Zukunftsfähigkeit von RZ-Kühlung
Echt cool
War in den vergangenen Jahren DCIM das Top-Thema in der RZ-Branche, diskutieren Insider heute vielmehr über IoT, Industrie 4.0 oder Open Computing. Sicher werden exakt diese Treiber die Rechenzentrumslandschaft in naher Zukunft signifikant beeinflussen. Aber auch Cloud Computing oder Big Data und Anwendungen wie etwa Gaming oder Video on Demand steigern die Nachfrage nach immer mehr Rechenleistung.
Diskussionen über den PUE-Wert oder vergleichbare Kennzahlen sind dagegen immer seltener vorzufinden. Immer noch Fakt ist jedoch, dass die Energie und damit verbunden die Stromkosten nach wie vor eine wesentliche Herausforderung beim Betrieb von Rechenzentren darstellen. Verlagerungen nach Nordeuropa oder in Länder mit hohem günstigen Atomstromanteil helfen zwar, die Betriebskosten zu senken, betrachten aber nicht das grundlegende Problem einer ineffizienten IT-Infrastruktur.
In den vergangenen Jahren konnten erhebliche Einsparungen durch Effizienz steigernde Maßnahmen bei Hardware und physischer Rechenzentrums-Infrastruktur erzielt werden. In diesem Punkt gibt es weitere enorm hohe Potenziale. Neben der Stromversorgung mit Schwerpunkt USV bietet die Klimatisierung immer noch den größten Ansatzpunkt, um Stromkosten zu senken. Abhängig vom Kühlprinzip und der Umsetzung sind immer noch 20 bis 30 Prozent des Gesamtstromverbrauchs eines Rechenzentrums für die Kühlung nötig. Durch neue technische Ansätze sowie verschiedene Richtlinien ließ sich dieser Anteil in den letzten zehn Jahren reduzieren. Die Hauptfrage aber bleibt: Welche Kühlung ist die effizienteste?
Eine Vielzahl an unterschiedlichen Lösungen, die den Betreiber mit hohem Einsparpotenzial und niedrigen PUE-Werten locken, erwecken oft den Anschein eines reinen Marketings. Sicher haben die meisten Ansätze ihre Daseinsberechtigung. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass kein Rechenzentrum einem anderen genau gleicht. Je nach Anforderung an die Redundanz, örtliche und räumliche Gegebenheiten sowie Zusammenstellung der Server-Infrastruktur und -Auslastung kann auch die Auswahl der passenden Kühllösung variieren. Zusätzlich ist es wichtig, nicht nur die anfänglichen Investitionen zu betrachten, sondern eine Analyse der späteren laufenden Betriebskosten durchzuführen.
Der erste Schritt zur Optimierung ist dennoch einfach, immer gleich und ergibt dennoch hohe Einsparungen: Konsequente Trennung der gekühlten Zuluft von der warmen Abluft.
Praktische Erfahrungswerte zeigen, dass sich auch in Bestandsrechenzentren je nach Ausgangssituation bis zu 30 Prozent der Energie einsparen lassen. Diese Werte beruhen auf Vorher-Nachher-Messungen, die in einen permanenten Energie-Management-Prozess eingebunden sein sollten.
Auswahl der Kühltechnik
Steht ausreichend Fläche zur Verfügung? Beträgt die durchschnittlich installierte Packungsdichte der Schränke maximal 6 kW? Trifft beides zu, bietet sich die klassische Kühlung mit Umluftklimageräten über einen Doppelboden an. Durch die Anordnung der Server-Racks in Kalt-Warmgänge, optimierte Doppelbodenplattenanordnung und Einhausungen lassen sich auf diese Weise effiziente Installationen realisieren.
Die Leistungsaufnahme neuer Server-Generationen steigt stetig an und damit verbunden auch die Wärmelast auf immer kleinerem Raum. Leistungsdichten von 10 kW pro Server-Schrank sind heute kein Seltenheit mehr. Dann kommt die Kühlung mit Umluftklimageräten sowohl physikalisch als auch in puncto Wirkungsgrad an ihre Grenzen. Hohe Luftmengen sind dann über große Entfernungen zu bewegen. Es gilt, Widerstände und die damit verbundenen Druckverluste zu überwinden. Die Folge ist eine steigende Stromaufnahme der Lüfter am Klimagerät. Die Gefahr von Hotspots in einzelnen Server-Racks steigt.
Abhilfe schaffen in dieser Konstellation reihen- oder Rack-basierende Kühlgeräte. Bei der reihenbasierenden Kühlung ist ein Kühlgerät in eine Einhausung zwischen den Server-Schränken integriert. Die Luftströme werden dabei kalkulierbarer, was die Planung vereinfacht. Abhängig von der geplanten Leistungsdichte und Redundanzkategorie kann der Betreiber die Anzahl der Kühlgeräte pro Schrankreihe variieren. Als Kühlmedium dient in der Regel Wasser.
Die Lüfter des Kühlgeräts bewegen die warme Abluft durch einen Luft-Wasser-Wärmetauscher, in dem ein Wärmeübergang stattfindet, und blasen die gekühlte Luft in die Einhausung. Die Lüfter sind über die volle Höhe des Kühlgeräts verteilt. Somit ergibt sich ein horizontaler Luftstrom, der eine Front-to-Back-Kühlung der Server optimal unterstützt. Temperatursensoren - im Kalt- und Warmbereich sowie am Wassereintritt - liefern die Datenbasis für die Regelkreisläufe.
Anhand der aktuellen Wärmelast erfolgt im ersten Schritt die Regelung der Wasserdurchflussmenge. Im zweiten Schritt kann eine Anpassung der Luftmenge über drehzahlgeregelte Lüfter stattfinden. Da sich die Sensoren unmittelbar an der Wärmequelle befinden, reagieren die Geräte unmittelbar auf eine geänderte Last. Dadurch lässt sich zum einen die Temperatur in einem für die MTBF der Komponenten optimalen Bereich halten, zum anderen findet keine ineffiziente Unterkühlung statt.
Neben der Trennung von Luftströmen hat die klassische Einhausung eine weitere Wirkung. Der Überdruck im Unterboden überträgt sich in den Gang. Dieser Effekt ist auch beim Einsatz von Reihenkühlgeräten gegeben. Der vorhandene Überdruck verhindert thermische Luftschichtungen vor den 19-Zoll-Ebenen. Dadurch kann auch ein relativ heterogener Ausbau der Server-Racks erfolgen. Schränke mit passiven Netzwerkkomponenten lassen sich dann in die Gangreihe integrieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Wärmelast auf mehrere Geräte verteilt. Bei der Planung ist keine 1-zu-1-Redundanz nötig. Sind die Wasservorlauftemperatur, Wasserdurchflussmenge, gewünschte Kaltlufttemperatur sowie maximal akzeptierten Temperaturdifferenzen bekannt, lassen sich die Arbeitswerte der Geräte relativ genau definieren. Somit ist die Planung auf die gewünschten Kühlreserven und auf zukünftige Erweiterungen auslegbar. Wärmelasten pro Rack von 15 kW sind auf diese Weise problemlos zu realisieren.
Höhere Packungsdichten lassen sich mit Rack-Lösungen umsetzen. Dabei sind aktuell zwei Lösungen hervorzuheben: Rack-integrierte Side-Cooler und Rück-Türkühler.
Bei den sogenannten Rück-Türkühlern ist ein Wärmetauscher auf der Rückseite des Server-Racks angebracht. Die erwärmte Luft wird durch die Ventilatoren der Server durch das Register bewegt und dabei abgekühlt. Durch die breite Fläche der Rücktüren und den Einsatz von drei- oder vierreihigen Registern lassen sich so große Wärmelasten von bis zu 35 kW abführen. Durch ein temperaturgesteuertes Ventil ist die Wassermenge anhand der tatsächlichen Last regulierbar. Dies verhindert eine mögliche Kondensatbildung durch Unterkühlung, gewährleistet jedoch auch eine raumklimatisierungsunabhängige Kühlung. Da eine solche Lösung ohne zusätzliche Lüfter arbeitet, reduzieren sich die Wartungsarbeiten auf ein Minimum.
Durch das Register ergibt sich allerdings ein zusätzlicher Luftwiderstand. Gängige Server bewältigen ein Druckwiderstand von 15 bis 20 Pascal problemlos, jedoch sind die Server-Lüfter stärker beansprucht. Damit entfällt zwar die Stromaufnahme bei der Kühlung, die Stromaufnahme der Server steigt jedoch. Hervorzuheben ist auch, dass sich diese Lösung für heterogen ausgebaute Server-Racks nur bedingt eignet, da die Abwärme sich im hinteren Bereich des Schranks stauen kann.
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