Green-IT im Rechenzentrum. Studie im Rahmen des Netzwerkes Green IT Berlin Brandenburg

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1 Green-IT im Rechenzentrum Studie im Rahmen des Netzwerkes Green IT Berlin Brandenburg Januar 2010

2 Anschrift E-COMPANY AG Kastanienallee 22 D Berlin Tel.: (030) Fax: (030) Internet: Ansprechpartner für dieses Dokument: Christopher Dahme Consultant E-COMPANY AG Tel.: (030) Copyright 2010 E-COMPANY AG Änderungen an diesem Dokument, dessen Vervielfältigung sowie die Weitergabe an Dritte bedürfen der schriftlichen Zustimmung von der E-COMPANY AG GreenIT BB Januar

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Best Practices Allgemeine Optimierungsmöglichkeiten Unmittelbar Mittelfristig Konzeptionell Verfügbarkeit Energieversorgung Unterbrechungsfreie Stromversorgung Kabelführung Stromkreise Messung Management Klimatisierung Luftkühlung Wasserkühlung Rückkühlung Freie Kühlung Sorbtionskältetechnik und solarthermisch Kühlung Grundwassernutzung Abwärmenutzung Sonstige bauliche Maßnahmen Brandschutz Containerlösungen Management und Monitoring Monitoring Sensoren IT - Hardware Solid State Drive Thin Provisioning Bladesystem Ausblick Anhang GreenIT BB Januar

4 1 Einleitung Der prognostizierte Klimawandel bedroht unseren Planeten und wird massiv unseren Lebensstil beeinflussen. Um den globalen Temperaturanstieg einzudämmen, müssen die CO2-Emissionen rapide gesenkt werden. Die IT-Branche ist weltweit für rund 2 Prozent der Emission verantwortlich (entspricht etwa der Größenordnung der Emissionen der Luftfahrt) - Tendenz steigend. Unter dem Stichwort Green-IT versteht man daher Bestrebungen, die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologie über deren gesamten Lebenszyklus hinweg umweltfreundlich und ressourcenschonend zu gestalten. Dies schließt das Design der Systeme, die Produktion der Komponenten, deren Verwendung bis hin zur Entsorgung oder dem Recycling der Geräte mit ein. Die Produkte der IT-Branche prägen mittlerweile fast alle Aspekte des täglichen Lebens. Die rasante Entwicklung in diesen Bereichen bedeutet aber auch einen stetig wachsenden Energiebedarf. Daher stehen bei der Green-IT die Themen Energieeinsatz bei der Nutzung und Energieeinsatz durch dessen Nutzung im Vordergrund. Zum Beispiel kann das Anwenden von IT-Technik in Form von Videokonferenzanlagen oder zentral gesteuerter Ablesedienste Dienstreisen ersetzen und so die CO2-Emission verringern. Die größten Stromfresser in der IT-Branche und damit hauptverantwortlich für die C02- Emissionen sind jedoch die Rechenzentren mit deren Servern. Für viele Rechenzentren wird der Energieverbrauch in den kommenden Jahren zu einem der größten Kostenfaktoren. Schon heute gilt auf einen investierten Euro in Hardware Stromkosten von 50 Cent im Lebenszyklus eines Server. Daher sollte sich Energieeffizienz finanziell auch rechnen. Nur selten nehmen Anwender höhere Kosten in Kauf, um bewusst die Umwelt zu schützen. Insbesondere in schwierigen wirtschaftlichen Zeiten neigen IT- Verantwortliche dazu, Green-IT-Projekte auf die lange Bank zu schieben. Doch Investitionen in energieeffiziente Produkte und Prozesse amortisieren sich betriebswirtschaftlich meist in erstaunlich kurzer Zeit. Bei richtigem Ansatz können sich allein durch die erreichten Energieeinsparungen Investitionen für die Einrichtung eines modernen grünen IT-Betriebes innerhalb von wenigen Jahren gelohnt haben. Konsolidierung, Virtualisierung und der Einsatz effizienter neuer IT-, Klima- sowie Stromversorgungstechniken sind hier als Hauptschlagwörter zu nennen. Der Senkung des Energieverbrauchs steht aber meist ein Kostenrechnungsproblem entgegen. Laut verschiedenen Studien bestätigen über die Hälfte der IT- Verantwortlichen, den Energieverbrauch ihres Rechenzentrums überhaupt nicht zu kennen, beziehungsweise zu überwachen. Grund dafür ist, dass die Zuständigkeit und Budgetierung häufig in den Aufgabenbereich des Verwaltungs- oder Gebäudemanagements (Facility Management) fällt. Daher ist es wichtig, dass IT- und Facility Management besser miteinander kooperieren. Nur so können Ausgaben reduziert, Energie sinnvoll eingespart und gleichzeitig die Umwelt geschont werden. Die Ansätze für den Betrieb einer Green-IT sind also vielseitig und meist schon in Teilen in den heutigen Rechenzentren umgesetzt. Diese Studie beschäftigt sich mit dem Teilaspekt der Best Practices in Rechenzentren - angefangen von den neusten Entwicklungen der Technik über den optimalen Nutzen der Versorgungsinfrastruktur bis hin zum Einsatz stromsparender IT-Hardware. GreenIT BB Januar

5 2 Best Practices Generell lassen sich die Methoden zur Effizienzsteigerung im Rechenzentrum in zeitlich unterschiedlich handhabbare Gruppen einteilen. Sie werden im folgenden kurz zusammengefasst und anschließend genauer beschrieben. 2.1 Allgemeine Optimierungsmöglichkeiten Unmittelbar Generell sollte zuerst gemessen und der tatsächliche Bedarf an Kühlkapazität und Energieversorgung im Rechenzentrum festgestellt, sowie das Alter der IT-Geräte datiert werden. Mit Hilfe eines Thermal Assessments können Schwachstellen in der Luftführung und damit der Klimatisierung der IT-Technik aufgedeckt werden. Relativ einfach lassen sich danach die Anordnung der Schlitzplatten im Doppelboden optimieren beziehungsweise neu ausrichten oder durch Austausch besser dimensionieren. Auch der Doppelboden selbst sollte allgemein abgedichtet werden, um ungewollte Quer- und Rückströme zu vermeiden. Eine ungehinderte Luftzu- und abfuhr zu beziehungsweise von den Servern sollte ermöglicht werden. Lastenverteilung oder Maßnahmen wie das Beschatten von Rückkühlern lassen sich relativ einfach und schnell umsetzen Mittelfristig Generell sollte eine Rechenzentrum permanent überwacht und der Verbrauch gemessen werden. Nach einer optimalen Aufstellung der Racks nach dem Kalt-Warm-Gang Prinzip gegebenenfalls unter Gangeinhausung lässt sich auch über das Anheben der Raumtemperatur im Rechenzentrum nachdenken. Generell wird hier von einer Energieeinsparung von 3 Prozent pro angehobenem Grad Kelvin gesprochen. Die Optimierung beziehungsweise richtige Dimensionierung der Klimaanlage (Abstände zu den Racks, Luftführung) und der Stromversorgung (modulare unterbrechungsfreie Stromversorgung) sollte mittelfristig geplant werden. Auch über den Einsatz von wassergekühlten Racks, um erhöhte Wärmelasten abzuführen oder Hot Spots zu vermeiden, sollte nachgedacht werden Konzeptionell Generell sollten die Lasten allgemein verringert werden. Jedes Kilowatt, welches nicht durch die IT verbraucht wird, muss auch nicht unter zusätzlichem Energieaufwand als Abwärme abgeführt und rückgekühlt werden. Durch Virtualisierung, Konsolidierung und Einsatz moderner energiesparender IT-Komponenten ist hier viel zu erreichen. Eine optimierte Raumplanung wird dann möglich. Auch der Einsatz von freier Kühlung oder anderer alternativer Kühlungsmöglichkeiten (Kühlen mittels Grundwasser, Absorbtionskälte durch Fernwärme) sollte bei einer konzeptionellen Planung Richtung grünes Rechenzentrum berücksichtigt werden Verfügbarkeit Generell ist der Anspruch an die permanente IT-Verfügbarkeit in den letzten Jahren ständig gestiegen und ein Ausfall von wenigen Stunden ist für viele Betreiber von Rechenzentren nicht mehr vertretbar. Doch Verfügbarkeit hat auch ihren Preis. Redundante Versorgungstechnik kostet nicht nur in der Anschaffung, sondern verbraucht selbst im Standby-Betrieb Energie. Daher ist es sinnvoll, über die wirklich benötigten Redundanzen nachzudenken und das Rechenzentrum gegebenenfalls in mehrere unterschiedliche Verfügbarkeitszonen einzuteilen. GreenIT BB Januar

6 2.2 Energieversorgung Die Infrastruktur eines Rechenzentrums muss für den Energiebereich prinzipiell zwei Probleme lösen: sichere Bereitstellung der notwendigen Energie und eine ausreichende Abfuhr der entstehenden Wärme. Diese beiden Punkte bilden wesentliche Kostenfaktoren beim laufenden Betrieb und beeinflussen in erheblichem Maße die Effizienz eines Rechenzentrums. Die notwendigen Infrastrukturtechniken für Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Stromverteilung (PDM), Kältemaschinen (CRAC) und Kühler und Kaltwassersatz (Chiller) verschlechtern die Effizienz des Rechenzentrums umso mehr, je schlechter der einzelne Wirkungsgrad dieser Komponenten ist. Vereinfacht dargestellt definiert sich die Effizienz des Rechenzentrums wie folgt: Leistungsaufnahme IT Effizienz (PUE) = (PUE = Power Usage Effectiveness) Leistungsaufnahme RZ Den PUE so gering wie möglich zu halten, ist daher das Ziel eines jeden Rechenzentrumsbetreibers. Eine Studie der TU Berlin hat bei den untersuchten Rechenzentren in Deutschland einen gemittelten Wert von 1,7 ergeben. Bis vor kurzem waren Werte deutlich über 2 durchaus üblich. Bei einem Wert von 3 würde dies zum Beispiel bedeuten, dass nur rund ein Drittel der Energie im Rechenzentrum wirklich von der IT direkt genutzt wird. Der Rest wird für die Energieversorgung und Klimatisierung benötigt. Daher ist eine geeignete Planung und Umsetzung eines Einsatzes zur effizienteren Kühlung und Energieversorgung der Rechenzentren heute unabdingbar. Energieverbrauch im Rechenzentrum Übersicht (Quelle: APC) Unterbrechungsfreie Stromversorgung Oft wird bei der Planung eines Rechenzentrums die Infrastruktur auf die maximale Serverausbaustufe ausgelegt. Das bedeutet, dass vor allem USV und Kühlung in den ersten Jahren des Betriebes massiv überdimensioniert sind. Hierbei fallen nicht nur sehr hohe Anschaffungskosten an, die Geräte laufen schlimmstenfalls nicht annähernd bei ihrer Maximallast und dadurch mit einem deutlich schlechteren Wirkungsgrad. Eine normale 40kW-USV hat beispielsweise bei einer 90 prozentigen Auslastung einen Wirkungsgrad von circa 95 Prozent. Betreibt man sie stattdessen mit nur einem Viertel der Last, so sinkt der Wirkungsgrad auf unter 90 Prozent ab. Der verschlechterte Wirkungsgrad zieht einen reinen Energieverlust auf Grund schlechter Dimensionierung GreenIT BB Januar

7 nach sich und wird im Vorfeld sogar noch teuer eingekauft (größere USV = höhere Anschaffungskosten). Ähnliche Rechnungen lassen sich im Bereich der Kühlung aufstellen. Hier müssen also Lösungen gefunden werden, die während der gesamten Lebensdauer eines Rechenzentrums einen bestmöglichen Wirkungsgrad der Komponenten gewährleisten. Dies wird erreicht, in dem die Infrastrukturkomponenten wie USV und Stromverteilung in einem optimalen Wirkungsgradbereich laufen, sie also direkt auf den aktuellen Verbrauch ausgelegt sind, mit der Option später zu wachsen. Dies lässt sich ideal mit modularen Systemen erreichen. Solche Systeme können beispielsweise direkt als Rack-Lösung in den Rechenraum integriert werden. Es empfiehlt sich jedoch die USV auf Grund der hohen Wärmeabgabe der Technik immer außerhalb des Rechenraumes zu positionieren. Aus dem gleichen Grund sind gegebenenfalls USV und Batterien räumlich voneinander zu trennen. Batterien erreichen ihre maximale Haltbarkeit bei Raumtemperaturen um die 20 bis 22 C. Eine USV kann auch bei wesentlich höheren Temperaturen eingesetzt werden und muss nicht unnötig kostenintensiv auf die benötigte Temperatur für die Batterien abgekühlt werden. Load IT Load IT Load IT Load Load IT Load Load IT Load IT Load IT Load Load IT Load Nicht Modulare Architektur (links) im Vergleich zur Modularen Architektur (rechts) Kapazität Energie / Kühlung Nutzung durch IT (Quelle: APC) Prinzipiell lassen sich drei verschiedenen USV-Typen unterscheiden: VFD, VI, VFI. Geräte des VFD-Typs (Voltage and Frequency Dependent) laufen im sogenannten Offline Betrieb. Bei Stromausfall erfolgt eine Umschaltung mit einer Verzögerung von bis zu 10 Millisekunden (ms). Für einige daran angeschaltete sehr empfindliche Geräte kann dies bereits zu lange sein. Bei den VI-Typen (Voltage Independent) ist die Umschaltzeit wesentlich kürzer (2-4 ms). Zusätzlich schützen diese USVs nicht nur vor den Folgen eines Stromausfalls, sondern auch vor Unterspannung und Überspannung. Die hochwertigsten aber auch teuersten Modelle des VFI Typs (Voltage and Frequency Independent) werden auch Online -USV genannt. Sie schützen permanent vor Spannungsschwankungen, Stromausfällen sowie Schwankungen der Frequenz und sogenannten Oberschwingungen. Da die Stromversorgung aber ständig über Gleich- und Wechselrichter läuft, sind die schon beschriebenen Verluste im Wirkungsgrad mit einzuplanen Kabelführung Es ist zu empfehlen, so umfassend wie möglich fest zu verkabeln. Dies fördert eine fachgerechte Belegung der Trassensysteme im Doppelboden oder unter der Decke. Auch wenn nur wenige Schränke vernetzt werden, ist es zweckmäßig, in den Schranksystemen Patchfelder für den Anschluss der Server und eine feste Verbindung dieser Patchfelder an den Netzknoten im Serverraum zu installieren. Dies ist günstig für GreenIT BB Januar

8 eine intelligente Kabelführung. Bei immer schnelleren Netzen in Verbindung mit Kupferverkabelung ist es unerlässlich, Strom- und Datenkabel getrennt voneinander einzuführen, damit sie sich nicht gegenseitig durch Störeinstrahlung beeinflussen. Lichtwellenleiter sind von dieser Störstrahlung unbeeinflusst. Wenn keine baulichen Gründe dagegen sprechen, ist in vielen Fällen eine Kabelführung über Trassen, die unter der Decke des Serverraums verlaufen, der Kabelführung durch den Doppelboden vorzuziehen. Meist dient der Doppelboden der Klimatisierung und eine Doppelboden- Verkabelung kann die Führung der benötigten Kühlluft beeinträchtigen. Eine schlechte Luftzufuhr zu den IT-Geräten bedeutet immer auch einen Mehraufwand an Energie bei der Luftumwälzung, um die benötige Kaltluft bereit zu stellen. Aus dem gleichen Grund ist es bei einer erhöhten Packungsdichte durch IT-Geräte in den Rackschränken auch angebracht, über den Einsatz von breiteren Schränken für eine angemessene Kabelführung innerhalb des Schrankes nachzudenken. Die vielen meist für einen redundanten Anschluss geführten Kabel hinter den Servern können bei engen Räumen für die abzuführende Warmluft wie eine Kabelwand wirken. Die Lüfter der IT-Geräte müssen deutlich mehr Energie aufwänden und gegen einen Widerstand arbeiten. Dies wirkt sich negativ auf die Kühlung und damit die Energieeffizienz der IT-Geräte aus Stromkreise Die meisten auf dem Markt erhältlichen IT-Geräte verfügen über doppelt redundante Netzteile. Um die eingebaute Redundanz des IT-Geräts zu nutzen, sollten zwei voneinander unabhängige Stromkreise vorgesehen werden, die zu jedem Rack geführt werden. Idealerweise sollten beide Stromkreise an unterschiedliche Stromquellen angeschlossen und in der Lage sein, die gesamte prognostizierte Lastkapazität des Racks zu unterstützen. Da Racks mit niedriger Dichte problemlos über eine Phase versorgt werden können, ist es sinnvoll, die Phasen am Ausgang der installierten Stromverteilungseinheiten (PDU = Power Distribution Units) voneinander zu trennen und einzelne Phasen in die verschiedenen Racks einzuspeisen. Bei Lastdichten von mehr als 5 kw pro Rack empfiehlt es sich jedoch, die Racks mit Dreiphasenstrom zu versorgen. Eine dreiphasige Stromversorgung auf Rack-Ebene bietet mehrere Vorteile, darunter erstens niedrigere Verkabelungskosten: Lasten von mehr als 5 kw innerhalb eines Racks können ebenso gut über einen einzigen dreiphasigen Stromkreis wie über mehrere einphasige Stromkreise unterstützt werden. Je weniger Stromkreise zu den einzelnen Racks geführt werden müssen, desto niedriger sind die Verkabelungskosten. Der zweite Vorteil ist die größere Zuverlässigkeit der Elektroinfrastruktur: durch eine dreiphasige Stromversorgung und die Nutzung von Rack-installierten Stromverteilungseinheiten mit Phasenmessfunktionen verfügen RZ-Betreiber über bessere Voraussetzungen für eine gleichmäßige Lastverteilung auf alle drei Phasen. Durch eine gleichmäßige Lastverteilung werden Oberwellen minimiert und Überhitzungen des Nullleiters verhindert. Hinzu kommt die größere Zuverlässigkeit der IT-Infrastruktur: Eine geringere Anzahl von Stromkreisen sorgt für eine bessere Luftzirkulation, wodurch wiederum einer Überhitzung von Geräten vorgebeugt wird. Durch die höhere Kapazität dreiphasiger Stromkreise bleibt außerdem mehr Spielraum für zukünftige Erweiterungen, sodass zusätzliche Geräte installiert werden können, ohne die Stromversorgung der vorhandenen Geräte zu beeinträchtigen. GreenIT BB Januar

9 2.2.4 Messung Wie beschrieben haben eine große Anzahl der IT-Verantwortlichen in Unternehmen keine Informationen darüber, wie hoch der eigentliche Stromverbrauch des Rechenzentrums und seiner einzelnen Infrastrukturkomponenten ist. Daher ist die Messung des Stromverbrauchs essentieller Bestandteil einer Energieeffizienzanalyse. Idealerweise sollte der Stromverbrauch kontinuierlich ermittelt werden. Der dazu notwendige Aufwand ist in aller Regel deutlich niedriger als der Nutzen, der aus der Verwertung dieser Informationen erreicht werden kann. Solche Verbrauchsmesser sollten vor und nach den Stromabnehmern im Rechenzentrum installiert werden, sowie vor der USV, den Batterien und der Klimaanlage, um deren Effizienz überprüfen zu können. Stromversorgung im RZ mit möglicher Anordnung von Strommesspunkten (Quelle: BITKOM) Management Des Weiteren ist es sinnvoll, ein Managementsystem einzusetzen. Ein solches System sollte eine einfache Administration und Zusatzfunktionen bieten, wie das Anzeigen der Batterieladung und Restlaufzeit in Abhängigkeit zur angeschlossenen Last, individuell einstellbare Shutdown- sowie Timer-Funktionen oder eine erweiterte Fernabfrage mit automatischen Alarmmeldungen über Fax, Internet, etc. Ebenso ist der Einsatz von intelligenten PDUs, welche eine vielseitigste Funktionalität bieten, sinnvoll. Der Schwerpunkt liegt hier eindeutig auf einem umfassenden Strom-Management auf PDUund Steckerebene, welches Strommessung, Temperaturüberwachung, Mapping von Steckerausgängen auf KVM oder ähnliches beinhaltet. Die Administration der jeweiligen Komponenten erfolgt in der Regel durch einen integrierten SNMP-Agenten mit Applikationszugriff (Web-Browser, etc.). Durch das Auswerten des Status einer USV oder der PDUs lassen sich einfach Zustandsmeldungen und Statistiken generieren. Damit erhält der Rechenzentrumsbetreiber eine Datengrundlage, die eine kontinuierliche Verbesserung der Energieeffizienz im Rechenzentrum unterstützt. Als positiver Nebeneffekt können so auch potenzielle Risiken und Störungen, die zum Ausfall der IT führen könnten, frühzeitig erkannt und behoben werden. GreenIT BB Januar

10 2.3 Klimatisierung Die Art der Klimatisierung von IT-Räumen und den damit verbundenen IT-Schränken hat sich seit Jahren kaum verändert. Meist werden die Komponenten in den Racks mit Luft gekühlt. Allerdings hat sich der Kühlbedarf der zu kühlenden Geräte im Laufe der Jahre deutlich erhöht. Insbesondere die Verringerung der Bauhöhe der Server führt zu einer erheblich höheren Leistungsdichte. Während die Wärmeentwicklung bei der sonstigen IT- Technik in den letzten Jahren eher geringfügig angestiegen ist und momentan im Bereich zwischen 3 und 5 kw pro Rack-Schrank rangiert, liegen Racks mit Serveranwendungen immer häufiger bei 25 kw und mehr. Noch vor fünf Jahren galten 10-kW-Schränke als Ausnahme, die meisten waren nur bis zu 5 kw ausgelegt. In den kommenden Jahren werden bereits bis zu 1 kw je Höheneinheit und damit bis zu 40 kw pro Server-Schrank erwartet. Um diesen Trend Einhalt zu gebieten, werden auf Grund der höheren Wärmeaufnahme Flüssigkeiten zur Kühlung eingesetzt. Gerätetyp HE Watt (ca.) BTU (ca.) Storage Array mit 15k HDDs (2 Controller + 18 Enclosure HDDs) Standardserver (Low Power) Standardserver (High Power) Blade Enclosure (16 Blades Low Power) Volles Blade-Rack (4 Enclosure mit 64 Blades) Blade Enclosure (16 Blades High Power) Volles Blade-Rack (4 Enclosure mit 64 Blades) Vergleich Stromverbrauch IT- Geräte (mittlere Maximallast) Möglichkeiten zur Kühlung Übersicht GreenIT BB Januar

11 2.3.1 Luftkühlung Für IT-Technik wie Speichersysteme und die Fabric ist die direkte Luftkühlung die Variante mit dem besten Preis- / Leistungsverhältnis. Bei großer Packungsdichte von Servern reicht diese jedoch oftmals bzw. zukünftig nicht mehr aus, bzw. ist unwirtschaftlich. Zur Luftkühlung gehört die richtige Auslegung der zulässigen Temperaturbereiche im Rechenraum, um ein Optimum zwischen der Lebensdauer und den laufenden Kosten zu erreichen. Eine Erhöhung der Raumtemperatur von zum Beispiel 15 C auf 20 C kann eine Energieersparnis von bis zu 25 Prozent mit sich bringen. Gleichzeitig müssen aber punktuell hohe Wärmelasten (Hot Spots durch z.b. hohe Serverdichte) ausreichend gekühlt werden. Aus Sicht der Green IT wird eine optimierte Luftkühlung im RZ heute schon bei Eingangstemperatur (Kaltluft) von 26 C und Ausgangstemperaturen (Abwärme) von bis zu 32 C gefahren. Zu beachten ist die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen, die sich mit der Erhöhung der Temperatur erfahrungsgemäß verringert. Wenn es auf Grund einer nicht durchdachten Luftführung zu einer Vermischung der kalten und warmen Luft im Rechenraum kommt, bedeutet dies immer einen großen energetischen Verlust. Ein großer Teil der gekühlten Luft wird schlecht oder ungenutzt wieder durch die Klimaanlage angesaugt und steht damit der Kühlung der IT nicht zur Verfügung. Im realen Fall bedeutet dies, dass ein Rechenraum deutlich unterkühlt werden muss, um die Server mit genügend kalter Luft zu versorgen. Eine solche Unterkühlung verursacht zusätzliche Energiekosten und die Mehrleistung an Kühlung kann unter Umständen der Klimaanlage fehlen, wenn neue Serverschränke dazu kommen sollten. Durch nachträgliche Modifizierung der Serverschränke, zum Beispiel durch Einbau von Blenden, welche das unnötige Durchströmen der kalten Luft durch die Rackschränke vermeidet, kann dies verhindert werden. Durch den Austausch vorhandener Türen gegen spezielle Kühltüren mit eingebauten Ventilatoren, welche die warme Serverluft aus dem hinteren Serverschrankbereich absaugen und mit relativ großer Geschwindigkeit nach oben ausblasen, kann zum Beispiel die Abwärme wesentlich besser durch die Klimaanlage angesaugt werden. Die Energieverluste durch solche Maßnahmen werden spürbar geringer. Mögliche Fehler bei Aufstellung der Racks (Quelle: FUJITSU) GreenIT BB Januar

12 Daher führt kein Weg an einem schlüssigen Konzept für den Kühlungs- und Klimatisierungskreislauf vorbei. Hierfür müssen die zirkulierenden Luftmengen in den Räumen (Abwärme- und Kühlungsströme) berechnet und durch eine Aufstellung der Racks in spezielle Wärmegänge sinnvoll geführt werden. Bei der Warm-/Kaltgang- Methode sind die Racks mit den IT-Geräten in Reihen parallel angeordnet, so dass jeder Gang von Heißluftauslässen und Kaltlufteinlässen umgeben ist. Die kühle Luft wird von der Unterseite (zum Beispiel Doppelboden) in den kalten Gang eingeführt und von den heißen Gängen oben abgeführt. Die internen Lüfter der IT-Geräte, welche die Luft in die einzelnen Einheiten aus dem Kaltgang einschleusen und in den Warmgang abführen, müssen so konfiguriert sein, dass sie mit und nicht gegen die Luftströmung im Rechenzentrum arbeiten. Dies sorgt für eine ständige Luftumwälzung in den Racks. In einer Konfiguration mit Warm-/Kaltgang ist die Temperatur der heißen Gänge immer viel höher als die der kalten Gänge. Die Luft fließt in der Regel von unten nach oben und von den Kaltgängen in die Warmgänge, sodass ein ständiger Luftzug durch jede Reihe weht. Warm-/Kaltgang Prinzip (Quelle: BITKOM) Der nächste Optimierungsschritt ist die geschottete Ganganordnung. Beispielsweise wird bei der Kaltgangschottung oder Einhausung die kalte Luft physikalisch mittels zusätzlichen Decken, Wänden oder Türen im Kaltgang gehalten. So kann ein thermischer Kurzschluss durch Übersteigen der kalten Luft in einen warmen Gang oder das Ansaugen von warmer Luft aus dem Deckenbereich durch die IT-Geräte vermieden werden. Hierdurch kann die Kühleffizienz um 10 bis 20 Prozent im Vergleich zur Kaltgangkühlung ohne Abschottung gesteigert werden. Auch eine Einhausung von Warmgängen zur besseren Luftführung kann sinnvoll sein. GreenIT BB Januar

13 Mögliche Einhausung von Racks mittels nicht entflammbarer Vorhänge Butcher Curtain (Quelle: Daxten) Wasserkühlung Die Kühlleistung lässt sich durch den Einsatz von Luft-Wasser-Wärmetauschern (LWWT) direkt im oder am Rack durch Kühltüren, Kühlrückwand oder separate Module noch deutlich verbessern. Die Kühlung im Rack findet weiterhin durch Luftaustausch statt. Die Abwärme wird jedoch durch das Wassersystem abgeführt. Der Wärmetransport durch Wasser ist deutlich effizienter als per Luft, denn Wasser hat eine bis zu mal größere Wärmekapazität. Im Allgemeinen kann bei einer Raumluftkühlung von bis zu 30 Prozent Verlust der Kälteleistung ausgegangen werden (durch die Luftführung, Abgabe an den Raum). Dies bedeutet, dass die Klimaanlage eine höhere Kühlleistung aufweisen muss, als die IT-Geräte tatsächlich benötigen. Bei einer direkten Kühlung werden jedoch nur die Bereiche im Rechenraum gekühlt (Racks), die auch wirklich Kühlung benötigen. Funktionsweise separates Kühlmodul seitlich am Rack (Quelle: HP) GreenIT BB Januar

14 Die Vorteile einer Wasserkühlung können vollständig genutzt werden, wenn alle Serverschränke eines Rechenraumes im geschlossenen Zustand über LWWT gekühlt werden. Die Lufttemperatur im Rechenraum wird exakt auf die Raumbedürfnisse abgestimmt, sonstige Infrastruktur bleibt dabei unberührt. Eine Kaltluftzuführung über einen Doppelboden wäre z.b. nicht mehr notwendig. Ein Doppelboden bietet sich aber für eine Verlegung der Rohre und für eine Leckagevorsorgung an. Verglichen mit einer Klimaanlage ersetzt die Wasserpumpe im Prinzip die Ventilatoren der Raumklimatisierung und die Wasserleitungen die Luftschächte der Raumklimatisierung für Zu- und Abluft. Model für Wasserkühlung (links) (Quelle: RITTAL) Kühlaggregat für InRow-Cooling (rechts) (Quelle: APC) Um die Energieeffizienz dauerhaft zu verbessern, hilft nur ein intelligentes und modular aufgebautes Kühlungskonzept. Eine mögliche Alternative ist das sogenannte InRow- Cooling. Es bietet nicht zuletzt bei kleineren Rechenzentren in engen räumlichen Verhältnissen eine effizientere Alternative zur konventionellen Raumklimatisierung und kommt dabei auch ohne kostspielige Doppelbodenkonstruktionen aus. InRow- Kühlungslösungen werden als eigenständige Klimaschränke innerhalb der Schrankreihe platziert. Durch die Nähe zu den IT-Geräten lassen sich zum einen höhere Leistungsdichten absichern, zum anderen reduziert sich auch die Stromaufnahme der IT- Lüfter um bis zu 50 Prozent. Als weiteren Nebeneffekt machen sie in vielen Fällen auch eine separate Luftbefeuchtung bzw. Wiederbefeuchtung überflüssig, was eine zusätzliche Stromersparnis in der Größenordnung von drei Prozent bringt. In Verbindung mit einem sogenannten Warm-/Kaltgang-Prinzip, lassen sich so auch High-Density-Umgebungen mit über 20 kw Wärmeleistung pro Rack bewältigen. Ein weiterer Vorteil des InRow- Konzeptes ist die gute Skalierbarkeit. Da die Aggregate in die Schrankzeilen integriert sind, können jederzeit auch zusätzliche Kühlgeräte eingefügt werden, um die Kapazität zu erhöhen. GreenIT BB Januar

15 2.4 Rückkühlung Mit gut geplanten Anlagen aber auch mit modernen Rückkühlern können Unternehmen sehr viel Energie und Kosten einsparen sowie die Umwelt schonen. Verdunstungskühlgeräte und insbesondere hybride Trockenkühler, die gleichzeitig Strom und Wasser sparen, leisten einen wirksamen und wertvollen Beitrag zur Ressourcenschonung und damit auch zum Umweltschutz Freie Kühlung Eine Möglichkeit der Unterstützung der Klimatisierung des Rechenzentrums ist das Einbinden einer freien Kühlung. Ziel der freien Kühlung ist das Abführen der Abwärme aus dem Rechenraum ohne oder mit nur geringem zusätzlichem Energieeinsatz der Rückkühlanlagen. Normalerweise wird eine Kühlung unter Verwendung eines Verdichters mit der entsprechenden Leistungsaufnahme erreicht. Es wird zwischen direkter und indirekter freier Kühlung unterschieden. Bei der indirekten freien Kühlung wird die Kühlung unter Verwendung von Außenluft erreicht, deren Temperatur unter der des von den Kühleinheiten kommenden Kaltwassers liegt. Sobald die Außenlufttemperatur unter die Sole-Rücklauftemperatur fällt, beginnt der Einsatzbereich der freien Kühlung, indem die Außenluft zur Kühlung des Kühlmediums verwendet wird. Dies ist allerdings nur dann realisierbar, wenn die Temperatur der Außenluft unterhalb der Abwärme des Rechenzentrums liegt. Dies ist bei Luftkühlung vor allem in den Wintermonaten oder auch nachts der Fall. Zu bedenken ist, dass eine freie Kühlung üblicherweise nicht dazu beitragen kann, das Klimatisierungssystem in kritischen Momenten zu unterstützen. Die Belastungsgrenze bei hohen Außentemperaturen bleibt bestehen, daher ist eine Redundanz durch eine standardisierte Rückkühlung im Standbybetrieb notwendig. Trotzdem kann je nach Ausführung die Energieeinsparung bei 20 Prozent und mehr liegen. Im Allgemeinen gilt, dass ein PUE kleiner 1,5 ohne freie Kühlung nur schwer zu realisieren ist. Eine besondere Form der indirekten freien Kühlung ist das Prinzip des Kyoto-Coolings. Hierbei handelte sich es um eine freie Kühlung mittels eines Luft-Luft-Wärmetauschers. Auf Grund der enormen Größe dieser Lösung bietet sich diese meist nur bei einem Neubau eines Rechenzentrums samt Gebäudestruktur an. Der Hersteller des Kühlkonzeptes verspricht Energieeinsparungen von bis zu 80 Prozent gegenüber herkömmlichen Lösungen. Betrieb einer Klimatisierung mit Unterstützung durch freie Kühlung (Quelle: STULZ) Prinzip der Kyoto.Kühlung (Quelle: KyotoCooling) GreenIT BB Januar

16 Ebenfalls denkbar ist, die warme Luft eines Rechenraumes einfach an die Umwelt abzugeben und frische Kaltluft von außen zu nutzen. Hier spricht man von direkter freier Kühlung. Bei solchen Verfahren ist aber immer eine umfangreiche Filterung der Luft von Staub und Rauch notwendig Sorbtionskältetechnik und solarthermisch Kühlung Die Technologie des solaren Kühlens wird schon seit einigen Jahrzehnten eingesetzt, aber es gibt bisher wenig kommerziell erhältliche Komplettsysteme. Hauptsächlich finden Absorptionskältemaschinen und sorptionsgestützte DEC-Anlagen (Desiccant and Evaporative Cooling) Verwendung. Vereinzelt werden auch Adsorptionskältemaschinen und Flüssigsorptionsanlagen eingesetzt. Die Kühlverfahren lassen sich grundsätzlich in zwei Hauptgruppen einteilen: die geschlossenen Systeme zur Kaltwassererzeugung und die offenen Systeme zur direkten Klimatisierung der Luft. Bei den geschlossenen Systemen erzeugen einstufige Absorptionskältemaschinen mit einem geeigneten Kältemittel über einen geschlossenen, kontinuierlichen Kreisprozess Kälte. Bei der Absorptionskältetechnik wird das Kältemittel in einem flüssigen Lösungsmittel absorbiert und durch direkte oder indirekte Beheizung in einem Austreiber bei hohen Temperaturen desorbiert und auf den erforderlichen Kondensatordruck gebracht. Bei der Kondensation beziehungsweise Absorption wird Kondensationsbeziehungsweise Lösungswärme frei, die über einen gemeinsamen Kühlkreis abgeführt werden müssen. Die Antriebstemperaturen für die Austreibung liegen je nach Technologie zwischen 70 und 120 C. Hier lässt sich Fernwärme ideal als Antriebsenergie nutzen. Bei der geschlossenen Adsorptionstechnik hingegen wird das Kältemittel an einem Festkörper unter Freisetzung von Bindungswärme an der Oberfläche adsorbiert. Die Bindungswärme sinkt bei steigender Anlagerung von Wassermolekülen gegen Null, so dass nur noch Verdampfungswärme abgeführt werden muss. Die Desorption des angelagerten Wassers und die Druckerzeugung für die Kondensation erfolgt bereits bei niedrigen Antriebstemperaturen von 55 bis 70 C, so dass diese Technologie besonders für den Einsatz von Solarenergie geeignet ist. Prinzip Solar Cooling System und Absorbtionskälteanlage (Quelle: SolarNext) GreenIT BB Januar

17 Offene Adsorptionsanlagen, so genannte DEC-Anlagen, verwenden die Zuluft der Klimaanlage direkt als Kälteträger. Die physikalische Adsorption von Wasser an einem Sorptionsmittel dient in diesem Prozess zur Trocknung der Luft. Gekühlt wird anschließend mit einer direkten Verdunstungsbefeuchtung der getrockneten und über einen Wärmetauscher vorgekühlten Luft. Bei einer solchen adiabatischen Kühlung ist der Wasserverbrauch jedoch entsprechend hoch. Die thermische Antriebsenergie bei diesem Verfahren ist zur Regeneration des Sorptionsmittels, das heißt zur Desorption des adsorbierten Wassers, erforderlich. Thermische Kühlung mit Solarthermie, Fern- und Nahwärme, Prozessabwärme, Blockheizkraftwerk-Abwärme oder Biomasse kann zu einer deutlichen Reduktion des Energieverbrauchs und den damit verbundenen CO2-Emissionen führen. Bei einem generellen Trend zu größeren solarthermischen Anlagen in der Industrie bieten kleine thermische Kältemaschinen gute Möglichkeiten, sommerliche Wärme effizient zu nutzen Grundwassernutzung Innovative Kühlsysteme mit Grundwasser vermeiden fast vollständig CO2-Emissionen und tragen so im Allgemeinen erheblich zum Klimaschutz bei. Die grundwasserbasierte Fernkälteanlage läuft vollautomatisch. Durch drehzahlgeregelte Pumpen passt sie sich dem jeweiligen Kältebedarf an. Diese bedarfsgerechte Einstellung spart zusätzlich Strom. Energieeinsparungen von 90 Prozent sind durchaus realistisch. Die restlichen 10 Prozent benötigt in diesem Fall der Betrieb der Fernkälteanlage samt Pumpen, die das Grundwasser transportieren. Im Vergleich zur klassischen Kompressionskältemaschine kostet die Anlage daher trotz ihrer Komplexität wenig Unterhalt. Schematische Darstellung von der Wasserentnahme im Düker, Transport zum Rechenzentrum und Wasserrückführung in das Dükerbauwerk (Quelle: BMW Group) Abwärmenutzung Noch besser als die Entsorgung der Abwärme ist es, die Abwärme weiter nutzbringend zu verwenden. Insbesondere große und konstante Mengen an abgegebener Wärme machen Rechenzentren interessant für die Abwärmenutzung. Allerdings wird die Zweitnutzung von Abwärme aus Rechenzentren bisher durch das geringe Temperaturniveau beschränkt, mit dem sie gewöhnlich den Serverraum verlässt. Für eine Beheizung von Gebäudegängen oder zum Eisfreihalten von Zufahrtswegen im Winter reicht dies sicher GreenIT BB Januar

18 aus. Eine weitere Möglichkeit dieses niedrige Niveau zu nutzen, besteht darin, die Abwärme zum Beispiel als Umgebungswärmequelle für Wärmepumpen zu nutzen, das heißt, unter Energieeinsatz wird die Abwärme wieder zu Nutzwärme aufgewertet. Diesem Trend folgend, wird verstärkt die direkte Wasserkühlung bereits auf Leiterplattenebene erforscht. Mit dieser Technik können heiße Bauteile im Rack wie zum Beispiel Prozessoren mit Hilfe eines geeigneten Fluids (Kühlflüssigkeit) direkt auf die gängige Betriebstemperatur von 85 C gekühlt werden. Wärme auf hohem Temperaturniveau (größer 60 C) kann vielfältig verwendet werden. Denkbar ist eine direkte Einspeisung in ein Wärmenetz für die Haustechnik oder ähnliches. Auch die Umsetzung einer ganzjährig genutzten freien Kühlung ohne zusätzlichen Energieverbrauch ist aus Sicht der Green-IT mit Hilfe dieser Technologie höchst interessant. Kühlkreislauf mit direkter Prozessorkühlung (Quelle: IBM) GreenIT BB Januar

19 2.5 Sonstige bauliche Maßnahmen Brandschutz Vorbeugender Brandschutz ist der Überbegriff für alle Maßnahmen, die im Voraus die Entstehung, Ausbreitung und Auswirkung von Bränden verhindern beziehungsweise einschränken. Hierzu gehört die Vermeidung beziehungsweise die generelle Reduzierung der Brandlasten durch Einsatz nicht brennbarer oder mindestens schwer entflammbarer Materialien für Komponenten und Bauelemente der Infrastruktur und der Inneneinrichtung. Eine wirkungsvolle Schutzstrategie für ein Rechenzentrum besteht zusätzlich aus der Kombination von Erkennungs- und Unterdrückungssystemen. Neben der Brandbekämpfung setzt sich im Brandschutz immer mehr die Brandvermeidung durch. Mit Hilfe von Sauerstoffreduktionsanlagen ist es möglich, den Sauerstoffgehalt der Luft zu regulieren. Bei dieser Methode wird der Sauerstoffgehalt der Luft durch Zuführen von Stickstoff auf unter 15 Prozent reduziert. Für den Menschen ist das ungefährlich. Ein Brand kann so aber nicht mehr entstehen, da handelsübliche Stoffe bei dieser Sauerstoffkonzentration nicht mehr entflammbar sind. Im Gegensatz zu anderen Methoden arbeitet diese aber kontinuierlich, um die Sauerstoffkonzentration auf Niveau zu halten. Der Energieaufwand für die Kompression und Kühlung der Stickstofferzeugung sind somit ungleich höher. Außerdem müssen die Räumlichkeiten eine gewisse Dichtigkeit aufweisen, damit diese Technik überhaupt effizient operieren kann. Solche Anlagen machen aus Sicht der Green IT also nur dort Sinn, wo eine Druckentlastung auf Grund der Statik und der Bauvorschriften für eine Löschung durch Verdrängung nicht umgesetzt werden kann (Rechenzentren in Hochhäusern). Prinzip Reduktionsanlage durch permanente Stickstoffzufuhr (Quelle: Design Institut München) Es sollte aber angemerkt werden, dass nur etwas weniger als ein Zehntel aller Schäden im Rechenzentrum auf direkten Schaden durch Feuer im Rechenraum zurückzuführen sind. Mit knapp 30 Prozent sind Wasser, dicht gefolgt von korrosiven Gasen (verbranntes PVC, etc.) mit 25 Prozent immer noch die größte Gefahrenquelle für die IT. Daher kann der Einsatz einer wasserundurchlässigen Schutzfolie als Baumaßnahme vor Wassereindrang ins Rechenzentrum bezogen auf den Invest weit mehr Schutz bieten, als ein komplexes Löschsystem. GreenIT BB Januar

20 2.5.2 Containerlösungen Eine Möglichkeit zum Betreiben eines Rechenzentrums liegt auch im Einsatz eines komplett vorkonfigurierten Outdoor- oder Boxsystems. Ein Rechenzentrum kann damit komplett mit Rechnern und Kühlsystemen im Container geliefert und betrieben werden. In der Größenordnung eines Schiffscontainers können Hunderte von Servern Platz finden. Enorme Vorteile des Rechenzentrums in der Box liegen in der schnellen Einrichtung und einfachen Administration bedingt durch den standardisierten Aufbau und vordefinierten Komponenten. Die Energie- und Klimaversorgung sind dabei optimal auf die eingesetzte IT-Technik abgestimmt. Auch freie Kühlung kann meist ohne Probleme hier eingesetzt werden. Doch bei der Kühlung macht sich auch ein großes Problem bemerkbar: Setzt man mehrere solcher Boxen ein, ist die Effizienz nicht groß, wenn jede Box separat gekühlt werden muss. In einem Gebäude ist es dagegen möglich, mehrere Räume oder größere Flächen über eine gemeinsame Klimaanlage zu verbinden. Daher entsteht durch das Boxsystem hier kein Vorteil beim Energieverbrauch. Containerlösung Modellansicht (Quelle: LAMPERTZ) Rechenzentrum in der BOX (Quelle: HP) GreenIT BB Januar

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