Wer ein kleines Rechenzentrum mit nur wenigen Servern betreibt, wird meist auf eine direkte Kühlung der IT-Racks verzichten und stattdessen den gesamten Technikraum klimatisieren. Ist jedoch die Erweiterung der IT-Umgebung geplant, kommt dieses Kühlkonzept rasch an seine Grenzen oder wird unwirtschaftlich, weil zu viel kalte Luft verloren geht. Modulare Kühlsystemen helfen weiter: Sie eignen sich zur Kühlung einzelner Schränke, zur Kaltgang-Klimatisierung und sogar für HPC-Systeme (High-Performance Computing), bei denen bis zu 40 kW Leistung pro Schrank zu kühlen ist.

Dem IT-Verantwortlichen einer dynamisch wachsenden IT-Umgebung bieten sich verschiedene Varianten. Klassisch wäre die Kühlung mittels eines kältemittelbasierten Klimageräts. DX-Kühlung (Direct Expansion, Klimatisierung per Split-Gerät plus Kompressor) erzeugt Kälte über einen geschlossenen Kältemittelkreislauf mit Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil. Per Verdampfer wird ein Kältemittel verdunstet, das die Wärme aufnimmt. Der Kompressor saugt das Mittel an und verdichtet das Gas unter hohem Druck. Im Kondensator wird es wieder verflüssigt, wodurch die Wärme abgegeben wird. Über eine Drossel oder ein elektronisches Expansionsventil wird das Kältemittel entspannt, der Kreislauf beginnt von vorn.

Viele Hersteller setzen als Kältemittel R-410A oder R134a ein, weil diese eine hohe volumetrische Kälteleistung besitzen. Daher lässt sich auch mit kleinen Verdichtern eine hohe Leistung erzielen, was die Entwicklung sehr kompakter Klimageräte ermöglicht. Hier ist die Kältemittelverordnung zu beachten, die in Europa je nach Land unterschiedlich ausfallen kann. Sie definiert, welche Mengen welchen Klimamittels unter welchen Bedingungen an welchen Aufstellorten man verwenden darf. Details über Art und Menge des Kältemittels liefern die Sicherheitsdatenblätter der Hersteller.

Ein DX-Klimagerät ist die am schnellsten und einfachsten zu realisierende Lösung für eine schrankbasierte Kühlung: Das Gerät wird an eine der Wände des IT-Racks montiert. Es gibt Lösungen für Seitenwände, Rückwände oder zur Montage an der Tür. Wichtig ist, darauf zu achten, dass die kühle Luft im Schrank horizontal kreisen kann, was die klassische „Front to Back“-Luftführung der 19-Zoll-Einbauten unterstützt. Hier wird kalte Luft vor die Geräte geblasen und die durch die Server erwärmte Luft im rückwärtigen Bereich angesaugt, über den Wärmetauscher geführt und dadurch wieder gekühlt. Der IT-Schrank sollte gut abgedichtet sein, da sonst Kälte entweicht und das System an Effizienz verliert. Die Abwärme wird nicht in den Aufstellraum, sondern über einen Verflüssiger ins Freie abgegeben.

Systemvarianten

Eine Alternative sind Rack-Klimageräte, die sich seitlich am IT-Schrank montieren lassen, sodass ein Kühlgerät zwei Schränke versorgen kann. Solche Geräte sind auch in Varianten verfügbar, die die Kaltluft nach vorne ausblasen. Damit lässt sich eine Lösung mit einem Kaltgang realisieren, in dem mehrere IT Racks gekühlt werden.

Eine Besonderheit sind kompakte Dachaufbaukühlgeräte für die Montage auf dem Dach eines IT-Racks. Sie verfügen über einen Wärmetauscher und Kompressor. Auch hier wird die kalte Luft vor die 19-Zoll-Ebene geblasen und dort von den IT-Komponenten angesaugt. So lassen sich Leistungen bis etwa drei kW kühlen. Allerdings blasen diese Geräte die warme Abluft wieder in den Raum, was den Technikraum aufheizt. Sinnvoll kann diese Lösung sein, wenn bereits ein Raumklimagerät vorhanden ist. Wer zum Beispiel in einem Hochhaus in der 15. Etage eine schnelle Kühllösung benötigt und keine baulichen Veränderungen vornehmen darf, ist mit diesem Konzept bestens bedient.

Alternative Wasser?

Ein wichtiger Parameter bei der Systemauswahl ist die zu kühlende Gesamtleistung der IT-Infrastruktur. DX-Kühlung eignet sich für kleine bis mittlere Gesamtleistungen bis etwa 40 kW Verlustleistung bei homogener Leistungsverteilung über die IT-Racks hinweg. Ab etwa 40 bis 50 kW Gesamtleistung lohnt sich die Installation einer Wasserkühlung. Natürlich ist auch in kleineren IT-Umgebungen ein wasserbasierter Kühlkreislauf möglich, allerdings ist eine Wasserzufuhr notwendig. Diese findet sich in vielen Fabrikhallen, jedoch in der Regel nicht in einem Bürogebäude. Daher ist ein Kaltwassersatz (Rohre, Pumpe, Freikühler, Chiller) bei den Investitionskosten zu berücksichtigen. Dieser Investition stehen geringere Betriebskosten gegenüber, da im Großteil des Jahres die kalte Außenluft das Wasser kühlen kann.

Je nach Einsatzzweck kann es kostengünstiger sein, gezielt einzelne Racks zu kühlen, statt einen kompletten Raum zu klimatisieren. Bild: Rittal

Im Vergleich dazu sind die Anschaffungskosten für kältemittelbasierte Kühlsysteme meist niedriger. Denn Wanddurchbrüche für dünnere Kupferleitungen sind günstiger als für Wasserleitungen, der Montageaufwand fällt geringer aus. Allerdings sind unter Umständen die laufenden Betriebskosten im Vergleich zu einer Wasserkühlung höher, da das System kontinuierlich Strom für den Kompressor benötigt. Es empfiehlt sich eine Vollkostenrechnung, die neben den Investitionen auch die Betriebskosten berücksichtigt.

Auswahl der Kühllösung

Wer sich für eine modulare Kühllösung entscheidet, sollte einige wichtige Details bei der Auswahl beachten. Nur moderne Geräte sind in der Lage, kontinuierlich die Kompressorleistung über die Temperatur der Server-Zuluft zu regeln. Diese Systeme arbeiten mit einem Inverter-geregelten Verdichter, mit dem das Kühlgerät die Kaltluft konstant auf der eingestellten Server-Zulufttemperatur hält. Dies vermeidet auch ein Einblasen zu stark gekühlter Luft, was zur Kondensation führen könnte. Zudem ist der Einsatz drehzahlgeregelter EC-Ventilatoren (bürstenloser Gleichstrommotor) sinnvoll, da diese den Luftvolumen bedarfsgerecht steuern können. Auch arbeiten diese Lüfter sparsam im niedrigen Energiebereich. Aufgrund der hohen Abhängigkeit vieler Geschäftsmodelle von ausfallsicheren IT-Systemen sollten Unternehmen zudem auf vollständig redundante Lösungen achten. Hier sind alle Komponenten wie Kompressor und Wärmetauscher bis hin zur Stromzufuhr doppelt vorhanden.

Bei der Systemauswahl ist auf die Außentemperatur am Aufstellort zu achten. Bei extrem niedrigen Temperaturen, wie sie in Nord- oder Osteuropa auftreten können, ist ein Winterset für die Außeneinheit notwendig. Aufstellorte mit sehr hohen Außentemperaturen wiederum benötigen gegebenenfalls ein geeignetes Außengerät. Zu berücksichtigen sind auch die maximal möglichen Entfernungen der Außeneinheit zum Server-Raum sowie ein eventueller Höhenunterschied; denn hiervon hängen die Menge des Kältemittels und die Leistungsfähigkeit ab.

Bernd Hanstein ist Hauptabteilungsleiter Produkt-Management IT bei Rittal in Herborn ().