. Einstufige indirekte Systeme arbeiten mit einem Wärmeübergang mittels Luft/Luft-Wärmeübertrager (Bild 3). Darüber hinaus gibt es ein mechanisches Kühlsystem, das zum Einsatz kommt, wenn die Außenluft zu warm ist. Einstufige indirekte Freikühlsysteme benötigen mehr Platz im Vergleich zu Wärmeübertragern in Umluftklimageräten, da die Luft/Luft-Wärmeübertrager im Verhältnis zur Kühlleistung meist größer sind. Des Weiteren werden auch meist große Öffnungen in der Gebäudeaußenwand benötigt, um die Außenluftmengen zum Wärmeübertrager führen zu können.

Die zweistufige indirekte Freikühlung existiert heute in zwei Grundvarianten. Kleinere Rechenzentren bis 500 kW Serverleistung nutzen meist Direktexpansions-Geräte (DX) mit geschlossenem Kältemittelkreislauf, Freikühlwärmeübertrager und externem Rückkühler (Bild 4). Zwischen Klimagerät und Rückkühler zirkuliert ein Wasser/Glykol-Gemisch. Kann die Außenluft das Gemisch nicht hinreichend herunterkühlen, wird die Kälte entweder teilweise oder vollständig durch dezentrale Verdichter in den Klimageräten erzeugt. Ab einer Serverleistung von mehr als 500 kW wird das RZ entweder in Ausbaustufen zu je 500 kW unterteilt und Stufe für Stufe mit DX-Klimatisierungen versehen oder es kommen Rechenzen­trumsübergreifende Kaltwassersätze und Freikühlregister außerhalb des Gebäudes zum Einsatz. Ist die Außentemperatur nicht niedrig genug, wird ein Kältemittelkreislauf mit zentralem Verdichter zugeschaltet, der für die erforderliche Kaltwasser-Temperatur sorgt. Auch hier ist es wichtig, dass die Systeme über einen gleitenden Mischbetrieb von Kompressions- und Freikühlung verfügen, sodass die Vorteile der indirekten freien Kühlung so lange wie möglich genutzt werden können.

Unterstützung durch Adiabatik

Der Effekt der indirekten freien Kühlung lässt sich jedoch nicht nur durch gleitenden Mischbetrieb erhöhen. Eine weitere Möglichkeit, die Freikühloption so umfassend wie möglich zu nutzen, ist der ergänzende Einsatz von Verdunstungskühlung (Adiabatik). Bei dieser Technik wird die Außenluft zusätzlich befeuchtet, bevor sie auf den Wärmeübertrager trifft. Durch dieses Verfahren, das je nach Klimasystem mithilfe von Sprühanlagen oder Ultraschallbefeuchtern realisiert wird, wird die Lufttemperatur um bis zu 10 °C abgesenkt. Dadurch kann die Klimatisierung entweder länger im Freikühlbetrieb verbleiben oder der Freikühlanteil im Mischbetrieb erhöht werden. Beides trägt zur Senkung des Energieaufwands für den Verdichterbetrieb bei. Die größte Wirkung besitzt die Adiabatik naturgemäß in ariden Klimaten mit sehr trockener Luft. Doch auch in Mitteleuropa ist ihr Effekt bereits so groß, dass ein Einsatz von Vorteil sein kann. Da der Einsatz von Adiabatik auch Risiken birgt, müssen zur Vermeidung von gesundheitsschädlichen Legionellen Hygienemaßnahmen entsprechend der Verordnung über Verdunstungskühlanlagen (gemäß VDI 2047 und 42. BImSchV) umgesetzt werden.

Rechenzentrumsbetreiber, die auf freie Kühlung mit gleitendem Mischbetrieb und ergänzender Adiabatik setzen und die zudem auf eine optimierte Luftführung im Rechenzentrum achten, haben heutzutage sehr gute Aussichten, die Energieeffizienz der Anlagen signifikant zu verbessern. Darüber hinaus gibt es noch die Option, redundante Kälteerzeuger, die aus Gründen der Ausfallsicherheit im Rechenzentrum vorgehalten werden müssen, aktiv zu nutzen, um so die Klimatisierungslast breiter zu verteilen. Die Energieaufnahme der einzelnen Geräte lässt sich dadurch reduzieren, ohne dass die Sicherheit gefährdet wird. Fällt ein Gerät aus, sind die redundanten Kapazitäten weiterhin vorhanden, und es muss lediglich die Auslastung der verbleibenden Geräte erhöht werden. Wer auch noch diesen Schritt geht, hat alle Maßnahmen umgesetzt, die nach aktuellem Stand der Technik möglich sind.

Raumkühlung mit Klimaschrank über Doppelboden

Die Raumkühlung mittels Klimaschrank über einen Doppelboden kommt häufig zum Einsatz. Hier erfolgt die Kühlung über ein Umluftsystem. Bei diesem System wird ein Doppelboden von einem Präzisionsklimagerät (Klimaschrank) mit kalter Luft versorgt. Perforierte Bleche im Doppelboden führen die Kaltluft vor die 19“-Ebene, wo sie durch luftdurchlässige Türen in die Serverschränke gelangt. Nachdem die Kaltluft den Serverschrank durchströmt hat, tritt diese an der Rückseite des Schranks als Warmluft aus (Bild 5). Für einen ­optimalen Betrieb und die höchstmögliche Betriebskosteneinsparung ist es wichtig, dass das ΔT (Lufteintritt und Luftaustritt) der Klimageräte präzise und effizient an das ΔT Ihrer Serverschränke angepasst ist. Um eine sogenannte chaotische Luftführung zu vermeiden, wird die Warmluft anschließend über eine Einhausung oder über ein Luftkanalsystem, getrennt von der Kaltluft, zum Klimatisierungssystem zurückgeführt. Eine sorgfältige Trennung von Kalt- und Warmluft gehört heute zu den „Best Practices“ im Datacenter-Bereich und reduziert die Energiekosten für die RZ-Kühlung maßgeblich. Mängel in der Auslegung oder Parametrierung der RZ-Kühlung können sich selbst bei kleineren Serverräumen schon auf zusätzliche ­Energieausgaben von mehreren zehntausend Euro pro Jahr summieren.

Der Aufbau mit Doppelboden ist für kleine, mittlere und große Räume geeignet und lässt sich zum Teil in Abhängigkeit der Baugröße der Präzisionsklimaschränke auch für Großrechenzentren anwenden. Bedingt durch die unterschiedliche Größe der zu kühlenden Räume haben sich ergänzend dazu Lösungen mit Präzisionsklimaschränken bewährt, die skalierbar sind, in unterschiedlichen Baugrößen vorliegen und mit verschiedenen Kältesystemen betrieben werden. Je nach Anwendung und Projektanforderung existieren hierbei eine Vielzahl an unterschiedlichen Möglichkeiten und Kombinationen aus Innen- und Außengeräten. Angefangen beim einfachen luftgekühlten System, das nach dem Direktverdampfer-Prinzip arbeitet und die entstandene Wärmelast mittels Kältemittel zwischen Innengerät und Außengerät (Kondensator) abführt, bis zu sehr komplexen Freikühlsystemen, die hybrid aufgebaut sind, ist die Auswahl sehr groß. Darüber hinaus haben sich wassergekühlte Lösungen mit luftgekühlten Kaltwassersätzen (Bild 6) bewährt, die sich mittels Skalierung der Kaltwassersätze und auf die Leistung zugeschnittener Innengeräte mittlerweile für kleinere Rechenzentren eignen.

Um die Effizienz der Datacenter-Kühlung zu optimieren, existieren heute verschiedene Ansätze. Hohe Einsparpotenziale können dabei durch die Nutzung von freier Kühlung erreicht werden. Daneben tragen andere Faktoren wie die Luftführung zur Gesamteffizienz bei. Letztere kann mit dem AER-Wert (Airflow Efficiency Ratio) gemessen werden. Optimale EER-Werte (Energy Efficiency Ratio) lassen sich durch große Wärmeübertrager- und Filterflächen erreichen. In den Geräten sind Verdichter und Ventilatoren mit EC-Technologie zu verbauen. Im Bereich der Luftführung haben sich Gerätevarianten bewährt, bei denen sich die Ventilatoren der Klimaschränke im Doppelboden befinden und aufgrund nur minimal auftretender Turbulenzen und Luftrichtungswechsel sehr effizient laufen.

DX, Kaltwasser oder beides

Im Bereich der klassischen Klimaschränke, die für den Einbau in ein Rechenzentrum vorgesehen sind, haben sich inzwischen unterschiedliche Systemansätze und Baugrößen etabliert, da jedes Rechenzentrumsprojekt individuelle Anforderungen hat. Bei der Planung von Präzisionsklimaanlagen spielen Raumgröße, Redundanz, Betriebskosten, Schallemissionen, Verfügbarkeit und die geografische Lage eine wichtige
Rolle.

Bei der DX-Kühlung nach dem Direktverdampfer-Prinzip besteht der Kältekreislauf aus Verdampfer, Expansionsventil, Scroll-Verdichter und externem luftgekühlten Kondensator. Klimagerät und externer Kondensator sind durch einen geschlossenen Kältemittelkreislauf miteinander verbunden (Bild 7).

Kaltwasser-Systeme (CW-Chilled Water) benötigen ohne eigenen Kältekreislauf eine separate Kaltwassererzeugung. Die Raumluft durchströmt den Direktkühler, der die Wärme an das Wasser-Glykol-Gemisch abgibt. Ein Kaltwassersatz mit mechanischem Kälteerzeuger entzieht dem Direktkühler die Wärme. Klimagerät und Kaltwassersatz sind durch einen geschlossenen Wasser-Glykol-Kreislauf miteinander verbunden (Bild 8).

Neben den zwei aufgeführten Grundsystemen gibt es auch unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten zwischen den Klimasystemen, z. B. ein hybrides Kältesystem, das ein Direkt-Verdampfer-System mit indirekter freier Kühlung kombiniert. Sobald die Außentemperaturen es zulassen, schaltet das System auf Sparbetrieb um. Dabei wird die Außenluft zur indirekten freien Kühlung genutzt (Bild 9).

Ventilatorpositionierung und ­Luftführung

Für die Luftführung im Klimaschrank gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Die effizienteste ist die Variante, dass der Klimaschank auf dem Doppelboden steht und die externe Ventilatoreinheit des Schranks im Doppelboden eingebaut ist. Dabei wird die Ventilatoreinheit unterhalb des Klimaschrankes im Doppelboden platziert.

Dadurch kann im Klimagerät bei gleicher Bauhöhe ein größerer Wärmeübertrager eingebaut werden, was die Kühlleistung pro Stellfläche erhöht. Erfolgt der Luftauslass in drei Richtungen (vorne/hinten/unten) ist ein besonders hoher Doppelboden notwendig (Bild 10).

Bei Standardversionen sind die Ventilatoren im Klimaschrank integriert. Aufgrund der dadurch limitierten Platzverhältnisse im Klimaschrank verfügen diese Versionen über kleinere Wärmeübertrager. Die Luftführung ist wählbar von oben nach unten (Downflow) oder von unten nach oben (Uplow). Bild 11 zeigt einen Klimaschrank mit Upflow-Luftführung und Luftansaug horizontal aus dem Raum.

Raumkühlung ohne Doppelboden

Großrechenzentren decken den Bedarf an sehr hohen Datenmengen für Cloud-Infrastruktur und BigData-Anwendungen. Dabei ist die Skalierbarkeit der Serverinfrastruktur und der bereitgestellten IT-Dienste entscheidend. Letztendlich geht es darum, eine steigende Nachfrage nach Speicherkapazitäten schnell, sicher und kostengünstig zu bedienen und das bei niedrigsten Gesamtbetriebskosten. Diese Aspekte wirken sich direkt auf die Klimalösungen dieser Rechenzentren aus. Air Handler zeichnen sich durch eine sehr hohe Modularität aus. Ausgestattet mit optionaler freier Kühlung und einem sehr hohen Grad an Customizing-Optionen bieten sich sehr viele Möglichkeiten, um ein Großrechenzentrum sicher und effizient mit Air Handling Units (AHU) zu klimatisieren (Bild 12). Sie erfüllen internationale Standards und sind für hohe Zu- und Rücklufttemperaturen innerhalb des empfohlenen Bereichs nach den ASHRAE-TC-9.9-Richtlinien konzipiert.

AHU zur Innen- und Außen­aufstellung

Zum Einsatz kommen hier in erster Linie Kaltwasser beaufschlagte AHUs zur Innenaufstellung (Bild 13). Aufgrund der Bauweise ohne Doppelboden können z. B die Serverschränke höher gebaut und mit mehr Servern ausgestattet werden. Da der ganze Serverbereich direkt von den AHUs mit kalter Luft versorgt wird, stellt die gleichmäßige Verteilung der Kaltluft bei langen Reihen mit Serverracks dennoch eine Herausforderung dar. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ist, dass durch die Innenaufstellung der gesamten Klimalösung keine Sichtbarkeit nach außen gegeben ist und sehr niedrige Schalldruckpegel entstehen. Insbesondere für Rechenzentren im urbanen Umfeld ist das ein entscheidender Faktor.

Ergänzend zu der Innenaufstellung gibt es auch AHUs zur Außenaufstellung, die sich auf dem Dach oder neben dem Rechenzentrum platzieren lassen (Bild 14). Ausführung mit adiabater Kühlung ist möglich; sie eignen sich besonders für Rechenzentren ohne Platzeinschränkungen.

Einhausungen (Warm-/Kaltgang) mit Reihenklimageräten

Eine Kühlung von Serverschränken, die nach dem Prinzip der Warmgang-/Kaltgangeinhausung aufgebaut sind, kann mit unterschiedlichen Verfahren wie etwa klassischen Präzisionsklimaschränken oder Air Handlern klimatisiert werden. Letztendlich ist die Einhausung eine bauliche Maßnahme, die sich in unterschiedlichsten Rechenzentren realisieren lässt und unabhängig von der Klimalösung betrachtet wird.

Um die Vielfalt der Klimatisierungsmöglichkeiten aufzuzeigen, lohnt sich eine Betrachtung darüber, wie eine Warmgang-/Kaltgang-/Raum-Klimatisierung mit Reihenklimageräten umgesetzt werden kann. Statt der Integration eines Doppelbodens werden zwischen den Racks einer Schrank­reihe mehrere Stand-Alone-Klimageräte aufgestellt. Diese führen die Kaltluft via Luftleitblech horizontal vor die Racks, wo sie durch perforierte Fronttüren angesaugt und durch die Serverhardware geführt wird. Die erwärmte Abluft wird dann durch perforierte Rücktüren abgegeben, von den Klimageräten angesaugt und anschließend wieder heruntergekühlt. Die Technologie arbeitet genauso präzise wie klassische Umluftklimasysteme. Zudem steigt auf diese Weise die Effizienz der Kälteerzeugung, da die Kaltluft auf kürzestem Weg zum Rack geführt wird, sodass nur eine geringe Menge an Kühlleistung verloren geht.

Der größte Vorteil der Einhausung mit Reihenkühlern liegt in ihrer Flexibilität. Das System ist skalierbar und für kleine, mittlere und große Räume geeignet. Außerdem ist es unabhängig von Doppelböden und kann als Einhausung auch nachträglich als Ergänzung in ein bestehendes Rechenzentrum eingebaut werden, z. B. für eine Kühlung von Bereichen mit sehr hohen Wärmelasten.

Bei der Kaltgangeinhausung (Bild 15) werden Seitenkühl-Einheiten mit einer Luftführung nach vorn eingesetzt. Die Klimageräte kühlen nicht mehr die benachbarten Racks, sondern den gesamten Kaltgang. Für eine optimale Versorgung mit kalter Luft werden die Geräte versetzt zueinander aufgestellt. Mithilfe der Einhausung wird die Durchmischung der Luftströme vollständig unterbunden und ein effizienter Betrieb sichergestellt.

Bei der Warmgangeinhausung (Bild 16) werden Seitenkühler mit seitlicher Luftführung eingesetzt (Bild 17). Durch das seitliche Ausblasen der kalten Luft wird eine gleichmäßige Verteilung über die ganze Länge des Ganges sichergestellt und mittels Einhausung werden die kalte und warme Luft räumlich voneinander getrennt. Die Durchmischung der Luftströme wird vollständig unterbunden, was die Effizienz der Rack-Kühlung weiter steigert.

Fazit

Neben der Einhaltung einer hohen Betriebssicherheit, welche über fünf Verfügbarkeitsklassen definiert wird, ist der effiziente Betrieb ein absolutes Muss. Aufgrund sich ständig weiter entwickelnden Servertechnologien mit hohen Rücklufttemperaturen kann auf eine stromintensive Kompressionskühlung immer öfter im Jahr verzichtet werden. Wenn zudem das Abwärmepotenzial sinnvoll genutzt werden kann, z. B. als Wärmequelle für Großwärmepumpen zur Quartiersheizung, dann lassen sich die Energieverbräuche stark reduzieren.