Hohe Leistungsdichten in modernen RZs machen neue Kühlkonzepte nötig. Dies ist durchaus nicht mehr allein ein Thema des High-Performance Computings. Die Kühltechnik auf Basis von Luft-Wasser-Wärmetauschern gewinnt immer mehr an Bedeutung.

Leistungsdichten über zehn kW pro Server-Rack gab es bisher vor allem in Rechenzentren von Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen, zum Beispiel bei der Auswertung massenweise anfallender Daten aus Teilchenbeschleunigern oder Simulationen. Inzwischen rüsten jedoch vor allem Colocation-, Telekommunikations- und Cloud-Anbieter ihre Rechenzentren mit Hochleistungs-Servern und neuen IT-Komponenten auf. Grund dafür sind vor allem Trends wie „Hyperconverged“ IT, Cloud Computing, Big Data, künstliche Intelligenz, M2M sowie IoT oder die rasant wachsende Menge an mobilen Daten. Reichten in kommerziellen Rechenzentren mit Leistungsdichten von unter zehn bis zwölf kW pro Schrank traditionelle Kühllösungen aus, erfordern High-Performance-Computing-RZs neue Kühlkonzepte, die für höhere Leistungsdichten besser geeignet und effizienter sind.

Luft-Wasser-Wärmetauscher in der Rack-Tür spart Platz und Strom

Die Kühlung eines Rechenzentrums verbraucht nach der IT-Ausrüstung in der Regel die meiste Energie. Der Wert der Power Usage Effectiveness (PUE), der ausdrückt, wie energieeffizient ein RZ arbeitet, lässt sich deshalb über ein effizientes Kühlkonzept erheblich senken. Je näher der PUE an 1 rückt, umso effizienter ist das RZ. Die wirksamste und wirtschaftlichste Kühltechnik im Leistungsbereich ab zehn bis zwölf kW je Rack sind an der Rückseite angebrachte Kühltüren, in die ein Luft-/Wasser-Wärmetauscher integriert ist.

Der Kühleffekt tritt ein, wenn die warme Abluft den Wärmetauscher in der Rück-Tür des Server-Schranks durchströmt. Über die Kühlwasserleitungen wird die Wärme aus dem Rechenzentrum abgeführt und im Idealfall einer Möglichkeit der Wärmerückgewinnung außerhalb der Server-Zone zugeführt. Das Rechenzentrum bleibt auf diese Weise ausreichend kühl, ohne dass Lüfter oder eine Warm-/Kaltgangeinhausung erforderlich sind. Die Luftumwälzung erfolgt allein durch die Server-Lüfter. Weitere aktive Komponenten, die zusätzlich Energie verbrauchen würden, sind nicht erforderlich. Umfangreiche Tests haben gezeigt, dass die Lüfter in den Servern wegen des sehr geringen Gegendrucks der Kühltüren nicht mehr Strom verbrauchen als ohne.

Wärmetauschertüren sind zudem höchst robust, weil sie weder einen Stromanschluss noch eine Netzwerkschnittstelle benötigen. Dadurch ist eine hohe Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit gewährleistet, was gerade für Anbieter im Colocation-, Cloud- oder Telekommunikationsumfeld von hoher Bedeutung ist. Ein weiterer Vorteil, den der kommerzielle Rechenzentrumsmarkt nach und nach erkennt: Luft-Wasser-Wärmetauschertüren lassen sich mit den Server-Racks verschiedener Hersteller kombinieren. Sie lassen sich auch nachträglich an allen gängigen 19-Zoll- und auch an Open-Compute-Racks anbringen.

PUE-Werte unter 1,2 drücken

Luft-Wasser-Wärmetauscher lassen sich in allen relevanten Parametern so optimieren, dass sie auch für Rechenzentren mit Leistungsdichten von bis zu 50 kW je Server-Schrank geeignet sind. Erreicht wird diese Optimierung über mehrere Maßnahmen: Je höher der Querschnitt im Wärmetauscher, desto geringer der Druckverlust im Kühlluftstrom. Dies spart zusätzlich Energie. Ein geringer Druckverlust im Kühlwasserkreislauf sorgt außerdem dafür, dass auch die Pumpen deutlich weniger elektrische Leistung aufnehmen.

Der gesamte Energiebedarf für die Kühlung am Schrank ist verschwindend gering und liegt pro Schrank im Promille-Bereich. Für eine gängige Anwendung mit 15 kW liegt der Anteil für die Kühlung bei rund 25 Watt. Zum Vergleich: Beim Stromverbrauch von drei voll laufenden Backöfen hätte der Anteil der Kühlung an diesem Gesamtenergiebedarf in etwa den der Beleuchtung in den Backöfen. Die Kombination aus sehr niedrigen luft- und wasserseitigen Druckverlusten und größtmöglicher Oberfläche ermöglicht in Verbindung mit einer hocheffizienten Kühlwasserversorgung partielle pPUE-Werte für die Kühlung von unter 1,2.

Die Kühltüren sind auch im Hochleistungsrechenzentrum des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung verbaut.

Die einzige Voraussetzung für diese effiziente Kühltechnik: Jeder Schrank ist mit Kühlwasser zu versorgen. Falls auch im Sommer die Temperaturen im RZ bei etwa 25°C gehalten werden sollen, bieten Freikühlungs-Chiller mit Adiabatik oder ähnliche Systeme mit hohen Freikühlungsanteilen und beschränktem DX-Anteil die höchste Effizienz – abhängig von den jeweiligen Umgebungsbedingungen. Steht Kühlwasser aus regenerativen Quellen zur Verfügung – wie Grundwasser oder Seen –, lässt sich die Effizienz der Kühlung noch weiter steigern. Der Genfer See stellt beispielsweise das Kühlwasser für das Rechenzentrum der Universität Genf bereit. Die Uni Konstanz wiederum verwendet Bodenseewasser, während der Main bei Frankfurt aufgrund seiner zeitweise zu hohen Temperatur nicht geeignet ist.

Skalierbarkeit und niedrige Kosten

Luft-Wasser-Wärmetauscher rechnen sich bereits ab einer Leistungsdichte von etwa zehn bis zwölf kW pro Schrank in Bezug auf die Gesamtkosten. Sowohl die Betriebskosten als auch die Initialkosten sind bei dieser Technik sehr gering. Durch die große Oberfläche des Luft-Wasser-Wärmetauschers kann die Anlage außerdem mit einer insgesamt relativ hohen Kühlwassertemperatur arbeiten, was sehr hohe Freikühlungsanteile ermöglicht. Ziel von Kühlung ist es, die Raumtemperatur auf einem konstant niedrigen Niveau zu halten. Bei höherer Verlustleistung und entsprechend ansteigenden Raumtemperaturen kann die Temperatur des Kühlwasservorlaufs zu den Kühltüren um ein bis zwei Grad gesenkt werden. Dient dazu ein Chiller oder Kaltwassersatz, lassen sich die Parameter relativ unkompliziert so ändern, dass über die Wärmetauscher eine Kühlung von Leistungsdichten bis 50 kW konstant möglich ist. Diese Flexibilität ermöglicht es Unternehmen, auf die steigenden Anforderungen an ihre Rechenzentren zu reagieren und zu skalieren.

Das Interesse an Skalierbarkeit ist vor allem im kommerziellen Bereich groß. Denn Cloud Services und Content Delivery machen hohe Leistungsdichten erforderlich. Ein großes US-amerikanisches Telekommunikationsunternehmen war beispielsweise auf der Suche nach einer innovativen Kühllösung, deren Energieeffizienz deutlich über dem Marktdurchschnitt liegt und sich in vorhandene aktive Server-Schränke integrieren lässt. Grund dafür waren neu eingebaute Hochleistungskomponenten wie Router, Server und Switches, die zu höheren Wärmelasten in den Racks führten.

Um die Anbindung der Vertiv-Kühltüren an zertifizierte US-amerikanische Racks zu ermöglichen, entwickelten die beteiligten Techniker einen spezieller Adapter. Die Kühltüren wurden auch im Hochleistungsrechenzentrum des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung verbaut. Prof. Dr. Volker Lindenstruth, IT-Leiter beim GSI und Projektverantwortlicher, erklärt, warum: „Diese Kühltechnologie ist für uns ideal, weil wir damit die laufenden Kosten massiv senken können – bei gleichzeitig vergleichsweise deutlich niedrigeren Investitionskosten. Zudem ist die Kühlung kompakt und in die Racks integriert.“ Das Rechenzentrum der GSI am Standort Darmstadt, der so genannte „Green Cube“, dient noch heute als Leuchtturmprojekt für ein extrem energie- und platzsparendes Datacenter mit minimalem Footprint.

Fazit

Luft-Wasser-Wärmetauschertüren sind aufgrund der genannten Entwicklungen, Eigenschaften inzwischen für alle RZ-Szenarien geeignet und eine hervorragende Alternative zu herkömmlichen Kühltechniken. Mit einer Kühlleistung von bis zu 50 kW je Rack erreicht dieses Konzept die oberste Grenze hocheffizienter Wärmeabfuhr von luftgekühlten Servern. Nicht nur, aber insbesondere in Verbindung mit adiabaten Freikühlungs-Kaltwassersätzen oder Chillern wird die Luft-Wasser-Wärmetauschertechnik zu einem der energieeffizientesten und wirtschaftlichsten Kühlkonzepte auf dem Rechenzentrumsmarkt.

Dr. Peter Koch ist VP Solutions Integrated Rack Systems bei Vertiv in EMEA, www.vertivco.com.