Kühlstrategien für kleine IT-Räume

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1 Kühlstrategien für kleine IT-Räume White Paper 68 Version 1 Von Neil Rasmussen und Brian Standley > Zusammenfassung In kleinen IT-Räumen, die zu diesem Zweck ursprünglich nicht konzipiert waren, ist ein Kühlsystem selten vorgesehen. Es wird meistens erst dann implementiert, wenn Störungen auftreten oder überhitzte Geräte ausfallen. Bisher gibt es kein bewährtes Standardverfahren für die Auslegung geeigneter Kühlsysteme mit berechenbarem Verhalten für solche Räume. Eine entsprechende Spezifizierung sollte Kompatibilität mit den erwarteten Lasten gewährleisten, eindeutige Vorgaben für die Konfiguration und Installation der Kühllösungen enthalten, Überdimensionierung vermeiden, Energieeffizienzanforderungen berücksichtigen und ausreichende Flexibilität für die Anwendung auf Räume unterschiedlicher Art bieten. In diesem Dokument beschreiben wir die theoretischen Grundlagen und praktische Anwendung einer verbesserten Methode zur Spezifizierung effektiver Kühlsysteme für kleine IT-Räume. Inhalt Klicken Sie auf den gewünschten Abschnitt, um direkt zu diesem zu gelangen Einleitung 2 Geeignete Betriebstemperaturen für kleine IT-Räume Die Grundprinzipien der Wärmeabfuhr Die fünf Methoden zur Kühlung von IT-Räumen Besonderheiten der Kühlung von IT-Räumen mit eigenen USV-Systemen Merkmale effektiver Belüftungssysteme Fazit 17 Ressourcen 18 by Schneider Electric White Paper sind ab sofort Bestandteil der Schneider Electric White Paper-Bibliothek, welche vom Schneider Electric Data Center Science Center veröffentlicht wird.

2 Einleitung Die Planung von Datacentern und großen IT-Räumen schließt grundsätzlich ein Kühlsystem mit ein. IT-Systeme sind jedoch häufig dezentral in Technikräumen, Büros und Zweigstellen und anderen kleinen, für diesen Zweck nicht vorgesehenen und eingerichteten Räumen untergebracht. Die stetig zunehmende Leistungsdichte und Dezentralisierung von IT- Systemen wie VoIP-Router, Switches oder Server führt leicht zur Überhitzung oder Verkürzung der Lebensdauer wegen unzureichender Kühlung. Häufig wird das Problem schlicht ignoriert die Geräte werden installiert und später auftretende Störungen durch Überhitzung und/oder Systemausfälle jeweils beseitigt. Diese Praxis wird von einer zunehmenden Zahl der Anwender als unbefriedigend empfunden. Sie fordern einen proaktiveren Ansatz, um auch für dezentrale IT-Installationen Verfügbarkeit gewährleisten zu können. In diesem Dokument erklären wir die Grundprinzipien der Kühlung in kleinen, separaten IT-Räumen und stellen ein Verfahren für die effiziente Auslegung und Konfiguration von unterstützenden Kühlsystemen vor. Geeignete Betriebstemperaturen für kleine IT-Räume Für die korrekte Spezifizierung der geeigneten Kühlung für einen Technikraum muss zunächst der Betriebstemperaturbereich der dort installierten Systeme ermittelt werden. IT-Gerätehersteller geben üblicherweise die maximal zulässige Temperatur für den Betrieb ihrer Systeme an. Für die in Technikräumen eingesetzten aktiven IT-Systeme beträgt diese Temperatur meistens 40 C. Das ist die maximale Temperatur, für die der Hersteller den ordnungsgemäßen Betrieb und die Zuverlässigkeit der IT-Systeme für die Dauer der geltenden Garantiezeit gewährleistet. Obwohl die für das System angegebene maximale Betriebstemperatur vom Hersteller als zulässig betrachtet wird, ist dabei jedoch zu bedenken, dass ein Dauerbetrieb bei dieser Temperatur das Niveau der Verfügbarkeit oder Langlebigkeit im Vergleich zu dem Betrieb bei niedrigeren Temperaturen herabsetzen kann. Aus diesem Grund geben einige Hersteller von IT-Systemen neben den maximal zulässigen Betriebstemperaturen auch empfohlene Betriebstemperaturen an. Die von den IT- Geräteherstellern empfohlenen Betriebstemperaturen liegen meistens im Bereich von 21 C bis 24 C. Weiterhin hat der US-amerikanische Verband für Heizungs, Kälte- und Klimatechnik ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineers) im Standard TC 9.9 Richtwerte für empfohlene und zulässige Betriebstemperaturen von IT-Systemen veröffentlicht, um Anwender bei der Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit ihrer Systeme zu unterstützen. Diese Werte sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1 Betriebstemperaturgrenzen nach ASHRAE TC 9.9 Betriebstemperaturen Temperaturbereich Empfohlen C Zulässig C Zielsetzung sollte also immer sein, die Temperaturen nicht über 25 C ansteigen zu lassen. Wo dies nicht möglich ist, kann die Einhaltung von Temperaturen unterhalb der maximal zulässigen Temperatur von 32 C eine sinnvolle Lösung für weniger kritische IT-Räume sein. Temperaturen oberhalb von 32 C sollten aber in jedem Fall vermieden werden, um das Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 2

3 Risiko von Systemausfällen zu reduzieren. Außerdem wird eine Temperatur von 32 C von Organisationen für den Arbeitsschutz wie der OSHA (Occupational Safety and Health Administration) und der Normenorganisation ISO (International Organization for Standardization) als Obergrenze für leichtere Arbeiten angesehen. Eine ausführliche Diskussion von Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen am Arbeitsplatz finden Sie in White Paper 123: Impact of High Density Hot Aisles on IT Personnel Work Conditions. Technikräume, in denen ein USV-System installiert ist, sind jedoch kritischer zu beurteilen. Erhöhte Temperaturen haben weitaus stärkere Auswirkungen auf die Lebensdauer der USV- Batterien als auf andere IT-Systeme. Der Anwender muss damit rechnen, dass eine USV- Batterie bei einer Temperatur von 40 C lediglich eine Lebensdauer von 1,5 Jahren oder weniger erreicht anstelle von durchschnittlich 3 bis 5 Jahren bei normalen Betriebsbedingungen. Eine Betriebstemperatur unterhalb von 25 C sollte hier also unbedingt eingehalten werden. Alternativ kann die unterbrechungsfreie Stromversorgung von Technikräumen durch ein zentrales USV-System sichergestellt werden, das außerhalb des Technikraums in einer ausreichend klimatisierten Umgebung platziert wird. Die Grundprinzipie n der Wärmeabfuhr Für die Analyse von Kühlproblemen sollte die Kühlung eher als Wärmeabfuhr statt als Kühlluftzufuhr verstanden werden. Wärme, die aus einem Raum, in denen IT-Systeme betrieben werden, nicht abgeführt wird, sammelt sich an und führt zu einem Temperaturanstieg. Jedes von den IT-Systemen aufgenommene Kilowatt Energie entspricht einem Kilowatt Wärmeabgabe, das aus dem Raum abgeführt werden muss. Wärme kann man sich als Größe vorstellen, die stets abwärts fließt, also von einem Körper oder Medium höherer Temperatur zu einem Körper oder Medium niedrigerer Temperatur. Wenn man Wärme abführen möchte, muss man den Abfluss zu einem kühleren Ort ermöglichen. In vielen realen Umgebungen ist es jedoch nicht möglich, diese physikalische Gesetzmäßigkeit zu nutzen. Wärme kann einen kleinen, abgeschlossenen Raum wie einen Büro- oder Technikraum auf fünf verschiedenen Wegen verlassen: Wärmediffusion: die Wärme wird über die Wände des Raums abgeleitet Passive Belüftung: die Wärme fließt ohne Lüfterunterstützung durch Öffnung oder Gitter zu kühlerer Luft hin ab Lüfterunterstützte Belüftung: die Wärme wird durch Öffnungen oder Gitter mit integrierten Lüftern zu kühlerer Luft hin abgeführt Komfortklimaanlagen: die Wärme wird mit einer vorhandenen Gebäudeklimaanlage abgeführt Präzisionsklimaanlagen: die Wärme wird mit einer speziellen IT-Klimaanlage abgeführt Die fünf oben aufgeführten Methoden unterscheiden sich in Hinsicht auf ihre Effektivität, Einschränkungen und Kosten. Der Anwender sollte wissen, welche Methode für eine gegebene Installation bereits angewendet wird oder angewendet werden soll, welche Methode unter den gegebenen Umständen unter Berücksichtigung aller Einschränkungen und Präferenzen am besten geeignet ist und wie man bei der Spezifizierung der gewählten Kühllösung vorgeht. Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 3

4 Abbildung 1 kann als allgemeine Richtlinie für die Anwendung von Kühlstrategien auf Basis der Leistungsaufnahme und der Solltemperatur im Raum betrachtet werden, sofern keine außergewöhnlichen Umstände vorliegen. Sie zeigt die Leistungsbereiche, in denen die verschiedenen Verfahren der Wärmeabfuhr anwendbar sind. Die Grenzwerte sollten nicht als Absolutwerte betrachtet werden, weil die Anwendungsbereiche der Methoden überlappen und für das endgültige Kühlkonzept alle Variablen mit einem Einfluss auf die Wärmeabfuhr betrachtet werden müssen. Wir weisen darauf hin, dass in dieser Übersicht nicht auf die Kühlung mit Komfortklimaanlagen eingegangen wird, weil dieses Verfahren mit zu großen Schwankungen und Unsicherheiten verbunden ist. Auf dieses Problem werden wir später noch ausführlicher eingehen. 120 Abbildung 1 Die Anwendbarkeit von Kühlmethoden auf Basis der Leistungsaufnahme und der Solltemperatur im Raum Target Temperature (ºF) CONDUCTION PASSIVE VENTILATION FAN-ASSIST VENTILATION 77ºF 25ºC 70 DEDICATED COOLING Example: 1500 W maintained at 77 F (25 C) falls within the fan-assist range IT Equipment Load (Watts) Um die Auswahl der geeignetsten Methode unter Berücksichtigung einer Reihe von Variablen zu erleichtern, stellen wir den Entscheidungsprozess in Abbildung 2 in einem Flussdiagramm dar. (Auch hier gehen wir auf die Nutzung von Komfortklimaanlagen nicht ein, weil nicht empfehlenswert.) Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 4

5 Abbildung 2 Die Auswahl geeigneter Kühlmethoden zur Aufrechterhaltung des empfohlenen Betriebstemperaturbereichs von C (68 77 F) gemäß ASHRAE Zur Auswahl des Klimaanlagentyps siehe Abb. 8 Deckenmontiert Siehe Abb. 6A Siehe Abb. 6B In die Rackreihe integriert Mobil Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 5

6 Die fünf Methoden zur Kühlung von IT- Räumen In diesem Abschnitt werden wir die fünf Methoden für die Kühlung kleiner IT-Räume eingehender erklären, um Ihnen ein besseres Verständnis für die Leistungsfähigkeit und Einschränkungen bei der Anwendung zu vermitteln. Wärmediffusion: Die Wärme wird durch die Wände des Raums abgeleitet Wenn ein Raum wie die meisten Technikräume vollständig abgeschlossen ist, dann ist die einzige Möglichkeit des Wärmeabflusses die Wärmediffusion durch die Wände. Damit dies funktionieren kann, muss die Temperatur der Luft im Raum höher sein als die Temperatur an den Außenseiten der Raumwände. Das bedeutet in der Praxis, dass der IT-Raum immer etwas wärmer als die Luft in der Gebäudeumgebung sein wird und die Temperaturen im Raum mit zunehmender Leistungsaufnahme der IT-Systeme steigen. Ein Beispiel für das Verhältnis zwischen der Durchschnittstemperatur eines Raums mit einer gleichmäßigen Luftzirkulation und der IT-Last ist in Abbildung 3 dargestellt Conduction Abbildung 3 Raumtemperaturen in Abhängigkeit von der IT Last bei der Kühlung durch Wärmediffusion (Konduktion) Temperature (F) Supports ~ 1000 watts (non-critical closet) Supports ~ 400 watts(critical closet) 90 F (32 C) ASHRAE maximum allow able 77 F (25 C) ASHRAE maximum recommended IT equipment load (w atts) Dem dargestellten Verhältnis ist ein vollständig geschlossener Raum mit den Maßen 3 x 3 x 3 Meter und einer Luftleckage von lediglich 23,6 Litern pro Sekunde zugrunde gelegt, dessen Wände aus Gipskarton bestehen und an Räume angrenzen, die durch eine Komfortklimaanlage auf einer Temperatur von 20 C gehalten werden. Weitere Daten und Annahmen siehe Anhang. Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass dieser typische Technikraum eine IT-Last von bis zu 400 Watt unterstützen kann, wenn kritische Systeme mit zulässigen Betriebstemperaturen von weniger als 25 C (77 F) installiert sind, und eine Last von bis zu 1000 Watt, wenn Betriebstemperaturen von bis zu 32 C (90 F) zulässig sind. Kleine IT-Räume unterscheiden sich jedoch durch ihre Größe und die verwendeten Baumaterialien und unterliegen weiteren Faktoren, die das oben beschriebene Verhältnis Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 6

7 beeinflussen. Dadurch sind der Anwendbarkeit dieser Kühlmethode letztlich Grenzen gesetzt. Tabelle 2 enthält eine Zusammenfassung dieser Schlüsselfaktoren und ihrer Auswirkungen. Tabelle 2 Faktoren, die das Verhältnis zwischen Raumtemperatur und IT-Last beeinflussen, und die zu erwartenden Auswirkungen Raumgröße Faktor Wand-, Decken- und Bodenmaterialien Herunterfahren der Gebäudeklimaanlage bei Nacht Auswirkung auf die Raumtemperatur Ansteigende Temperaturen mit abnehmenden Raumabmessungen Ansteigende Temperaturen mit abnehmender Wärmeleitfähigkeit der Baumaterialien Jede Temperaturerhöhung durch eine Reduzierung der Gebäudeklimaanlagenleistung führt zur Erhöhung der Raumtemperatur um den gleichen Betrag Dem Sonnenlicht ausgesetzte Außenwände / Außentemperatur an warmen sonnigen Tagen Ansteigende Temperaturen mit zunehmenden Wandflächen, die den Außentemperaturen und der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind Den deutlichsten Einfluss haben die Raumabmessungen. Je größer der Raum, desto höher ist die Fähigkeit des Raums zum Wärmetransport, weil an Wänden, Decke und Boden eine größere Oberfläche dafür zur Verfügung steht. Umgekehrt ist die Kühlleistung durch Wärmediffusion umso geringer, je kleiner der Raum ist. Dieser Einfluss auf die Kühlleistung ist in Abbildung 4 dargestellt. 120 Abbildung 4 Auswirkung der Raumgröße auf die Fähigkeit zur Wärmediffusion Temperature (F) Small Closet (8 x 8 x 8 ft) Medium Closet (10 x 10 x 10 ft) Large Closet (20 x 20 x 12 ft) 90 F (32 C) ASHRAE maximum allowable F (25 C) ASHRAE maximum recommended IT equipment load (w atts) Die Baumaterialien von Wänden, Decke und Boden haben einen ähnlichen Einfluss auf das Verhältnis zwischen Temperatur und Last, weil jedes Material eine spezifische Fähigkeit zur Wärmediffusion besitzt. Wenn wir die Gipskartonwände und Akustikdeckenplatten aus obigem Beispiel durch 10 cm starke Wände aus Betonbausteinen und eine 10 cm starke Betonplatte ersetzen, verbessert sich die Kühlleistung wie in Abbildung 5 dargestellt. Ein Umstand, der die Kühlleistung der Wärmediffusion häufig vermindert, ist eine Erhöhung der Lufttemperatur in der Gebäudeumgebung durch das Herunterfahren der Klimaanlage an den Wochenenden. In solchen Fällen steigt die Temperatur im IT-Raum um den gleichen Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 7

8 Betrag an. In unserem Beispiel heißt das: wenn die Gebäudeklimaanlage von 20 auf 29 C herunter geregelt wird (einem Temperaturanstieg von 9 C entsprechend), ist im IT-Raum mit einem Temperaturanstieg von ebenfalls 9 C zu rechnen. Das bedeutet, in einem kritischen IT-Raum, in dem die Temperatur bis zu 25 C betragen darf, kann die Wärmelast nicht adäquat abgeleitet werden, und in einem unkritischen IT-Raum, in dem die Temperatur bis zu 32 C betragen darf, kann nur eine Wärmelast von 250 Watt unterstützt werden Gypsum Wall Board 4 in. Concrete Block Abbildung 5 Auswirkung der Baumaterialien auf die Kühlleistung der Wärmediffusion Temperature (F) Temperature difference due to construction material 90 F (32 C) ASHRAE maximum allow able F (25 C) ASHRAE maximum recommended IT equipment load (w atts) Eine andere Einschränkung für diese Kühlmethode ist gegeben, wenn eine Wand des IT- Raums eine Gebäudeaußenwand ist, weil die Raumtemperatur dann dem Einfluss der Temperatur an der Außenwand unterliegt, die wiederum von der Temperatur der Außenluft und der Erwärmung durch die Sonnenlichteinstrahlung abhängt. Aus diesen Gründen kann ein IT-Raum mit einer Außenwand an warmen oder sonnigen Tagen überhitzt werden. In unserem Beispiel eines Raums mit den Maßen 3 x 3 x 3 Meter steigt die Temperatur um 4 C bis 7 C an, wenn die Außentemperatur 38 C und die Sonneneinstrahlung im ungünstigsten Fall Watt pro Quadratmeter beträgt. Zusammenfassend gilt, dass geschlossene IT-Räume je nach Größe, Konstruktion und der angrenzenden Umgebung eine unterschiedliche Kühlleistung durch Wärmediffusion aufweisen. Im Allgemeinen gilt die Empfehlung, Wärmediffusion als einzige Kühlmethode für kritische IT-Räume nur dann einzusetzen, wenn die Leistungsaufnahme der Systeme im Raum weniger als 400 Watt beträgt. Dabei sind die übrigen, oben angeführten Faktoren mit einem Einfluss auf die Kühlleistung zu berücksichtigen. Analog sollte die Wärmediffusion nur dann zur Kühlung unkritischer Räume genutzt werden, wenn die Leistungsaufnahme der installierten Systeme unter 1000 Watt liegt. Dadurch ist die Anwendung der Wärmediffusion auf die Kühlung von IT-Systemen mit sehr niedriger Leistungsaufnahme (wie z. B. kleine, stapelbare Netzwerk-Switches) begrenzt. Wie den dargestellten Beispielen zu entnehmen ist, steigt die Temperatur mit wachsender Last schnell an. Dabei ist zu beachten, dass auch andere Wärmequellen, wie z. B. Glühlampen, die Wärmelast spürbar erhöhen. Daher sollten für die Beleuchtung von IT-Räumen die effizienteren Energiesparlampen eingesetzt werden. Außerdem sollte die Beleuchtung durch das Türschließen automatisch ausgeschaltet werden oder es sollte soweit möglich ganz auf eine Beleuchtung verzichtet werden. Passive und lüfterunterstützte Belüftung: Die Wärme fließt durch Öffnung oder Gitter zu kühlerer Luft hin Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 8

9 IT-Räume können auch gekühlt werden, indem man der Wärme den Abfluss zu kühlerer Raumluft in der Gebäudeumgebung ermöglicht. Die Belüftung kann passiv mit Hilfe zweckmäßig platzierter Öffnungen oder Abzüge erfolgen oder sie kann durch Lüfter unterstützt werden. Das Grundprinzip besteht darin, sicherzustellen, dass ein Ausgleich zwischen der höheren IT-Raumlufttemperatur und der Lufttemperatur in der Gebäudeumgebung hergestellt werden kann. Beispiele für Belüftungssysteme sind in Abbildung 6 dargestellt. Abbildung 6 Zwei Beispiele für Belüftungssysteme von IT- Räumen 6A (links) Passive Belüftung 6B (rechts) Lüfterunterstützte Belüftung Siehe Abb. 9 zur Platzierung von Lüftereinheiten im Raum Abbildung 7 veranschaulicht den Temperaturanstieg in belüfteten IT-Räumen in Abhängigkeit von der IT-Last Conduction Passive Ventilation Abbildung 7 Raumtemperatur in Abhängigkeit von der IT- Last bei der passiven und lüfterunterstützten Belüftung Temperature (F) Supports ~ 1750 watts (non-critical closet) Supports ~ 4500 watts (non-critical closet) Fan-assisted Ventilation 90 F (32 C) ASHRAE maximum allow able 70 Supports ~ 700 watts (critical closet) Supports ~ 2000 watts (critical closet) IT equipment load (w atts) 77 F (25 C) ASHRAE maximum recommended Die Abbildung zeigt zwei verschiedene Kennlinien für belüftete Räume. Die Kennlinie für die passive Belüftung (grün) basiert auf der Installation von Luftöffnungen, wie in Abbildung 6A dargestellt. Bei der Unterstützung der Belüftung mit Lüftern, wie in Abbildung 6B dargestellt, ist der Temperaturanstieg bei zunehmender Last niedriger (blaue Kennlinie) als bei der passiven Belüftung. Die Kennlinie für die lüfterunterstützte Belüftung gilt für Lüfter mit einem Luftvolumenstrom von 226,5 Litern pro Sekunde. Durch eine Erhöhung des Luftvolumenstroms (also durch die Verwendung von Lüftern mit höherer Leistung oder die Installation Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 9

10 weiterer Lüftereinheiten) wird der Temperaturanstieg in Abhängigkeit von der Last weiter reduziert. Die Belüftung ist eine sehr zweckmäßige Methode für die Kühlung kleiner IT-Räume. Bei Wärmelasten von unter 700 Watt ist eine passive Belüftung für die Kühlung kritischer IT-Räume ausreichend. Bei Wärmelasten von über 700 Watt sollte die Belüftung in kritischen Räumen durch Lüfter unterstützt werden. Noch höhere Wärmelasten können unterstützt werden, wenn Lüfter mit höherer Leistung verwendet oder zusätzliche Lüftereinheiten installiert werden. Entsprechend ist passive Belüftung für die Kühlung von unkritischen Räumen mit Lasten von bis zu 1750 Watt ausreichend und lüfterunterstützte Belüftung für Lasten von 1750 bis 4500 Watt. Auch andere Faktoren, wie die Anordnung der Lufteinlassöffnungen und Lüftereinheiten in Relation zu den IT-Systemen, können zur Erhöhung der Kühlleistung beitragen. Weiterhin ist zu beachten, dass die in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellten Einflussfaktoren auch bei Belüftungssystemen berücksichtigt werden müssen. Komfortklimaanlage: Die Wärme wird mit einer Gebäudeklimaanlage abgeführt In vielen Gebäuden ist bereits eine Klimaanlage oder ein kombiniertes System für Heizung und Klimatisierung vorhanden, um ein angenehmes Raumklima für den Menschen zu schaffen. Bei zentralen Klimaanlagen ist immer ein Luftkanalsystem im Gebäude installiert und es ist daher verlockend, einfach zusätzliche Kanäle zu verlegen, um den IT-Raum, wie bei neuen Büroräumen üblich, an das Klimatisierungssystem anzuschließen. Die Verlegung zusätzlicher Luftkanäle allein löst das Problem der Kühlung von IT-Räumen jedoch selten. Häufig wird es dadurch sogar verschlimmert. Komfortklimaanlagen schalten sich automatisch ein und aus. Der Thermostat zur Regelung der Anlage ist üblicherweise irgendwo im Gebäude und nicht direkt im IT-Raum platziert. Für einen kleinen Raum, wie einen Technikraum mit IT-Systemen, hat das zur Folge, dass die Temperatur abnimmt, wenn die Klimaanlage eingeschaltet ist, und zunimmt, wenn sie ausgeschaltet ist. Dadurch entstehen große Temperaturschwankungen, die für die IT-Geräte im Endeffekt belastender sind als eine höhere, aber dafür gleichbleibende Temperatur. Darüber hinaus ist es eine inzwischen weit verbreitete Energiesparmaßnahme, Komfortklimaanlagen in der Nacht und an Wochenenden durch die Erhöhung des Temperatursollwerts herunterzufahren. Manche werden sogar ganz ausgeschaltet. Wenn ein Technikraum als Teil eines größeren Gebäudebereichs behandelt wird, nimmt die Temperatur in diesem Raum durchschnittlich um den gleichen Betrag zu, um den der Temperatursollwert der Klimaanlage erhöht wurde. Wenn man sich entschließt, den IT-Raum an das Versorgungssystem dieser Gebäudeklimaanlage anzuschließen, kann man anschließend nur zwischen den Alternativen wählen: nachts und am Wochenende Energie zu verschwenden oder eine Verschlimmerung der Temperaturschwankungen im IT-Raum durch die Energiesparmaßnahmen hinzunehmen. Wenn man die Komfortklimaanlage eines Gebäudes für die Kühlung eines IT-Raums nutzen will, muss man für diesen Raum eine eigene Zone einrichten, die über eigene, korrekt dimensionierte Zu- und Abluftkanäle, Endgeräte (wie z. B. Wärmetauscher-Lüfter-Einheiten, Lüfterdrehzahlregler) und Temperaturregler (Thermostate) verfügt. Dies ist jedoch zu arbeitsund kostenaufwendig. Zu den Problemen bei der Einrichtung einer eigenen Kühlzone für einen IT-Raum zählen: Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 10

11 Die Gewährleistung eines ausreichend hohen und konstanten statischen Drucks in der Versorgungsleitung zum Lüfterdrehzahlregler ist schwierig, besonders an warmen Tagen mit einer hohen Auslastung des Gebäudeklimaanlagensystems Die sehr geringe Fähigkeit zur Unterstützung hoher Leistungsdichte die meisten Komfortklimaanlagen sind für eine Kühlleistung von 43 bis 54 W/m 2 ausgelegt. Das entspricht einer Leistungsdichte von nur 150 Watt pro Rack (bei einer Oberfläche von ca. 2,8 m 2 pro Rack) Fehlende Skalierbarkeit Hohe Implementierungskosten Zudem ist ein zentrales Kühlsystem oft auch Teil des Haupt- oder Nebenheizungssystems. In diesem Fall würde eine Versorgungsleitung, die für die Kühlluftzufuhr in den IT-Raum installiert wird, dem Raum während der Heizperiode im Winter Wärme zuführen. Das ist in keinem Fall erwünscht. Das Klimatisierungssystem eines Gebäudes für die Kühlung von IT-Räumen zu nutzen, ist im Allgemeinen nicht sinnvoll. Falls ein Leitungssystem vorhanden ist, sollte es entfernt oder verschlossen werden und durch eines der anderen, in diesem Dokument beschriebenen Kühlsysteme ersetzt bzw. ergänzt werden. Präzisionsklimaanlagen: Die Wärme wird mit einer speziellen IT- Klimaanlage abgeführt Die effektivste Möglichkeit zur Regelung der Temperatur in kleinen IT-Räumen ist die Installation spezieller Klimaanlagen. Präzisionsklimaanlagen für IT sind jedoch sehr viel kostenaufwendiger und komplexer als Systeme für die passive oder lüfterunterstützte Belüftung und sollten deswegen nur eingesetzt werden, wenn es unumgänglich ist. Im Allgemeinen sind Präzisionsklimaanlagen für die Kühlung kritischer IT-Räume mit einer Leistungsaufnahme von über 2000 Watt oder unkritischer IT-Räume mit über 4500 Watt zu empfehlen. Bei der Bestimmung der Leistung sollten die technischen Daten der IT-Hersteller zum Energieverbrauch der Systeme zu Rate gezogen werden und dabei möglichst der Energieumsatz der IT-Systeme in der vorliegenden Konfiguration ermittelt werden. Die tatsächliche Leistungsaufnahme liegt meistens deutlich unterhalb des nominellen Energieverbrauchs, welcher auf dem Typenschild an der Geräterückseite angegeben wird, und die Ermittlung der korrekten Daten für die Auslegung einer Kühllösung kann beträchtliche Kosten sparen und die Implementierung erleichtern. So haben konfigurierbare Router mit einer auf dem Typenschild angegebenen nominellen Leistungsaufnahme von 5 bis 6 kw in vielen Anwenderkonfigurationen eine tatsächliche Leistungsaufnahme von 1 bis 2 kw. In solchen Fällen kann eine exakte Datenermittlung ergeben, dass die Installation einer Klimaanlage unnötig ist. In manchen Fällen kann der Einsatz einer Präzisionsklimaanlage angezeigt sein, obwohl ein Belüftungssystem technisch ebenfalls machbar wäre. Zu diesen Fällen zählen: Die zur Belüftung genutzte Luft außerhalb des IT-Raums enthält große Mengen Staub oder andere Verunreinigungen Die zur Belüftung genutzte Luft außerhalb des IT-Raums unterliegt zu hohen Temperaturschwankungen Durch praktische Einschränkungen wie die Bedingungen von Mietverträgen oder optische Aspekte ist die Installation zusätzlicher Belüftungskanäle ausgeschlossen Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 11

12 In solchen Fällen ist die Nutzung der Gebäudeumgebungsluft zur Belüftung nicht sinnvoll und die einzig machbare Lösung der Einsatz einer Präzisionsklimaanlage. Wenn eine Präzisionsklimaanlage zur Kühlung eines kleinen IT-Raums erforderlich ist, kann unter verschiedenen Anlagentypen ausgewählt werden. Weitere Informationen siehe White Paper Nr. 59: The Different Types of Air Conditioning Equipment for IT Environments. Die Auswahl des für den jeweiligen IT-Raum geeigneten Typs einer Präzisionsklimaanlage richtet sich hauptsächlich nach den baulichen Gegebenheiten und kann anhand des in Abbildung 8 dargestellten einfachen Flussdiagramms durchgeführt werden. Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 12

13 START NO Is there a return plenum available with sufficient capacity on building AC system? YES Air-cooled, self-contained (portable, in-row, or ceiling mount) Chilled water Chilled water (ceiling or inrow / floor mount) Abbildung 8 NO Is there access to building s chilled water, condenser water, or glycol loop with sufficient capacity? YES Condenser water Water-cooled (ceiling or inrow / floor mount) Auswahl geeigneter Präzisionsklimaanlagen Glycol Glycol-cooled (ceiling or inrow / floor mount) NO Is an outside wall or roof within 100 ft (30 m) of the room? YES Air-cooled with remote condenser (ceiling or inrow / floor mount) Glycol-cooled (ceiling or inrow / floor mount) with fluid cooler and pump package Deckenmontierte Klimaanlage In die Rackreihe integrierte Klimaanlage Mobile Klimaanlage Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 13

14 Besonderheiten der Kühlung von IT-Räumen mit USV-Systemen Für die Gewährleistung von Geschäftskontinuität hat es sich bewährt, in kleinen, dezentralen IT-Räumen eigene USV-Systeme einzusetzen. Diese USV-Systeme können für die kurze Unterstützung der IT-Last im Raum mit begrenzter Batteriekapazität ausgelegt oder größer dimensioniert werden, um längere Autonomiezeiten (von mehr als einer Stunde) zu ermöglichen. In beiden Fällen ist die von der USV erzeugte Wärmelast normalerweise deutlich kleiner als die IT-Last und kann gefahrlos ignoriert werden. Wenn ein USV-System installiert ist, bleiben die IT-Geräte jedoch während eines Stromausfalls in Betrieb und produzieren weiterhin Abwärme. Daher muss auch das Kühlsystem in Betrieb bleiben. Bei Autonomiezeiten von weniger als 10 Minuten hält die Speichermasse der Luft und der Wandoberflächen im Raum die Temperatur innerhalb akzeptabler Grenzen und keine besonderen Vorkehrungen sind nötig. Wenn die USV jedoch für die Bereitstellung einer Autonomiezeit von mehr als 10 Minuten konfiguriert ist, muss das Kühlsystem während dieser Zeit ebenfalls in Betrieb bleiben. Das bedeutet, wenn ein Lüfter oder eine Klimaanlage installiert ist, muss auch dieses Gerät von der USV mit Strom versorgt werden und der zusätzliche Strombedarf bei der Dimensionierung der USV berücksichtigt werden. Werden Lüfter genutzt, ist dies kein großes Problem, aber bei Klimaanlagen ist eine deutlich größere USV mit höherer Batteriekapazität erforderlich (dabei muss der Kompressoreinschaltstrom mit eingerechnet werden, der häufig 4 bis 6 Mal größer als die nominelle Leistungsaufnahme der Klimaanlage ist). Als einfache und kosteneffiziente Alternative zur Stromversorgung einer Präzisionsklimaanlage durch die USV kann ein Lüftersystem installiert werden, das bei einem Netzausfall anstelle der Klimaanlage die Kühlung übernimmt. Im Idealfall wird also das Lüftersystem bei einem Stromausfall weiter mit Strom versorgt und hält einen gewissen Luftaustausch im Raum aufrecht, während die Präzisionsklimaanlage in dieser Zeit außer Betrieb ist. Nach der Rückkehr der Stromversorgung (jede Klimaanlage sollte über eine Funktion für den automatischen Neustart verfügen) wird das lüfterunterstützte Belüftungssystem wieder ausgeschaltet. Merkmale effektiver Belüftungs-systeme Aus dem Gesagten wird klar, dass in einem kleinen IT-Raum bei zu großer Wärmeentwicklung für Abhilfe zu sorgen ist und die einfacheren Lösungen der passiven oder lüfterunterstützten Belüftung soweit irgend möglich vorzuziehen sind. Obwohl dem Anwender viele Möglichkeiten für die Konfiguration von Belüftungssystemen mit Hilfe handelsüblicher Komponenten zur Verfügung stehen, sind auch fertige Komplettlösungen speziell für die Kühlung von kleinen IT-Räumen erhältlich. Tabelle 3 soll dem Anwender mit einer Reihe von Merkmalen effektiver Lüftersysteme für kleine Räume Hilfestellung bei der Auswahl geben. Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 14

15 Merkmal Vorteil Wand- und Deckenmontage möglich Auf die erwartete IT-Last auslegbar Remote-Management-Unterstützung Mehr Flexibilität, weil die Lösung in unterschiedlichen IT-Räumen einsetzbar ist Größeres Vertrauen in die Zuverlässigkeit der Lösung Kürzere Reparaturzeiten (MTTR) Variable Lüfterdrehzahl Reduzierung v. Geräuschpegel und Energieverbrauch, wenn max. Leistung unnötig Tabelle 3 Merkmale und Vorteile effizienter Belüftungssysteme Einheit mit mehr als einem Lüfter Manipulationssicherer Einbau Einfache Installation Lüfterredundanz erhöht die Fehlertoleranz Höheres Sicherheitsniveau Weniger Aufwand durch bauliche Maßnahmen im IT-Raum und die Beauftragung externer Dienstleister Minimaler Montageaufwand Schnelle, einfache Installation Mit fertigen Stromanschlüssen oder zur Festverdrahtung erhältlich Einfache Anpassung an die lokalen Stromversorgungsanforderungen Großer Leistungsbereich Für den Einsatz mit einem USV-System ausgelegt und vorbereitet Standardisierung auf ein Gerät für verschiedene Installationen ist möglich Höhere Gesamtsystemverfügbarkeit Ein Beispiel für ein Lüftersystem, das die oben genannten Merkmale aufweist, ist in Abbildung 9 dargestellt. Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 15

16 LÜFTER AUS Abbildung 9 Lüftereinheit zur Unterstützung der Belüftung im IT-Raum Gitter EIN Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 16

17 Fazit Für die meisten kleinen IT-Räume ist Belüftung die einfachste und effizienteste Kühlstrategie. Bei niedrigerer Leistungsdichte ist ein gut geplantes und implementiertes System für passive Belüftung ausreichend. Für IT-Räume mit einer höheren Leistungsaufnahme durch Geräte wie VoIP-Router oder Server ist dagegen eine lüfterunterstützte Belüftung empfehlenswert. Wenn die Leistungsaufnahme in kritischen IT-Räumen oberhalb von 2000 Watt liegt (4500 in unkritischen Räumen) oder die Umgebungsluft außerhalb des IT-Raums warm, unkontrollierbar oder verunreinigt ist, sollte eine Präzisionsklimaanlage zum Einsatz kommen. Die Nutzung einer im Gebäude vorhandenen Klimaanlage für die Kühlung von IT-Räumen ist nicht zu empfehlen, weil dies in den meisten Fällen mit übermäßigen Temperaturschwankungen im IT-Raum verbunden ist. Die in diesem Dokument vorgestellten Richtlinien unterstützen den Anwender bei der Auswahl geeigneter Kühllösungen für kleine IT-Räume. Die Verfügbarkeit von speziell für IT- Räume konzipierten Belüftungssystemen vereinfacht den Entscheidungsprozess und ermöglicht die Nutzung standardisierter Kühllösungen für IT-Räume. Zu den Autoren Neil Rasmussen ist Senior VP von Innovation bei Schneider Electric. Er gibt mit dem weltgrößten F&E-Budget für die Entwicklung der Stromversorgungs-, Kühlungs- und Rack- Infrastruktur für kritische Netzwerke die technologische Ausrichtung des Unternehmens vor. Neil Rasmussen ist Inhaber von 19 Patenten im Bereich hocheffizienter Stromversorgungsund Kühlungsinfrastruktur für Datacenter mit hoher Leistungsdichte. Er hat über 50 White Paper zu Stromversorgungs- und Kühlsystemen veröffentlicht, viele davon wurden in mehr als 10 Sprachen übersetzt. In der letzten Zeit stand dabei zunehmend die Optimierung der Energieeffizienz im Vordergrund. Er ist ein international angesehener Experte zum Thema hocheffiziente Datacenter. Neil Rasmussen arbeitet aktuell an Projekten zur Weiterentwicklung von hocheffizienten, skalierbaren Datacenter-Infrastrukturlösungen und ist der Chefentwickler des APC InfraStruXure Systems. Vor der Gründung von APC im Jahre 1981 graduierte Neil Rasmussen am MIT zum Bachelor und Master in Elektrotechnik. Hier veröffentlichte er auch seine Dissertation über die Analyse einer 200-MW-Stromversorgung für einen Tokamak-Fusionsreaktor. Von 1979 bis 1981 arbeitete er bei den MIT Lincoln Laboratories an der Entwicklung von Schwungrad- Energiespeichersystemen und Solarstromsystemen. Danksagungen Besonderer Dank geht an Brian Standley für die Originalverfassung dieses White Papers. Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 17

18 Ressourcen Klicken Sie auf das Symbol, um zur gewünschten Ressource zu gelangen Impact of High Density Hot Aisles on IT Personnel Work Conditions White Paper 123 The Different Types of Air Conditioning Equipment for IT Environments White Paper 59 Alle White Paper anzeigen whitepapers.apc.com Alle TradeOff Tools anzeigen tools.apc.com Kontaktieren Sie Feedback und Kommentare zum Inhalt dieses White Papers: Data Center Science Center Wenn Sie Kunde sind und spezielle Fragen zu Ihrem oder einem Datacenter- Projekt haben: Wenden Sie sich an einen Mitarbeiter von Schneider Electric Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 18

19 Anhang: Angenommene Bedingungen in einem typischen IT-Raum Der in diesem Dokument beschriebene typische kleine IT-Raum basiert auf einem umfangreichen Modell, bei dem die Wandeigenschaften in Hinsicht auf die Wärmediffusion, Konvektion und Wärmestrahlung berücksichtigt werden. Konvektion beinhaltet freie Konvektion an den Raumwänden sowie einen angenommenen Luftstrom (Luft, die durch Fugen aus dem Raum entweicht). Die Bedingungen in unserem Modell eines typischen IT- Raums sind wie folgt: Raumabmessungen 3 x 3 x 3 Meter Temperatur in der Gebäudeumgebung 20 C (68 F) Tabelle A1 Bedingungen in einem typischen IT-Raum Verwendete Baumaterialien: Innere Seitenwände: Luftdicht abgeschlossene Stahlständerwand mit Gipskartonplattenverkleidung Boden: 10 cm starke Betonplatte Decke: 12,7 mm starke Akustikdeckenplatten Außenwand: Betonsteinwand mit Dämmung aus Hartschaumplatten und Innenverkleidung mit Gipskartonplatten Wärmeübergangskoeffizient der Außenwand bei einer Windgeschwindigkeit von 3,4 m/s (12 km/h) Innere Seitenwände: R* = 0,29 Boden: R = 0,1 Decke: R = 0,22 Außenwand: R = 1,32 *R = Wärmedurchgangswiderstand h = 22,7 (m² C/W) Relative Luftfeuchtigkeit 50% Luftleckrate (Durchschnittswert für den Luftaustritt durch Türfugen und/oder eine abgehängte Decke) 23,6 Liter/Sekunde Schneider Electric Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 19

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