Intelligente Klimatisierungskonzepte für Rechenzentren

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1 Energiefresser adieu - Effizienz durch optimale Klimatisierung Intelligente Klimatisierungskonzepte für Rechenzentren Bernd Hanstein, Hauptabteilungsleiter Produktmanagement IT, Rittal, Herborn Kerstin Ginsberg, PR-Referentin IT, Rittal, Herborn Unabhängig von der Größe steht jedes Rechenzentrum vor der gleichen Herausforderung. Die Energie, die von den Servern, Speichersystemen und Netzwerkkomponenten zum Betrieb benötigt wird, wandelt sich in Wärme um, die abgeführt werden muss. Die Klimatisierung wird damit zu einer Schlüsseltechnologie für den effizienten Betrieb von Rechenzentren. Um Effizienzpotenziale im Rechenzentrum ausfindig zu machen, bietet sich ein optimiertes Klimatisierungskonzept bestens an. Grundsätzlich lässt sich die sogenannte Kühlungskette im Rechenzentrum in die drei Bereiche Kälteerzeugung, Kältetransport und Kälteverteilung aufgliedern. In den meisten Rechenzentren findet sich ein Kaltwassersatz, in einer Kombination eines Frei- oder Trockenkühlers mit einem oder mehreren Chillern. In diesem Konzept wird die Kälte mit Hilfe von gekühltem Wasser in das RZ transportiert, während die Abwärme durch das erwärmte Wasser im Rücklauf wieder aus dem RZ gebracht wird. Die Kühlung des Wassers erfolgt dabei über den Wärmetauscher des Freikühlers, indem die kalte Außenluft durch den Wärmetauscher geblasen wird. Schließlich pumpt die Anlage das gekühlte Wasser wieder in das RZ zurück. In welchem Umfang der Freikühler genutzt werden kann, hängt von zwei wesentlichen Faktoren ab: die Vorlauftemperatur des Wassers und die Außentemperatur der Luft. Vorlauf- und Außentemperatur Die Vorlauftemperatur des Wassers legt fest, mit welcher Temperatur das Wasser durch den Wärmetauscher im RZ strömt, um dort kalte Zuluft für die Server bereitzustellen. Dabei können Server laut ASHRAE 1 problemlos mit einer Zuluft von bis zu 27 Celsius betrieben werden. Auf welche Temperatur die Vorlauftemperatur des Wassers eingestellt werden muss, hängt dabei von den Temperaturverlusten im Kältetransport und von der Effizienz der Kälteverteilung ab. Da in europäischen Breiten im Großteil eines Jahres die Freikühlung durch Außenluft möglich ist, spart der Anwender gleichzeitig Geld und Energie: 1 ASHRAE: Die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers ist ein Berufsverband aller in Heizungs-, Kühlungs-, Lüftungs- und Klimaanlagenbau Tätigen in den USA. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Förderung von Gebäudeklimamanagementtechnologien in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Industrie. Der Verband spricht Empfehlungen mit internationaler Tragweite aus.

2 Die kühle Luft muss nicht mühsam erzeugt werden. Doch auch ein Mischbetrieb ist möglich, wobei zunächst mit dem Freikühler das Wasser vorgekühlt wird und dann mit dem Chiller die gewünschte Vorlauftemperatur erzeugt wird. Nur an sehr heißen Sommertagen wenn die Außentemperatur größer als die Rücklauftemperatur des Wassers ist, wird der reine Chiller-Betrieb gefahren. Kühlung durch Meerwasser Alternative Kältequellen können z. B. durch die Geothermie aber auch durch Meerwasser bereitgestellt werden. Das kalte Außenwasser kann beispielsweise mittels Pumpen aus dem Grundwasser gewonnen werden. Da hier zwei Wasserkreisläufe streng voneinander getrennt sind und nur über einen Wärmetauscher gekoppelt sind, lässt sich auch kaltes Meerwasser nutzen. Wird bei dieser Art der Freikühlung Wasser als Transportmedium genutzt, so spricht man auch von der indirekten Freikühlung. Bei der direkten Freikühlung wird die kalte Luft als Transportmedium genutzt. Wärmetauscher, Pumpen und Rohrleitungen entfallen damit, so dass eine weitere Effizienzsteigerung möglich ist. Hocheffizient, sicher und redundant: Acht Umluft-Klimasysteme stellen z. B. im Rechenzentrum der IGN GmbH die Kühlung sicher. Seite 2

3 Umgebungsparameter beachten Bei einer Serverzulufttemperatur von bis zu 27 Celsius lässt sich die kühle Außenluft zu einem großen Teil des Jahres nutzen, ohne dass zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung notwendig sind. Jedoch sind bei der direkten Freikühlung die folgenden Randbedingungen zu beachten: Die in das RZ einströmende Luft darf nicht zu kalt sein, da es sonst zur Kondensatbildung kommen kann. Die einströmende Luft wird daher mit der warmen Abluft so gemischt, dass die optimale Serverzulufttemperatur erreicht wird. Ebenso muss die Luftfeuchtigkeit beachtet werden (Kondensat, statische Aufladungen) und gegebenenfalls Be- oder Entfeuchter eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch Filter gegen Staub und unter Umständen gegen schädliche Gase einzusetzen. Steigt die Außentemperatur über die Zulufttemperatur, so sind zusätzliche Kühlungsmaßnahmen vorzusehen. Dies können Chiller sein, die kalte Luft beimischen, oder auch neuartige Verfahren, wie die adiabatische Kühlung, bei der ein feiner Wassernebel versprüht wird. Dabei erzeugt die Verdunstungskälte die gewünschte Temperatur, wobei zugleich die Luftfeuchtigkeit angehoben wird. Einen interessanten Ansatz der direkten Freikühlung bieten Rotationswärmetauscher, wie sie seit Jahrzehnten bei der Gebäudeklimatisierung zur Wärmegewinnung zum Einsatz kommen. Der Weg der Kälte Der Wärmetauscher ist bei diesem Ansatz als großes, sich drehendes Rad ausgeführt. Die eine Hälfte befindet sich im RZ, die andere Hälfte außerhalb, der Übergang ist über Lamellen abgedichtet. Im Außenbereich strömt die kalte Luft durch den Wärmetauscher und kühlt diese ab. Der sich drehende Wärmetauscher transportiert so die Kälte ins RZ. Hier wird er von der warmen Abluft der Server durchströmt und kühlt diese wieder ab. Da zwischen RZ und Außenbereich kein Luftaustausch stattfindet, muss einer Be- oder Entfeuchtung nicht Rechnung getragen werden. Mit der direkten Freikühlung lassen sich hervorragende Effizienzwerte erzielen, wie zahlreiche Kundenapplikationen belegen. Gezielte Luftführung ist entscheidend Ein wichtiger Punkt bei der Erstellung eines ganzheitlichen Klimatisierungskonzeptes für Rechenzentren ist die effiziente Kälteverteilung in den Serverräumen. Hierbei spielt die mittlere Wärmelast eines Serverschranks eine entscheidende Rolle. Liegt die Wärmelast unterhalb von 6 bis 7 kw pro Schrank, ist es möglich, über einen Druckdoppelboden die kalte Luft mit Hilfe von CRAC-Systemen (Computer Room Air Conditioning) den Servern zuzuführen. Die CRAC-Systeme saugen die warme Luft des Serverraumes an, kühlen diese über Wärmetauscher ab und blasen die kalte Luft in den Doppelboden. Perforierte Bodenplatten vor den Serverschränken der Schrankreihen erlauben eine gezielte Luftzufuhr. Es empfiehlt sich eine Gangeinhausung vorzusehen, mit deren Hilfe die kalten und warmen Seite 3

4 Luftbereiche voneinander getrennt werden, um so eine Vermischung von warmer und kalter Luft zu verhindern und Energie einzusparen. Dazu wird zunächst der Schrank abgedichtet, um Luftkurzschlüsse zwischen Vorder- und Rückseite zu verhindern, so dass die kalte Luft ausschließlich durch die Server strömen kann. Die Schrankreihen selbst werden so angeordnet, dass jeweils die Vorderseiten bzw. die Rückseiten einander gegenüberstehen und so einen Kalt- bzw. Warmbereich bilden. Über den Gängen, genau wie bei den Zugängen der Gänge, wird geschottet, so dass die Luft in dem abgegrenzten Volumen bleibt. Für die Gangeinhausung im Rechenzentrum ist ein Systemlieferant gefragt, der sich mit den Racks und der Kühlung gleichermaßen auskennt sowie die Stromversorgung per USV beherrscht und Messsysteme wie PDUs samt Monitoring und Software liefern kann. Seite 4

5 Steigende Verlustleistung steigende Herausforderung Befindet sich in einem derartigen Raumkühlungskonzept ein High-Density-Cluster mit einer wesentlich höheren Verlustleistung im Schrank, so wird es nicht möglich sein, über den Druckboden ausreichend Kaltluft zuzuführen. Dieser Hot-Spot muss dann mit einer Schrankkühlung versehen werden. Steigt die mittlere Verlustleistung in den Schränken, so wird es zunehmend schwerer über den Doppelboden Kaltluft zur Verfügung zu stellen. Eine Alternative stellt die sog. Reihenkühlung dar. Die Wärmetauscher stehen hierbei mit den Serverschränken in einer Reihe und bilden eine Kaltgang-Warmgang-Situation. Ein Doppelboden zur Luftführung wird nicht benötigt, da die Reihenklimatisierungsgeräte die kühle Luft direkt in den Kaltgang blasen, so dass sie von den Servern angesaugt werden kann. Die Abluft der Server wird im Warmgang über die Reihenklimatisierungsgeräte wieder angesaugt und über die Wärmetauscher abgekühlt. Da nun der Luftweg zwischen Klimatisierungsgerät und Server kürzer ist, können größere Luftmengen und somit höhere Verlustleistungen in den Schränken gefahren werden. Klimatisierung im Schrank Für große Verlustleistungen empfiehlt sich als dritte Variante die Schrank-Klimatisierung. Der Wärmetauscher sitzt dabei seitlich am Schrank und bläst die kalte Luft direkt vor die Serverebene. Die warme Abluft wird noch im Schrank angesaugt und den Wärmetauschern zugeführt. Die Luft zirkuliert also horizontal in einem kleinen, abgegrenzten Volumen, welches aus Serverschrank und Schrank-Klimatisierungsgerät besteht. Eine spezielle Variante davon stellt die passive Rücktür RDHx dar. Dabei wird die Rücktür eines Serverschrankes als Wärmetauscher ausgeführt. Dieser Wärmetauscher besitzt keine eigenen Ventilatoren und verbraucht im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Geräten keine Energie. Die warme Abluft wird durch die in den Servern integrierten Ventilatoren durch den Wärmetauscher gedrückt. Dieser kühlt die Abluft herunter und gibt diese in den Raum ab, wo sie wieder von den Servern angesaugt werden kann. Auch einzelne Hot-Spots können so klimatisiert werden, da die RDHx die Wärme gezielt abführt und ein neutrales Raumklima bereitstellt. Fazit: Um ein optimales Klimatisierungskonzept für ein Rechenzentrum zu erstellen, ist es notwendig, die drei Teilbereiche Kälteerzeugung, Kältetransport und Kälteverteilung genau auf die Erfordernisse der Server anzupassen. Eine richtige Dimensionierung, wie auch ein optimaler Arbeitspunkt der Klimatisierung ist der Garant für ein energieeffizientes Rechenzentrum. Ein guter Effizienzwert ist auch im Geldbeutel spürbar, denn die Ausgaben für Strom werden nachhaltig gesenkt. Rittal unterstützt bei der bedarfsgerechten Auslegung einer optimalen RZ-Klimatisierung. Seite 5

6 Hocheffizient, sicher und redundant: Acht Umluft-Klimasysteme stellen z. B. im Rechenzentrum der IGN GmbH die Kühlung sicher. Unternehmenskommunikation Kerstin Ginsberg PR-Referentin IT Tel.: 02772/ Fax: 02772/ Auf dem Stützelberg Herborn Seite 6