Bei einem Breitbandnetz gelangen die Signale in eine sogenannte Kabelkopfstelle. Solche Kopfstellen sind heute nichts anderes als Rechenzentren. Die Kühlung macht dort einen Großteil der anfallenden Kosten aus. Hilfreich ist dabei die Verringerung des Kühlbedarfs durch Umstellung auf Glasfaser. Gelingt die Abstimmung der beteiligten Teams, etwa aus Server-Crew und Facility-Management, können relativ simple Maßnahmen zu beachtlichen Einsparungen führen.

In der Vergangenheit waren Breitbandkabelnetze reine Verteilnetze für analoge Hörfunk- und Fernsehprogramme. Heute ist es selbstverständlich, 100 MBit/s oder mehr über den Kabelanschluss zu beziehen. Im Zuge dieses Ausbaus der existierenden Netze wanderte neue Technik für die Datendienste in die Kopfstellen (CATV Regional Headend) und die Glasfaser rückte näher an die Haushalte (Bild 1). In Zukunft werden die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit dieser Systeme weiter wachsen, zum Beispiel mit der Umstellung auf IPTV und auf höhere Datenraten im Gigabit-Bereich. Mit dem Mehr an Leistung wächst jedoch auch der Energiebedarf, der in der Kopfstelle als Wärme abzuführen ist.

 

Bild 1. Hybrides Glasfaser-Koaxial-Netz.

Richtig lüften

Die Effizienz der leistungshungrigen Infrastruktur lässt sich wie auch bei einem Rechenzentrum durch verschiedene Maßnahmen verbessern. Dazu gehört zum einen der Einsatz von Prozessoren mit höherer Leistung und von Systemen mit höherer Leistungsdichte. Zum anderen gelingt diese durch eine bessere Abwärmebehandlung – etwa durch kurze Belüftungswege, Trennung von Warm- und Kaltluft, Einrichtung von warmen und kalten Gängen zwischen den Server-Reihen und durch eine Einhausung der warmen Gänge. Allerdings ist die Luftführung nicht ganz trivial. Dies gilt vor allem, wenn die Kopfstellenräume keine Installationsböden haben, um die Luft von unten zuzuführen. In solchen Räumen sind die Kabelstränge nach oben geführt und behindern den freien Luftstrom.

Bei einer gestörten Luftströmung ist allerdings auch mehr Druck nötig, um die gleiche Kühlleistung zu erreichen. Eine Luftströmung lässt sich analog zu einem elektrischen Stromkreis betrachten. Dabei entspricht der Luftvolumenfluss dem elektrischen Strom (I). Wenn die Luft durch Gitter und rund um Kabelstränge fließt, wächst der Strömungswiderstand (R). Die Druckdifferenz, die dadurch zwischen Lufteinlassöffnung und dem Luftauslass entsteht, ist vergleichbar mit der elektrischen Spannung (U). Wie beim Ohmschen Gesetz gilt dann: Die Druckdifferenz ist gleich dem Produkt aus Luftvolumen und Widerstand. Die Kraft, die nötig ist, um die Luft zu bewegen, ist proportional zum Produkt aus Luftvolumenfluss im Quadrat und Strömungswiderstand. Je niedriger also der Luftvolumenfluss, desto mehr Energie lässt sich sparen. Da jedoch ein bestimmter Luftvolumenfluss für die Kühlung nötig ist, ist es nur möglich, die Kosten durch eine bedarfsgerechte Regelung des Luftstroms oder durch eine Verringerung des Strömungswiderstands zu senken.

Kupfer oder Glasfaser

Um die geforderte Senkung des Strömungswiderstands zu erreichen, gilt es, so viele Hindernisse wie möglich zu eliminieren. Der Luftstrom sollte zu möglichst wenigen Richtungsänderungen gezwungen sein. Auch die Gitter beim Lufteintritt und -austritt sollten möglichst große Öffnungen haben. Ganz wichtig ist außerdem die Kabelführung. Üblicherweise verlaufen die Kabel entweder in einem Zwischenboden oder oberhalb der Schränke. In beiden Fällen behindern sie den Luftstrom, da die kühle Luft meist im gleichen Zwischenboden eingeblasen wird. Daher ist eine sinnvolle Kabelführung ein guter Ansatzpunkt zur Verbesserung der Strömungseffizienz. Aber auch die Wahl von Glasfaserkabeln anstelle einer Kupferverkabelung sorgt für einen großen Unterschied: Ein Glasfaserkabel mit 15 mm Durchmesser kann so viele Ports versorgen wie 48 Kategorie-6A-Netzwerkkabel (Bild 2).

Bild 2. Größenvergleich zwischen Glasfaserkabel und Kategorie-6A-Kabelbündel.

Noch deutlicher wird der Vorteil von Glasfaser anstelle von Kupfer bei einer Simulation des Luftvolumenstroms (Bild 3). Zur Vereinfachung betrachtete das Beispiel ein 2D-Modell und simuliert den Luftstrom rund um ein Kabelbündel. Die Kupferkabel nehmen in diesem Beispiel eine etwa fünf Mal so große Fläche im Luftstrom ein. Dadurch ergibt sich bei dem Kupferkabelbündel ein Druckverlust von 63 Prozent. Bei der Glasfaserkonstellation sind es nur 33 Prozent. Der Druckverlust ist ein Maß für den Strömungswiderstand, den die Kabel in der jeweiligen Konfiguration darstellen. Glasfaserkabel benötigen im Vergleich zu Kupfer weniger Platz. Je kleiner die Kabelbündel sind, desto weniger Energie ist für die Bereitstellung des zur Kühlung nötigen Luftstroms aufzuwenden.

 

Bild 3. Strömungssimulation einer Kupferkabel- und einer Glasfaserinstallation im Vergleich.

Energie einsparen

Andere Modellrechnungen (Tabelle 1) zeigen exemplarisch die möglichen Energieeinsparungen. Dazu gehört die elektrische Leistungsaufnahme der Server, der Netzwerkkomponenten, der Kühlung und der Ventilatoren. Die Gegenüberstellung vergleicht eine Installation mit 10-GBit/s-Kupferleitungen und eine Installation mit Glasfaserkabeln. Die Ursache der niedrigeren Leistungsaufnahme bei einer Vernetzung mit Glasfaser im Vergleich zu Kupfer ist vor allem der niedrigere Verbrauch der optischen Transceiver. Insgesamt ergibt sich mit den positiven Folgeeffekten für den Kühlungsbedarf eine beachtliche Energieersparnis.

 

Tabelle 1. Elektrische Leistungsaufnahme einer Installation mit 10-GBit/s-Kupfer- und Glasfaserverbindungen.

Obwohl es so leicht erscheint, den Energiebedarf mit einer Umstellung auf Glasfaser zu senken, steckt der Teufel im Detail. Häufig liegt die Verantwortung für die Verkabelung und die Kühlung beim Facility-Management, die für die Server hingegen beim Rechenzentrumsleiter. Die Energieeinsparungen lassen sich also nur realisieren, wenn sich die Verantwortlichen abstimmen und gemeinsam agieren. Daher ist es wichtig, dass externe Berater oder Anbieter von optischer Kommunikationstechnik Anstöße liefern und beratend zur Seite stehen.

Fazit

Ob in der Kabelkopfstelle oder in Rechenzentren – die IT-Infrastruktur ist ein wichtiger Ansatzpunkt zum Energiesparen. Auch über Jahre gewachsene Strukturen lassen in der Regel noch Raum für Optimierung. Durch einfache Umbauten und die Umstellung auf Glasfaserverkabelung können Betreiber bei den Netzwerkkomponenten und der Kühlung bedeutende Kosteneinsparungen erreichen. Wenn die Netzwerkgeschwindigkeiten weiter wachsen, kann Glasfaser bei einer steigenden Zahl von Ports den Vorsprung gegen-über Kupfer weiter ausbauen.

Joergen Janson ist Vertical Marketing Manager bei Corning. www.corning.de.