Liquid Cooling Packages
Eine kalte Sache
Wie kann man ein Rechenzentrum effizient klimatisieren? Diese Frage beschäftigt Betreiber von Rechenzentren immer wieder. Es gibt vielfältige Möglichkeiten, den Stromverbrauch von IT-Equipment zu senken, weniger Verlustwärme zu erzeugen und so Betriebskosten einzusparen. Dennoch generieren Server, Switches und IT-Infrastrukturgeräte Abwärme, die durch Lüfter abzuführen ist. Wer eine maximale Energieeffizienz erreichen will, muss die Infrastrukturkomponenten optimal aufeinander abstimmen. Eine gute Planung und präzise Regulierung sind unabdingbar.Wer heute sein Rechenzentrum energieeffizient klimatisieren will, ist vor einige Herausforderungen gestellt. Oft gilt die Größe Power Usage Effectiveness (PUE) als Maß der Dinge, die Energieeffizienz des Rechenzentrums darzustellen. Da bei der geforderten IT-Leistung jedoch oft keine Abstriche möglich sind, bleiben dort die Möglichkeiten für Energieeinsparungen gering. Anders sieht es bei der Gebäudetechnik aus, die für ein Rechenzentrum erforderlich ist: Dort bietet sich meist erheblich mehr Potenzial für Energieeinsparungen. Die wichtigsten Bausteine sind zunächst eine richtig ausgelegte Raumklimatisierung sowie eine genau dimensioniertes und hydraulisch abgeglichenes Kaltwassersystem. Für die Auslegung der Raumklimatisierung spielt nicht nur die DIN EN 13779 ("Lüftung von Nichtwohngebäuden") eine wichtige Rolle, sondern ebenso die VDI 2054 ("Raumlufttechnische Anlagen für Datenverarbeitung") sowie die ASHRAE1 (TC 9.9, thermische Richtlinien für den Rechenzentrumsbetrieb). Die Grenzwerte, die die VDI 2054 beschreibt, decken sich weitgehend mit den Werten, die die ASHRAE als optimal bezeichnet. Daraus ergibt sich für die Server-Zuluft im IT-Raum ein Temperaturbereich von 18 °C bis 27 °C bei einer relativen Luftfeuchte von 20 bis 80 Prozent. Je besser diese Umgebungsparameter auf den Betrieb des IT-Equipments angepasst werden können, desto effizienter lässt sich die thermische Last an den Racks abführen. Genaue Berechnung der Kühllast In den meisten Fällen sind in den heutigen Rechenzentrumsanwendungen durch die Lüftungsanlage der Gebäudetechnik ein einfacher Luftwechsel pro Stunde für die Frischluftversorgung angesetzt, da das Rechenzentrum oft kein stetiger Arbeitsplatz im Sinne der Norm ist. Wird dann die Abwärme des IT-Equipments direkt am Rack abgeführt, müssen die Komponenten der Lüftungsanlage nur für die Konditionierung der Raumluft bemessen und ausgelegt sein. Die gesamte thermische Last für das Rechenzentrum setzt sich zusammen aus der ? thermischen Last, die das eingebaute IT-Equipment erzeugt. Diese ist direkt am Rack durch Kühleinheiten abführbar, ? thermischen Last, die durch interne Wärmequellen wie Beleuchtung und Sonneneinstrahlung durch Fenster entsteht. Für die IT-Klimatisierung ist dies die externe Last, die die raumlufttechnische Anlage (RLT) abführt. Eine präzise Kühllastberechnung nach VDI 2078 ist notwendig, um die richtige Dimensionierung des Luftkühlers der RLT-Anlage zu gewährleisten, damit sich die thermische Last der Beleuchtung und anderen internen Wärmequellen abführen lässt. Die Kühlung der IT-Last entfällt somit für die RLT-Anlage. Ist abhängig von der benötigten Luftqualität eine Befeuchtung der Zuluft für den idealen Server-Betrieb erforderlich, sollte diese mit einer Dampfbefeuchtung in der RLT- Anlage erfolgen. Auf diese Weise lassen sich die hygienischen Anforderungen der VDI 6022 ("Hygienische Anforderungen an RLT-Anlagen") an die Raumluftqualität leichter erfüllen als bei einer direkten Befeuchtung am IT-Rack. Grundlage für die Ermittlung der gesamten thermischen IT-Last ist die elektrische Anschlussleistung aller IT-Racks im Rechenzentrum. Ist ein IT-Rack mit einer elektrischen Anschlussleistung von zum Beispiel 18 kW versorgt, ergibt sich im Volllastbetrieb eine thermische Verlustleistung von nicht mehr als 18 kW. Thermische IT-Last dort abfahren, wo sie entsteht Um die Abwärme der IT-Racks gezielt abzuführen, lassen sich beispielsweise Klimasysteme an den Server-Racks installieren, in denen ein Luft-Wasser-Wärmetauscher eingebaut ist. Die Liquid Cooling Packages (LCPs), wie sie zum Beispiel Rittal anbietet, können elektrische Verlustleistungen von 10 kW bis 55 kW pro Einheit abführen. Sie saugen die erwärmte Server-Abluft an, führen sie über den Luft-Wasser-Wärmetauscher und blasen die nun abgekühlte Luft wieder vor die Server. Bei der heutigen Maßgabe, in IT-Räumen eine hohe Packungsdichte zu erreichen, muss der Platzbedarf der Komponenten möglichst gering sein. So nimmt eine LCP-Einheit nur 0,36 Quadratmeter in Anspruch. Aus Platzgründen ist eine hohe Packungsdichte zwar verständlich, die Kehrseite ist allerdings, dass sich damit die Abwärme der im Rack verbauten Komponenten ebenfalls sehr schnell summiert. Beispielsweise gibt der Hersteller eines Core Switches eine Wärmeabgabe von 6 kW an. Bei einem Blade-System sind 4 kW pro Unit nicht ungewöhnlich. Sind nun fünf Blade-Systeme und zwei Core Switches in dem Rack installiert, entstehen dadurch 32 kW Wärme im Rack. IT-Racks mit einer thermischen Verlustleistung von 18 kW bis 24 kW sind heute keine Seltenheit mehr. Hochschulen erreichen aufgrund enormer Rechenleistungen sogar noch deutlich höhere Verlustleistungen pro Rack. Ohne eine adäquate Kühlung würde die Raumtemperatur bereits nach kurzer Betriebszeit stark ansteigen. Ein Großteil der installierten Systeme wäre aufgrund von Überhitzung nicht mehr funktionsfähig, und laufende Geschäftsprozesse wären höchst gefährdet. In Rechenzentren mit einer Wärmeentwicklung von bis zu 5 kW pro Schrank erfüllen Umluftklimasysteme in der Regel die Anforderungen an eine effiziente Kühlung. Diese saugen die warme Luft der Server an, kühlen sie über einen Wärmetauscher herunter und blasen sie in den Doppelboden ein. Von dort gelangt sie durch Schlitze oder Perforierung in den Bodenplatten wieder vor die Server-Racks. Die Erfahrung hat gezeigt, dass bis zu 5 kW pro Server-Rack und einer homogenen Verteilung der Rechenlast im Rack eine Doppelbodenklimatisierung im gesamten Rechenzentrum nutzbar ist. Ab 5 kW bis 15 kW findet die Reihenklimatisierung Anwendung. Übersteigen die Verlustleistungen 15 kW, kommt erfahrungsgemäß häufig eine direkte Rack-Klimatisierung zum Einsatz. Sowohl bei Reihen- als auch bei Rack-Klimatisierung empfehlen sich LCPs. Klimatisierung von Rack-Reihen Bei der Reihenklimatisierung sind die Server-Racks typischerweise nach dem Prinzip des kalten und warmen Gangs im Rechenzentrum aufgestellt. Dabei stehen sich jeweils die Vorderseiten von zwei Rack-Reihen gegenüber und bilden den Kaltgang. In diesen blasen entsprechende Kühleinheiten die Kaltluft ein und das IT-Equipment in den Racks saugt diese Luft an. Die sich gegenüberstehenden Rückseiten der Server-Racks bilden den so genannten Warmgang. Aus diesem wird die Warmluft mittels der Kühleinheiten angesaugt, abgekühlt und wieder in den Kaltgang eingeblasen. Je nach Bedarf kann man den Warm-oder Kaltgang einhausen und spricht dann von der sogenannten Warm- oder Kaltgangeinhausung. Sie verhindert die Vermischung von kalter und warmer Luft, wodurch ein größtmögliches luftseitiger Temperaturunterschied (Delta T) entsteht, sodass die Kühleinheiten mit maximaler Effizienz beim Generieren der Kühlleistung arbeiten. Der entstandene Gang in der Mitte der Rack-Reihen ist nach oben mit Deckenelementen verschlossen, eine seitliche Abschottung erfolgt über Schiebetüren. Transparente Deckenelemente lassen genug Licht durch, eine zusätzliche Beleuchtung im Kaltgang ist nicht notwendig. Entscheidend ist die saubere Trennung des Kalt- und Warmluftbereichs. Die LCP-Einheiten sind seitlich am Rack montiert und blasen die kalte Luft in den Kaltgang ein. Die in den Racks befindlichen Server saugen die Kaltluft durch perforierte Rack-Türen an, führen sie über die zu kühlende interne Peripherie wie Festplatten, Platinen und zentrale Processing Units und blasen die nun erwärmte Luft über die perforierte Rücktür wieder aus. Die LCP-Einheit saugt sie wiederum gezielt ab, kühlt sie herunter und bläst sie erneut in den Kaltgang ein. Sind die Anforderungen an die IT-Klimatisierung höher, das heißt größer als etwa 15 kW, lässt sich das Rack auch direkt durch die LCP-Einheit klimatisieren. Dabei hat das Rack eine geschlossene Fronttür aus Glas sowie eine geschlossene Rücktür. Der Kalt- und Warmgang ist somit direkt in das Rack "hinein verlegt". In diesem Fall wird die kalte Luft direkt vor die 19-Zoll-Ebene in das IT-Rack eingeblasen und im hinteren Bereich aus dem Rack abgesaugt. Diese Anwendung ermöglicht die Kühlung von zwei IT-Racks pro LCP. Fazit In einem Rechenzentrum stecken häufig Hard- und Software im Wert von vielen Hunderttausend Euro. Die Betriebskosten - IT und Kühlung - erreichen oft mehrere Zehntausend Euro im Jahr. Es ist ökonomisch absolut sinnvoll, diese Werte bestmöglich und so effizient wie möglich aufeinander abzustimmen. Dazu leistet eine optimale Klimatisierung einen entscheidenden Beitrag.
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