Nachnutzung der Abwärme von Server Farmen

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1 Nachnutzung der Abwärme von Server Farmen Aufner Peter, Eibner Alexander, Machacek Raimund, Rötzer Lukas, Schmidt Peter Einleitung Im Moment wird viel in Green-IT und deren Forschung investiert. Viele große Firmen wie Google, T-Systems und andere versuchen Green-It voranzutreiben, und das hat unter anderem folgende Gründe: In RZ hat sich der Energieverbrauch in den Jahren 2000 bis 2006 mehr als verdoppelt [6][Kap. 1.4][3][S.7] Server, die nur für einen bestimmten Einsatzzweck verwendet werden, sind in der Regel nur bis zu 15% ausgelastet [6][Kap. 1.4] Einsatz von State-of-the-Art Technologien im RZ kann den Gesamtstromverbrauch um bis zu 40% reduzieren [6][Kap. 2.1] Bei Green-IT geht es also darum, dass IT-Equipment nach Möglichkeit weniger Energie verbraucht, Ressourcen schonender wird und möglichst langlebig ist. Auch die Nachnutzung der Abwärme von Server Farmen, welche in vielen Fällen ungebraucht verpufft, kann hier aufgeführt werden, da man so in anderen Bereichen Energie einsparen kann. Im Folgenden soll auf die verschiedenen Möglichkeiten von Kühlmedien eingegangen werden. Weiters werden die Auswirkungen der Wahl des Kühlmediums und der Kühltechnologie auf die Abwärme und deren Nutzung betrachtet. Darüber hinaus beschäftigen wir uns damit, in wie weit man die Wärme absichtlich an bestimmten Orte konzentrieren kann um folglich diese gebündelte Abwärmeenergie effizienter nutzen zu können. Daneben soll ein kurzer Überblick über aktuelle Methoden, die in der Branche bereits zum Einsatz kommen, gegeben werden. 2 Effiziente Kühlung 2.1 Wahl des Kühlmediums Allgemein kann man zwischen zwei Arten von Kühlmedien unterscheiden: Gase und Flüssigkeiten. Üblicherweise werden hierfür Luft bzw. Wasser verwendet, wobei das Wasser oft durch chemische Zusätze noch für den Einsatz als Kühlmittel optimiert werden kann. Im Folgenden werden wir jedoch diese Optimierungen vernachlässigen, da nur die Grundlegenden Unterschiede erläutert werden sollen Physikalische Eigenschaften Der gravierendste Unterschied zwischen Wasser und Luft als Kühlmedium ist ihre unterschiedliche spezifische Wärmekapazität 1 und Dichte. Aus dem Produkt der beiden Werte ergibt sich ihre Wärmespeicherzahl. Aus diesen Zahlen ergibt sich ein Verhältnis von 1:3450. Das bedeutet, dass 3450 m 3 Luft erforderlich sind, um die selbe Menge Wärme abzuführen wie 1 m 3 Wasser, bei gleichem Temperaturanstieg des Mediums. Mit der Verwendung von Kühlmitteln kann dieses Verhältnis sogar bis auf 1:5500 erhöht werden. 1 Spezifische Wärmekapazität: Die Menge an Energie, die einem Stoff, bezogen auf seine Masse, zugeführt werden muss, um seine Temperatur um ein Kelvin zu erhöhen. 1

2 Luft (bei 20 C) Wasser (bei 20 C) Dichte in kg/m 3 1, ,203 Spezifische 1,005 4,183 Wärmekapazität in kj/(kg K) Wärmespeicherzahl in kj/(m 3 K) 1, ,483 Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften von Wasser und Luft, Quelle: Wikipedia/Wikibooks Flusseigenschaften, Verteilung des Mediums und Hotspots Luft (und natürlich andere Gase) sind in ihrem Fluss schwer zu kontrollieren. Es erfordert eine große Anzahl von Ventilatoren und ein ausgefeiltes Verteilungssystem um die kühle Luft in großen Mengen im Rechenzentrum zu verteilen und zielgerichtet zu den zu kühlenden Komponenten zu führen. Durch Temperaturunterschiede und dadurch verbundene thermische Konvektion und durch Wirbel, die etwa durch Hindernisse in den luftführenden Kanälen und Räumen entstehen können, kann die Effizienz von Luft-Kühlungsanlagen stark beeinträchtigt werden. Darüber hinaus wäre eine punktgenaue Verteilung von Luft auf besonders heiße Komponenten (Hotspots) aufwendig und nur durch enge, präzise Lüftungsführung mit entsprechender Ventilation möglich. Da solche Maßnahmen jedoch stark verlustbehaftet sind, versucht man meist das Problem der Hotspots zu vermieden, indem heiße Komponenten im Rechenzentrum verteilt neben kühleren Komponenten verbaut werden. Das führt jedoch zu einer Erschwernis bei der Organisation und Dokumenation in Bezug auf die Verteilung der Komponenten. So kann es etwa notwendig werden, dass mehrere logisch zusammengehörige Komponenten nicht im selben Rack untergebracht sein können und verteilt werden müssen. Darüber hinaus kann das Verteilen der Hotspots zu unausgelasteten Racks führen, wodurch Ressourcen (Platz, Energie und letztlich Geld) verschwendet werden. Wasser (und andere Flüssigkeiten) sind diesbezüglich deutlich leichter zu handhaben. Aufgrund der deutlich höheren Wärmespeicherzahl wird nur ein Bruchteil an Volumen benötigt. Das Wasser kann leichter durch Rohre transportiert werden, Konvektion und Turbulenzen sind ein deutlich geringeres Problem, da sich die im Durchmesser kleineren Leitungen besser verlegen lassen. Hotspots können kontrollierter gekühlt werden, da sich die Kühlleistung pro Rack besser regulieren lässt. Racks können aufgrund der höheren Kühlleistung von Wasserkühlungen besser ausgelastet werden, wodurch eine höhere Effizienz erzielt werden kann. Einziger Nachteil der Wasserkühlung ist die Schwierigkeit die Komponeneten selbst mit Wasser zu kühlen. Der große Vorteil von Wasser ist vor allem, dass die Förderung mittels Pumpen effizienter stattfindet, als die von Luft mittels Ventilatoren, vor allem aufgrund des geringern Volumens bei der Wasserkühlung. 2.2 Kühlung der Komponenten Damit die Wärme von den wärmeentwickelnden Komponenten abtransportiert werden kann, muss das - kühle - Medium die Komponenten umfließen um sich erwärmen zu können und die Wärme abzutransportieren. Laut den aktualisierten Empfehlungen der ASHRAE 2 aus 2008 sollten Rechenzetrumskomponenten mit einer (Luft- ) Temperatur von 18 bis 27 C gekühlt werden, statt bisher (Empfehlung aus 2004) mit 20 bis 25 C. Die verringerte Mindesttemperatur reduziert den Aufwand bei besonders kalter Zuluft diese vorab aufzuwärmen, die erhöhte Maximaltemperatur veringert den Kühlaufwand bei der Zuluft. Es wird aber gewarnt, dass die erhöhte Maximaltemperatur Auswirkungen auf die Leistung und Effizienz des verwendeten Equipments haben kann. Darüber hinaus kann eine zu hohe Einlasstemperatur dazu führen, dass die Lüftersteuerung der Server darauf reagiert, indem die Lüfterdrehzahlen erhöht werden. Der dadurch gestiegene Energiebedarf und der größere Verschleiß der mechanischen Teile kann die Energieeinsparungen zunichte machen. Man muss daher auf die Spezifikationen und Konfigurationen der verwendeten Komponenten achten[2]. 2 American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers 2

3 2.2.1 Direct-Touch/Cold-Plate Cooling Im Gegensatz zu Heimcomputern hat sich im Serverbereich die Wasserkühlung auf CPU-Ebene (noch) nicht durchgesetzt. Für die Kühlung der Komponenten kommt also fast ausschließlich Luft zum Einsatz, doch seit etwa 2010 gibt es Direct-Touch bzw. Cold-Plate Cooling 3. Dabei werden die Server modifiziert, indem die Lüfter entfernt werden und alle Hitze abgebenden Komponeneten innerhalb des Servers durch ein besonders stark leitendes Medium mit der Oberseite des Servers verbunden werden. Dort wird nach dem Einbau des Servers in ein speziell umgerüstetes Rack eine Leitplatte auf den Server gedrückt, die die Wärme weiter in den Kühlkreislauf abführt. Durch das Entfernen der Lüfter kann der Energiebedarf der Server selbst um etwa 15 bis 30 Prozent (je nach Auslastung) reduziert werden, durch die effiziente Wärmeabfuhr wird die insgesamte relative Energieersparnis pro Server sogar noch erhöht 4. Aufgrund diese enormen Effizienzsteigerung ist es nicht verwunderlich, dass das Kühlsystem von Clustered Systems Company den Chill-Off 2 Wettbewerb 2010 (damals noch als Prototyp) dominierte 5. Seit Ende 2011 hat Clustered Systems jedoch Konkurrenz in dieser Nische bekommen: Asetek Inc., bisher bekannt für Flüssigkühlung von Gaming PCs und High Performance Workstations, hat drei Kühlsysteme für Server vorgestellt und verspricht je nach System unterschiedliche Vorteile 6. Mittels eines internen Kühlkreislaufs kann die Wärme direkt vom Prozessor zu den Lüftern des Servers transportiert werden, was die Effizienz der serverinternen Kühlung deutlich erhöht und performantere CPUs erlaubt ( Internal Loop Liquid Cooling ). Eine weitere Ausbaustufe ist die Rack Kühlung, bei der die Wärme von CPU und GPU direkt von an den Kühlkreislauf des Racks angebunden ist. Die Lüfter müssen nur noch die weniger heißen Teile des Systems kühlen ( Rack CDU Liquid Cooling ). Beim dritten System werden schließlich alle hitzeerzeugenden Komponenenten direkt mit Flüssigkeit gekühlt ( Sealed Server Liquid Cooling ). Laut aktuellen Berichten 7 arbeitet Clustered Systems Company an einem Blade-Server Gehäuse, das bis zu 100kW Rechenleistung in einem einzigen Rack ermöglichen soll. Erreicht wird diese enorme Dichte durch die Verwendung der Touch-Cooling Technik kombiniert mit direkter Gleichstromversorgung aller Komponenten. Das Erstaunliche ist, dass laut Hersteller das Rack mit bis zu 35 C warmen Kühlmittel gekühlt werden kann. Dadurch werden aufwendige Kühlanlagen nahezu überflüssig. Erste Demonstrationssysteme mit 320 Intel Sandy Bridge Prozessoren mit insgesamt über 50 TFLOPS pro Rack befinden sich im Bau Kühlung der Racks Wenn die Kühlung von Serverschränken mit Luft erfolgt, so werden diese meist mit kalter Luft aus einem Doppelboden versorgt. Ein typisches Serverrack saugt die Luft in einer Höhe von etwa cm an, die dort von den Lüftern der Komponenten erfasst, erwärmt und schließlich an der Oberseite wieder ausgeblasen wird. Viele Hersteller haben unterschiedliche Optimierungen der Luftführung entwickelt, das Grundprinzip ist jedoch meist das gleiche. Um die Effizienz des Luftstroms zu erhöhen werden die Racks in Gängen mit alternierender Ausrichtung aufgestellt. Dadurch ergeben sich kalte Gänge, die mit kühler Luft versorgt werden und diese an die zwei angrenzenden Reihen von Racks weitergeben, und heiße Gänge, in die warme, verbrauchte Luft abgegeben wird. Damit sich die warme Luft nicht mit der kalten vermischt und so die Effizienz beeinträchtigt, werden diese Gänge oft baulich umschlossen. Man spricht dann von (Kaltoder Heiß-) Einhausung. Die Kühlung mittels Luft unterliegt hier aber den oben erwähnten Einschränkungen: Hotspots können nicht oder nur schwer gezielt gekühlt werden und müssen verteilt werden. Einzelne Racks können aufgrund unterschiedlicher Anforderungen nur schwer stärker oder schwächer gekühlt werden. Warmluft kann sich durch Konvektion und Turbulenzen mit Kaltluft vermischen 3 von Clustered Systems Company: Chill-Off 2 : Ein Wettbewerb, geleitet vom Lawrence Berkeley National Laboratory, Kalifornien, und Data Center Pulse, bei dem Kühltechnologien von verschiedenen Herstellern miteinander verglichen wurden. Siehe auch clustered-systems-is-hot-property-in-chill-off-2/ 6 und

4 Es muss gewährleistet werden, dass die Kaltluft auch die entferntesten Racks in ausreichendem Maße erreicht. Eine Gegenmaßnahme ist, heiße Racks nahe bei der Zuluft und kühlere weiter entfernt aufzustellen. Bei der Wasserkühlung von Serverschränken gibt es verschiedene Ansätze. Im Prinzip werden Wasser-Luft Wärmetauscher verwendet, die mit kaltem Wasser (je nach Herstellerspezifikation ca. 12 C) die Abluft des Racks kühlen. Die moderat temperierte Raumluft (18-27 C, siehe Kühlung der Komponenten ) wird vorne in das Rack gesaugt, erwärmt sich bei der Kühlung der Komponenten und wird nach dem Ausströmen aus dem Rack durch die Wasserkühlung wieder auf Niveau der Raumluft gekühlt. Je nach angewandter Methode können bis zu 35 kw Kühlleistung pro Rack erzielt werden. Die energieeffizienteste Möglichkeit (abgesehen von Direct-Touch-Cooling) für die Flüssigkeitskühlung sind aktiv oder passiv gekühlte Hintertüren. Ebenso möglich sind seitlich montierte Rackkühler. Reihenkühler, die neben den Racks aufgestellt werden, werden vor allem bei einer Kreisanordnung, bei Heißgängen oder einer Heißeinhausung verwendet. 2.4 Kühlung des Raumes Werden Server und Racks mit Luft gekühlt, so werden auch in weiterer Folge die Räumlichkeiten mit den Serverschränken mitgekühlt. Das hat den Vorteil, dass auch freistehende Tower-Server und Equipment, das nicht in einem Rack verbaut wird, gekühlt werden. Vor allem bei kleineren Rechenzentren, die oftmals Serverhousing für klassische Standgeräte anbieten, tritt dieser Fall auf. Die Effizienz des ganzen Systems ist jedoch - aufgrund der schlechten Energieeffizienz von luftgekühlten Racks - relativ schlecht. Sofern Server und Racks jedoch möglichst direkt mit Flüssigkeiten gekühlt werden, sodass die warme Abluft gar nicht in den Serverraum kommen kann, reicht es meist, die Räumlichkeiten mit relativ schwachen Klimaanlagen zusätzlich zu temperieren. Ihre Abwärme kann mit denen der Rackkühlungen gekoppelt werden, in dem man sie in den gleichen Kühlkreislauf integriert. 3 Verlagerung der Wärmekonzentration Wärmekonzentrationen liegen häufig: in Büroräumlichkeiten (viele Desktop PCs) in den Serverräumen (oder RZ) Durch die Verlagerung der Wärmekonzentration können verschiedene Ziele erreicht werden. Zum einen kann die Belastung der Büroräumlichkeiten durch Abwärme durchschnittlicher Desktop PCs verringert werden indem die Wärmekonzentration in den Serverraum verlagert wird. Umgekehrt kann durch Verringerung der Anzahl der benötigten Server, zum Beispiel durch Aufteilen der Berechnung auf die Desktop PCs ( Cloud Computing ) oder durch Virtualisierung, auch die Abwärmemenge im Serverraum dezimiert werden. Im folgenden soll einerseits kurz auf Thin Clients und Terminal Server als Möglichkeit zur Entlastung der Büroräumlichkeiten eingegangen werden und zum anderen auf die Entlastung der Serverräume durch Cloud Computing bzw. Virtualisierung. 3.1 Thin Client/Terminal Server Eine Alternative zum Fat-Client-Computing ist das Server-based Computing (SBC) mit sparsameren Endgeräten. Beim SBC laufen die Anwendungen im RZ - mit allen genannten Möglichkeiten der Energieoptimierung. Bei einem neuen, konkurrierenden Ansatz der Zentralisierung, der Client-Virtualisierung (Virtual Desktop Infrastructure, VDI) werden ganze Client-Rechner als virtuelle Instanzen im RZ gehostet. Da somit die Endanwender-Hardware viel weniger Rechenleistung erbringen muss, kann man in vielen Fällen auf der Client-Seite kleinere, effizientere und somit energiesparendere Endgeräte - so genannte Thin Clients (TCs) - statt PCs einsetzen. [6, S.13] Für die folgenden Annahmen, Berechnungen und Vergleiche wurden Daten aus einer Studie des UMSICHT 9, herangezogen:[9] Aus diesen Zahlen kann man folgende Verhältnisse des Jahresenergieverbrauches ablesen: 9 Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik 4

5 Idle Soft-Off Mittelwert (Idle + Soft-Off) Desktop PC 78,2 W 2,7 W 31,0 W Thin Client 18,3 W 1,4 W 7,5 W Terminal Server 284,7 W 214,9 W 246,6 W (Weniger Last) Tabelle 2: Durchschnittliche Leistungsaufnahme [9, Kap. 6.4] 365 Tage Summe (Volllast) Arbeitstage Resttage ( Mittlere Last) Desktop PC 685,03 kwh 163,680 kwh 9,396 kwh = 173,076 kwh Thin Client 160,308 kwh 39,6 kwh 4,872 kwh = 44,472 kwh Terminal Server 2493,972 kwh 1302,048 kwh 747,852 kwh = 2049,900 kwh Tabelle 3: Jahresenergieverbrauch unter Volllast / mit teilweisem Abschalten der Geräte [9, Kap , 6.6.3] Volllast im Vergleich zum Durchschnitt Desktop PC: 1,99:1 Thin Client: 1,92:1 Terminal Server: 1,13:1 Desktop PC im Vergleich zum Thin Client 4:1 Sowohl Desktop PC als auch Thin Client können also durch konsequentes Abschalten den Jahresenergieverbrauch fast halbieren, beim Terminal Server zeigt sich jedoch, dass er nahezu den gleichen Jahresenergieverbrauch unter Volllast wie unter durchschnittlicher Last aufweist. Oberflächlich betrachtet könnte behauptet werden, dass ein Thin Client nur etwa ein Viertel der Energie eines Desktop PCs benötigt, jedoch würde der Energieverbrauch des Terminal Servers nicht berücksichtigt werden. Wenn dieser anteilig ( 1 35 [9, Kap ]) einbezogen wird, zeigt sich, dass ein Thin Client etwa die Hälfte der Energie eines Desktop PCs benötigt. Somit kann durch den Umstieg auf Thin Clients etwa die Hälfte an Abwärme in den Büroräumlichkeiten eingespart werden. Im Gegenzug kommt es im Serverraum zu einem Abwärmeanstieg um den Faktor 1,13. Die Mehrkosten durch den leicht erhöhten Energieverbrauch des Servers amortisieren sich durch die Reduktion des Energieverbrauches auf der Clientseite. 3.2 Distributed Computing/Virtualisierung Hier kann man auch die später genannten Möglichkeiten der Data Furnace (4.3) oder Nano Data Center (3.3) hinzuzählen. Beide Ansätze haben zum Ziel, das Datenzentrum möglichst nahe beim Endanwender unterzubringen und somit die Server zu entlasten. Hier können auch Projekte wie 10 oder 11 genannt werden: Diese Projekte verwenden erfolgreich die Idle Zeiten der PCs von freiwilligen Teilnehmern um die riesigen Datenmengen bewältigen zu können, ohne riesige Serverfarmen aufzubauen. Es steht zwar nicht die Reduktion der Abwärme der Server auf den Universitäten im Vordergrund, trotzdem kann man dieses Konzept auch leicht dazu verwenden, Berechnungen die nicht in Echtzeit durchgeführt werden müssen, auf die Desktop PCs im Netzwerk aufzuteilen und so Server einsparen zu können. Gleiches gilt auch für die Virtualisierung von Servern. Es werden wenige physische Server betrieben auf denen mehrere virtuelle Server gleichzeitig laufen. Dadurch können Auslastung, und somit Effizienz, der Hardware gesteigert und die Abwärme im Serverraum verringert werden

6 1/3 * Volllast 2/3 * Mittlere Last Summe ( Durchschnitt) Desktop PC 228,343 kwh 115,384 kwh = 343,727 kwh Thin Client 53,436 kwh 29,648 kwh = 83,084 kwh Terminal Server 831,324 kwh 1366,600 kwh = 2 197,924 kwh Tabelle 4: Jahresenergieverbrauch im Durchschnitt (1/3 Volllast und 2/3 Mittlere Last) [9, Kap. 6.4] Ein kurzes Beispiel dazu: Ein Server benötigt im Durchschnitt 309W im Leerlauf und unter Volllast 389W. Da im Schnitt jeder Server nur zu 10% ausgelastet ist, können z.b. drei Server in einem physischen Gerät virtualisiert werden. Das spart rund 600W Leistung und führt zu einem Gerät, das bis zu 75% ausgelastet ist im Schnitt. 3.3 Nano Data Centers Hierbei handelt es sich um die Idee[8], statt einem zentralen Server einen virtuellen Server zu verwenden, welcher aus vielen kleinen Geräten besteht, welche mittels eines P2P Protokolls miteinander verknüpft sind. Es besteht hier auch die Möglichkeit Geräte wie Home-Gateways, Router, WLAN-Accesspoints und dergleichen als Rechenkapazitäten zu nutzen. Hierbei ist vor allem der Punkt hervorzuheben, dass Kapazitäten, die ohnehin vorhanden aber meistens im Idle-Zustand sind, einer neuen Verwendung zugeführt werden. Es sinken also vor allem Materialkosten. Fraglich ist, wer dabei für die entstehenden Strom- und Netzwerkkosten aufkommen muss. 4 Nutzung der Abwärme Zwei große Herausforderungen bei der Planung eines "grünen" Rechenzentrums stellen vor allem die zeitlichen und die geografischen Gegebenheiten dar. Wofür verwendet man z.b. die Abwärme, welche man im Winter für die Heizung oder Warmwasseraufbereitung nutzt, im Sommer? Und was macht man mit der Wärme, wenn das Rechenzentrum weit weg von Bürogebäuden oder Wohnungen gebaut wird? Aber auch für solche Fälle gibt es interessante Lösungen. 4.1 Gewinnen von Heizenergie und Warmwasser Die Abwärme von Rechenzentren kann aus technischer Sicht leicht mittels Wärmetauschern an eine (bestehende) Heizung oder ein Warmwasser System eines Gebäudes angeschlossen werden. Oft reicht die Temperatur dafür jedoch nicht aus. Bei einer Serverkühlung mit 12 C kaltem Wasser tritt das Abwasser mit ca. 20 aus dem Kühlkreislauf aus. Für die Heizung eines Raumes sind jedoch mindestens 30 notwendig. Die Effizienz eines solchen Systems ist also klar davon abhängig, wie warm das Abwasser des Serverkühlsystems ist. Durch Erhöhen der Zulauftemperatur entsprechend der überarbeiteten ASHRAE Empfehlungen und einer effizienten Server- oder Rackkühlung kann die Rücklauftemperatur deutlich erhöht werden und so leichter nutzbar gemacht werden. Ist die erreichte Temperatur zu niedrig oder wird der notwendige Schwellwert nur zu Spitzenzeiten erreicht, so können zusätzlich Wärmepumpen installiert werden, um die Termperatur auf das notwendige Niveau zu heben. Des Weiteren ist es möglich durch eine bessere Auslasung der Server, z.b. durch Virtualisierung, mehr Hitze zu erzeugen. In jedem Fall kann das abgekühlte Kühlmedium mit geringem bis keinem Aufwand weiter auf das Notwendige Minimum abgekühlt werden. 4.2 Absorptions-Kälte-Kreislauf Hierbei handelt es sich um einen Weg, gleichzeitig Strom bei der Klimatisierung einzusparen und die durch die Server produzierte Wärme abzuführen. Diese sogenannten Absorptionskältemaschinen [1] werden vor allem in Verbindung mit Brennstoffzellen eingesetzt, da diese bei der Stromgewinnung eine hohe Abwärme produzieren können. Kennzeichnend für die Absorptions-Kältemaschine ist das Zweistoffsystem. In vielen Fällen ist es ein Gemisch aus Wasser und Ammoniak, manchmal wird aber auch Lithiumbromid und Wasser verwendet. Unter Wärmezufuhr wird das Ammoniak gasförmig und verlässt das Gemisch. Anschließend wird es verflüssigt. Im Verdampfer entzieht das nun flüssige Ammoniak beim 6

7 Übergang zurück in die gasförmige Phase seiner Umgebung Wärme. An dieser Stelle kühlt die Apparatur. Anschließend absorbiert das Wasser wieder das gasförmige Ammoniak und der Kreislauf beginnt von vorn. Die Effizienz einer Absorptionskältemaschine beträgt nur etwa ein Fünftel im Gegensatz zu einer gleichwertigen Kompressionskühlung, da man eine wesentlich höhere Energiemenge durch den Prozess schleusen muss um das selbe Ergebnis zu bekommen. Die Anwendung ist also nur sinnvoll, wenn ohnehin Wärme zur Verfügung steht, die ansonsten nicht verwendet werden würde. Abbildung 1: Absorptions-Kälte-Kreislauf 4.3 Data Furnace Um einen weiteren interessanten Ansatz handelt es sich beim sogenannten Data Furnace, zu Deutsch Daten-Ofen. Dabei handelt es sich um eine Studie von Microsoft Research[4], bei der die Möglichkeit in Betracht gezogen wird, Serverräume in Wohnhäusern oder Bürogebäuden statt oder zusätzlich zu herkömmlichen Heizräumen einzusetzen. Die Vorteile liegen dabei auf der Hand: Durch die räumliche Nähe der Wärmeproduzenten kann diese effizient genutzt werden. Dadurch entfallen für den Hausbesitzer zusätzliche Heizkosten und für den Serverbetreiber die Kosten für Kühlung und Raumbeschaffung. Jedoch müssen dabei die Heizkosten mit den Strom- und Netzwerkkosten abgewogen werden, welche in Wohngebieten üblicherweise teurer sind. Dabei besteht auch die Möglichkeit Servern in Häusern mit einem höheren Heizungsbedarf, z.b. im Winter oder in der Nacht, eine höhere Last zuzuteilen, damit mehr Wärme erzeugt wird. Technische Herausforderungen bestehen vor allem in der Isolierung, der Sicherheit der Daten und der Wartung. 5 Beispiele 5.1 Hagenberg AMSEC Eckdaten Eröffnung: 2006, seither keine Ausfälle 6500m² Nutzfläche Heizenergie: 60kW (gedeckt durch Server) Gesamter Strombedarf p.a.: 720MWh, davon 407MWh für den Serverraum (57%) 7

8 Gesamtkosten C 5,40 pro m² und Jahr (normalerweise etwa C 12-15) Investitionsvolumen: 22 Mio Euro Hintergrund Bei diesem Projekt handelt es sich um die Beheizung eines Bürogebäudes unter Nutzung der Abwärme des Serverraums im selben Gebäude, sowie anderer Teile der Infrastruktur. Es wurde in 0-Energie Szenarion angenommen, d.h. es sollte keine zusätzliche Energie für die Wärmung der Räume, bzw. deren Kühlung im Sommer benötigt werden. Die Heizung wird über die Abwärme der Server, der PCs in den Büros, der Beleuchtung und Testlabors realisiert. Die Herstellerfirma AMSEC ist ein international tätiges Software- und Dienstleistungsunternehmen, das sich mit der Optimierung von industrieller Serienfertigung und energieeffizienter Gebäudetechnik Lösungen beschäftigt Technische Herausforderungen Um die Temperatur des Kühlwassers zu erhöhen, damit die notwendigen 30 C für die Heizung der Räume erreicht werden, wurde das Zuwasser von 12 auf 22 C erhöht und auf eine direkte Rackkühlung zurückgegriffen. Als zusätzliche Sicherung wurden Wärmepumpen verbaut um Spitzen abzufangen, bzw. die gleichmäßige Heizung zu erlauben. Dadurch, dass immer mehr Serverbetreiber auf Virtualisierung setzen, werden auch die einzelnen Geräte immer besser ausgelastet. Beispielsweise hatte ein Kunde 60 Server, die auf einige wenige reduziert wurden, welche mittels Virtualisierung besser ausgelastet werden konnten. Weiters wurde der Einsatz von Thin Clients ausprobiert. Dabei stellte sich jedoch heraus, dass die zusätzliche Konzentration an Rechenleistung im Serverraum keinen Nutzen zur Heizung bzw. Kühlung bot. Weiters konnten nicht alle Abteilungen der Firma mit solchen Geräten ausgestattet werden, da zum Beispiel die Entwicklungsabteilung rechenstarke Maschinen benötigt um ihrer Arbeit nachgehen zu können Detailierte Beschreibung des Systems Hauptsächlich werden zur Temperierung fünf Systeme mit unterschiedlichen Wärmespeicherverhalten genutzt. Dies erlaubt die Überbrückung von Spitzen. 1. Bei den Servern wird horizontale Kühlung genutzt, dabei strömt vorne kalte Luft zum Server und wird hinten als warme Luft gesammelt. Durch dieses Kühlkonzept hat zusätzlich jeder Server seine eigene Luft und es herrscht gleichmäßige Temperatur im Schrank. Die Schränke sind besonders dicht, sodass keine Schmutz oder Staub zu den Servern gelangen kann und im Brandfall sofort mit Löschgas eingegriffen werden kann. 2. Neben der vorher erwähnten Nutzung vom Abwärme der Server und Computer im Haus, gibt es ein Regenwasserbecken für zusätzliches Kühlwasser im Sommer. 3. Zusätzlich ist das Stiegenhaus mit einem automatischen Fensteröffnungssystem versehen, welches zum einen als Abzug im Brandfall dient und zusätzlich in der Nacht geöffnet wird um kalte Luft durchziehen zu lassen und im Sommer den Beton zu kühlen. 4. Zusätzlich wird das Parkdeck zur Kühlung genutzt. Dieses ist an 3 Seiten offen und hat somit genügend Luftzug um Sonden im Beton zu kühlen. Es verfügt sowohl über Rückkühldecken als auch Rückkühlbecken. So ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen der aktuellen Lufttemperatur und jener des Betons im Parkdeck. Dieses Parkdeck genügt um fast 100% der Serverwärme im Sommer rückzukühlen 5. Schließlich werden m tief vergrabene Erdsonden zur Kühlung genutzt. Es wird besonders versucht freie Kühlung, also natürliche Kühlung bei niedriger Außentemperatur, einzusetzen. In Hagenberg lässt man dabei während des Tages einen Raum sehr warm werden, über Nacht wird er wieder abgekühlt. Das ist besonders dann sinnvoll, wenn ein großes Luftvolumen vorhanden ist, das beheizt bzw. gekühlt werden kann. Neben der Kühlung über das Parkdeck nutzt man diesen Effekt auch im Stiegenhaus. Im Sommer wird es tagsüber stark aufgeheizt, in der Nacht hingegen kühlt es massiv ab. 8

9 Das gesamte System wird durch Software und Hardware im Gleichgewicht gehalten. Ständiges Monitoring des Verhaltens aller Relevanten Komponenten ist erforderlich um die Funktionalität zu gewährleisten und auch weiter für die Zukunft zu optimieren. Insgesamt verfügt das System über Messpunkte. Die eigentliche Heizung der Räume funktioniert primär über eine Betonkernaktivierung in der Decke, für Spitzenlasten wird zusätzlich die Außenwand beheizt und Wohnungen und Allgemeinflächen werden mittels Fußbodenheizung gewärmt. Um das Gleichgewicht perfekt zu halten werden sogar Wasserspiele im Haus, die vor allem als Dekoration dienen, genutzt um Verdampfungsenergie zu gewinnen. Das Klima wird durch Pflanzen zur Luftbefeuchtung und eine CO 2 geregelte Lüftung kontrolliert. 5.2 T-Systems, München Bei diesem Projekt im Euroindustriepark München wurde erstmal auf das Prinzip der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung gesetzt, worunter man die gleichzeitige Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie versteht. Die ca. 400 C heiße Abwärme, welche die Brennstoffzelle erzeugt, wird mittels einer Absorptionskältemaschine für die Kühlung der Server verwendet. Daraus ergibt sich eine etwa doppelt so hohe Energieeffizienz wie beim Einsatz strombetriebener Klimaanlagen. Die zum Einsatz kommende Brennstoffzelle, welche einen Teil des Rechenzentrums im Euroindustriepark mit Strom und Kälte versorgt, nennt sich Hot-Module. Sie leistet 250kW elektrische Leistung (wovon 238kW nutzbar sind) und 180kW Dauerleistung für die Kühlung. Als Brennstoff dient Biogas, welches aus dem Münchner Umfeld gewonnen wird und CO 2 -Neutralität gewährleistet. Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle ist des Weiteren um ca. 50% höher (in etwa 47%) als bei herkömmlichen Energieerzeugungsmodellen und erreicht einen Gesamtwirkungsgrad (elektrisch und thermisch) von ca. 90%. Dabei wird der komplette Strombedarf durch die Brennstoffzelle gedeckt, nur im Notfall wird auf das öffentliche Stromnetz zurückgegriffen. Dadurch werden auch kostspielige Aufwendungen in Notstromlösungen, wie etwa Generatoren und Akkus, eingespart. Umgerechnet auf den Strombedarf eines Haushaltes könnte die im T-Systems Rechenzentrum installierte Brennstoffzelle den Jahresbedarf von rund 360 Einfamilienhäusern abdecken. Weiters wird im Rechenzentrum von T-Systems im Euroindustriepark auch nach neuen Möglichkeiten gesucht, Energie in Rechenzentren einzusparen. Dazu gehören z.b. die strikte Trennung von Kalt- und Warmluft, durch welche die Umdrehungsgeschwindigkeit von Lüftern gesenkt werden kann, und die Erhöhung der Raumtemperatur auf 27 C. 5.3 Nestlé Rechenzentrum, Frankfurt Bei dem Neubau des Rechenzentrums von Nestlé in Frankfurt wurde versucht, die Abwärme des selbigen möglichst effizient zu nutzen 12. Durch den Einsatz von Wärmepumpen mit einer Gesamtleistung von 450 kw wird dabei die nutzbare Wärme des Kältekreislaufs auf 70 C erhöht und kann so im Heizsystem des Verwaltungsgebäudes genutzt werden. So kann das System ca. 40 % des Heizbedarfs für die 1200 Mitarbeiter am Standort Frankfurt decken. Leider verweigerte Nestlé trotz mehrmaliger Anfrage die Herausgabe weiterer Informationen über das Rechenzentrum und die Nutzung der Abwärme. 5.4 Conova Rechenzentrum, Salzburg Eröffnung: 2010 Technikfläche: 2000 m 2 (für Server bzw. Max. Leistungsaufnahme: 1,5 MW Heizung: 80 kw (durch Serverabwärme) 260 Racks) Die Besonderheit des neuen Rechenzentrums von Conova ist die effiziente Kühlung. Nicht nur, dass mittels zwei Wärmepumpen bis zu 80 kw der Abwärme des Rechenzentrums zur Heizung der Büros verwendet werden, die Kühlung erfolgt durch ein adiabates Rückholsystem am Dach. Dabei wird mittels Hochdruckpumpen Wasser sehr fein zerstäubt 12 default.aspx 9

10 und durch die Verdunstungskälte dem Kühlmittel die Wärme entzogen. Mit diesem System müssen zusätzliche Kompressionskühlanlagen erst ab einer Außentemperatur von 12 C zugeschalten werden. Im statistischen Mittel ist das in Salzburg nur von Mai bis September der Fall Fazit Ein effizientes, grünes Rechenzentrum kann mit heutiger Technologie durchaus realisiert werden, es erfordert aber ein großes Maß an Planung und Weitblick. Von der verwendeten Hardware über deren direkte Kühlung bis hin zur Aufteilung der Wärmeproduzenten und -verbraucher im Gebäude und am Firmenareal und darüber hinaus müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Ein grünes Rechenzentrum ist nicht nur von der technologischen Weiterentwicklung, sondern auch von Unternehmens- und regionaler Politik abhängig. Auf Seiten der Technik zeichnet sich mit den neuen Entwicklungen von Clustered Systems ein Meilenstein in der Serverkühlung ab. Mit ihrem innovativen Cold-Plate Kühlsystem und ihrem 100 kw Rack wird es nicht nur möglich, die Abwärme normaler Racks für die Kühlung weiterer Server zu verwenden, auch die dadurch stark erhöhte Rücklauftemperatur erleichtert außerdem die weitere Wärmenutzung enorm. Politisch und planerisch sind die Defizite deutlich schwerwiegender. Konzerne wie Nestlé zeigen zwar in verschiedenen Projekten, wie man Wärmeenergie innerhalb des Konzerns aber auch über Firmengrenzen hinweg sinnvoll nutzen kann, ihre abweisende Informationspolitik ist jedoch ebenso bezeichnend wie ernüchternd. Sie rühmen sich mit ihren Errungenschaften, sind aber nicht bereit ihre Erfahrungen zu teilen, wodurch das sprichwörtliche Rad immer wieder neu erfunden werden muss. Ein großes Rechenzentrum sollte derart durch Unternehmen in Zusammenarbeit mit den Kommunen geplant werden, sodass es zum Beispiel mit einem regionalen Fernwärmenetz gekoppelt werden, mit benachbarten Industriebetrieben einen Wärmeaustausch betreiben oder einfach benachbarte Wohngebiete, Einkaufszentren oder Schwimmbäder beheizen kann. Kleine Serverräume können in modernen Gebäuden mit kontrollierter Gesamtbelüftung, wie sie in Passivhäusern üblich ist, mit der warmen Abluft der übrigen Räume über Wärmetauscher zur Heizung verwendet werden oder man kombiniert mehrere Etagenverteiler über ein gemeinsames Kühlsystem zusammen um so rentable Wärmemengen zu sammeln. Auch das Prinzip der großen, zentralen Rechenzentren wird überdacht und es wird nach Lösungen gesucht, welche zugleich redundant und energiesparender sind. Beispiele wie Nano Data Centers und Data Furnace sind hier nur die Spitze des Eisbergs. Egal ob ein Rechenzentrum oder ein kleiner Serverraum betrieben wird, es gibt beinahe immer kreative und innovative Lösungen für das Problem der Wärmenutzung. Man muss sie nur finden. 13 Quelle: ZAMG, 10

11 Literatur [1] [2] Demonstration of Rack-Mounted Computer Equipment Cooling Solutions, Chapter 4 Conclusions and Recommendations [3] U.S. Environmental Protection Agency. Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency - Public Law ENERGY STAR Program development/downloads/epa_datacenter_report_congress_final1.pdf [4] Jie Liu, Michel Goraczko, Sean James, Chrisitan Belady, Jiakang Lu, Kamin Whitehouse: The Data Furnace: Heating Up with Cloud Computing; Microsoft Research, University of Virginia [5] T-Systems: Erneuerbare Energien und Virtualisierung im Trend contentblob/t-systems.de/de/197472_1/blobbinary/backgrounder-green-it-ps.pdf [6] Frank Lampe: Green IT, Virtualisierung und Thin Clients; Vieweg+Teubner Verlag [7] Vytautas Valancius, Nikolaos Laoutaris, Laurent Massoulié, Christophe Diot, Pablo Rodriguez: Greening the Internet with Nano Data Centers; Georgia Tech, Telefonica Research, Thomson [8] [9] Fraunhofer-UMSICHT: Ökologischer Vergleich der Klimarelevanz von PC und Thin Client Arbeitsplatzgeräten Weiterführende Literatur 1. Andy Woods: Cooling the data center; Queue - Data Centers, Volume 8 Issue 3, ACM. March ASHRAE: Environmental Guidelines for Datacom Equipment - Expanding the Recommended Environmental Envelope. ASHRAE Technical Committee Fraunhofer-UMSICHT: PC vs. Thin Client. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung de/pcvstc/ 11

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