Mehr Server benötigen mehr Strom und erzeugen mehr Wärmelast. Ein Rechenzentrumsausbau im Sinne eines schlichten „Mehr“ ist daher eine Einbahnstraße. Auf diesem Weg zehren wachsende Strom- und Klimakosten irgendwann das Kapital für die Anschaffung neuer Kapazitäten auf. So wird das Thema Klimatisierung gerade angesichts der allgegenwärtigen Forderung nach hochverfügbaren Systemen immer mehr zu einem Schlüsselthema der IT-Infrastruktur. Gefragt sind maßgeschneiderte Lösungen.Eine Studie der Analysten von Borderstep hat bereits 2008 eindrücklich dargelegt, wie sich die permanent steigende Rechenleistung auf den Energieverbrauch in Unternehmen auswirkt. Angesichts immer höherer Energiepreise kann dieses Ansteigen des Verbrauchs zu einer unkontrollierbaren wirtschaftlichen Belastung werden, sofern die Verantwortlichen keine Maßnahmen zur Effizienzsteigerung ergreifen.

Abgesehen von dieser betriebswirtschaftlichen Betrachtung hat die physische Infrastruktur im Rechenzentrum massiven Einfluss auf Sicherheit und Verfügbarkeit. Das Thema Klimatisierung rückt dabei zunehmend in den Mittelpunkt des Interesses, weil moderne Blade-Server immer höhere Packungsdichten ermöglichen. Dies wiederum bedeutet auch immer höhere Wärmelasten pro Kubikzentimeter Luft, die es möglichst kostengünstig abzuführen gilt. Weil das betriebswirtschaftlich sinnvolle Drosseln des Stromverbrauchs bei der Klimatisierung automatisch die Umwelt schont, kann das Etikett „Green IT“ für solche Projekte gerechtfertigt sein, auch wenn die Lösungen nicht primär aus ökologischen, sondern aus finanziellen Erwägungen zum Einsatz kommen.

Denn ohne gesicherte Infrastrukturbasis sind im schlimmsten Fall auch alle anderen Investitionen in die IT sinnlos. Steigen Server aus oder ist die Stromversorgung nicht ausreichend dimensioniert, braucht man sich um die Software erst gar keine Gedanken zu machen.

Hotspots mit potenziell problematischen Wärmelasten auf engem Raum sind beim Einsatz von Blade-Servern nicht mehr nur in großen RZs ein Thema, sondern zunehmend auch in den gewachsenen „Rechnerräumen“ kleiner und mittelständischer Unternehmen. Klimalösungen mit Kalt- und Warmgangtrennung, die den aktuellen Stand der Technik in Sachen Rechenzentrumslösungen repräsentieren, werden häufig nur im Hinblick auf neu zu errichtende RZs angeboten. Dabei besteht bei einem Großteil Handlungsbedarf.

Viele der 30.000 bis 50.000 Rechenzentren in Deutschland sind jedoch kleine oder mittlere Anlagen. Erst allmählich setzt sich bei den Anbietern von Klimalösungen die Erkenntnis durch, dass sich nur ein modulares System aus vielseitig kombinierbaren Produkten flexibel und kostengünstig an die Bedürfnisse von Kunden unterschiedlicher Größe anpassen lässt. Zu lange standen entweder nur der einzelne Server-Schrank oder gleich der großflächige Colocation-Cluster im Fokus der Hersteller.

Hersteller wie Schäfer IT-Systems setzen nach eigenen Angaben dagegen bereits seit Jahren auf ein solches Konzept der Modularisierung. Inzwischen ist ein aufeinander abgestimmtes Produktspektrum verfügbar, in dem sich vom autarken Mini-RZs bis zur Kaltgangeinhausung mit zwei gegenüberliegenden Rack-Reihen mit beliebiger Länge und damit Rechnerzahl jede IT-Größenordnung energieeffizient kühlen lässt. Dazu nutzt man Druckbodenklimatisierung, Seitenkühler oder eine Kombination beider Methoden.

Partnership-Management

Effiziente Klimageräte erkennt man heute nicht zuletzt daran, dass sie sich den Effekt der freien Kühlung zunutze machen. Kurz gesagt bedeutet dies: Sie nutzen die Tatsache, dass die Luft im Freien kälter ist als im Rechenzentrum. Bei der direkten freien Kühlung mischt sich die Kaltluft von draußen direkt in den Luftstrom, der ins Rechenzentrum geblasen wird. Bei der indirekten freien Kühlung werden Kaltwassersätze, die beispielsweise auf dem Dach des Rechenzentrums montiert sind, in der kalten Jahreszeit von der Außentemperatur heruntergekühlt. Im Idealfall ist Energie nur für die Pumpen aufzuwenden, die das kalte Wasser dann ins Rechenzentrum pumpen, und nicht für den Kompressor, der einen enormen Leistungsbedarf hat. Selbstverständlich stellt der Einsatz von Außenluft auch Herausforderungen dar. Bei der direkten freien Kühlung beispielsweise weist Außenluft oft einen Feuchtigkeitsgrad auf, der für die Server im Rechenzentrum abträglich wäre, oder sie ist verunreinigt und entspricht nicht den Qualitätsanforderungen des IT-Equipments. Moderne Klimageräte fangen solche Probleme durch passende Filtersysteme ab. Schäfer IT-Systems setzt bei der Projektierung von Klimalösungen auf die hochentwickelten Klimageräte von Stulz.

In der strategischen Partnerschaft mit dem Klimaspezialisten drückt sich der zweite Grundgedanke der hauseigenen Philosophie neben der Modularität aus. „Partnership-Management“ bedeute, so der Hersteller, dass man ein Netzwerk von Spezialisten unterhalte, die für alle relevanten Gewerke eines modernen Rechenzentrums optimale Qualität liefern – von der unterbrechungsfreien Stromversorgung über den Brandschutz bis hin zur Klimatisierung.

Effizienz durch gezielte Luftführung

Anders als bei der Klimatisierung von Wohn- oder Büroräumen, bei der man im ganzen Raum eine gleichmäßige Temperatur anstrebt, kommt es im Rechenzentrum auf eine konsequente Trennung von kalten und warmen Luftmassen und eine präzise Führung der Luftströme an. Andernfalls droht ein thermischer Kurzschluss, also eine unerwünschte Vermischung warmer und kalter Luft. Die von den Klimageräten heruntergekühlte Luft könnte sich dabei auf dem Weg zum Server, den sie kühlen soll, wieder erwärmen. Dadurch würde sich ihr Wirkungsgrad vermindern, die energetische Effizienz des Gesamtsystems wäre stark beeinträchtigt.

Alle Produkte sollten deshalb darauf ausgelegt sein, die von den Klimageräten erbrachte Nutzkälteleistung genau an den Ort zu bringen, wo sie benötigt wird. So kann trotz steigender Server-Dichte die Reduzierung von Kosten und Energie gelingen.

Reduzierung des zu kühlenden Luftvolumens ist neben Kalt- und Warmgangtrennung sowie präziser Luftführung eine weitere Methode zur effizienten Klimatisierung im RZ. Die Einhausung von Kaltgängen verfolgt genau diesen Zweck: Indem ein kleinerer Raum innerhalb des Rechenzentrums entsteht, das nicht selten Flächen von mehreren Hundert Quadratmetern umfasst, verringert sich die Luftmenge, die die Systeme rund um den Server kalt halten müssen.

Für jede Größenordnung

Drei Beispiele sollen veranschaulichen, wie ein Hersteller diese Methoden modular für IT-Anlagen unterschiedlicher Größenordnungen anpassen kann. Prinzipiell gilt: Sowohl bei Modernisierung als auch bei Neubau eines Rechenzentrums können Unternehmen aus mehreren Klimatisierungstechniken auswählen. Gerade bei Rechenzentren, die schon längere Zeit in Betrieb sind, lassen sich durch entsprechend optimierte Klimakonzepte zwischen 30 und 70 Prozent des Energieverbrauchs einsparen. Die Amortisation wird angesichts relativ niedriger Investitionskosten und der gleichzeitig erhöhten Verfügbarkeit sehr schnell erreicht. Dazu zählt zum Beispiel bei luftgekühlten Systemen die korrekte Aufstellung der vorhandenen Server-Racks nach dem Front-zu-Front-Prinzip, also die Trennung von Kalt- und Warmgängen. Diesen Ansatz unterstützt beispielsweise Schäfer IT-Systems mit einer Kaltgangeinhausung.

Ziel einer Einhausung ist die konsequente bauliche Trennung zwischen dem kalten Gang vor den Servern und dem warmen Gang hinter den Servern. Dazu werden in Rechenzentren Druckböden errichtet, die Rack-Reihen nach dem Front-zu-Front-Prinzip aufgestellt und die Gänge dazwischen mit Dächern und Schiebetüren eingehaust, um den Kaltgang abzuschließen. Durch einen Druckboden gelangt Kaltluft ausschließlich in die Kaltgänge. Die Einhausung der Kalt-Warmgänge unterstützt die gezielte Führung der Kaltluft aus dem Doppelboden zu den Hotspots im Schrank und die der erwärmten Luft hinter den Racks zurück zur Kühlung, indem sie eine Vermischung der Kalt- und Warmluft im Rechenzentrum wirksam verhindert. Bei Rack-Erweiterungen lassen sich Türelemente einfach auf die äußeren Schränke verschieben und weitere Dachelemente einsetzen.

In gewachsenen Rechenzentren finden sich oft Server-Schränke von verschiedenen Herstellern in unterschiedlichen Höhen und Breiten. Mit einem flexiblen Konzept lassen sich auch bereits bestehende Schrankreihen optimal überdachen und profitieren so wie die Schränke von einem deutlich verkleinerten Luftvolumen, das zu kühlen ist.

Eine wassergekühlte Server-Schranklösung mit reihenbasierendem Seitenkühler bietet sich an, wenn relativ wenige, aber leistungsstarke und damit „heiße“ Server zu klimatisieren sind. Dabei ist ein schmaler Seitenkühler direkt neben dem Rack (oder auch zwischen zwei vorne und hinten geschlossenen Server-Racks) positioniert. Über die seitlichen Ausschnitte in der Rack-Seitenwand gelangt gekühlte Luft vor die Server in das geschlossene Server-Rack. Die von den Servern abgegebene Warmluft wird an der Rückseite des Racks vom Seitenkühler abgesaugt. Die Kühlung der Umluft erfolgt über einen geregelten Kaltwasser-Wärmetauscher, und fünf Ventilatoren stellen sie als Zuluft über die gesamte Rack-Höhe wieder zur Verfügung. Dieses so genannte Closed-Loop-System ist ein autarkes Mini-Rechenzentrum in sich selbst. Durch seine Wärmelastabfuhr von bis zu 30 kW pro Rack erfüllt es die Anforderungen an Hochverfügbarkeit und Sicherheit, die Hochleistungsrechner benötigen und ist im RZ auch mit klassischen Raumlösungen kombinierbar.

Ebenfalls für Hochleistungsrechner und Cluster-Lösungen gibt es einen weiteren Produktansatz: Ein wassergekühltes Rack mit Wärmetauscher unterhalb der Server stellt den Servern in einem ständigen Kreislauf kalte Luft bereit, und zwar nach dem „Cooling-on-Demand“-Prinzip stets nur genau so viel Kälte, wie aktuell notwendig ist.

Der Closed-Loop-System-Seitenkühler steht neben einem oder zwischen zwei vorn und hinten geschlossenen Server-Racks, saugt die erwärmte Luft aus dem rückseitigen Rack-Bereich an, kühlt sie mithilfe der integrierten Luft-/Wasser-Wärmetauscher herunter und bläst sie direkt vor den zu kühlenden Servern wieder aus.

Das Grundprinzip des wassergekühlten Kreislaufs zeigt das Zusammenspiel von Kaltwassererzeugern – etwa von Stulz – und den Rechenzentrumskomponenten (rechts im Bild).

Die perforierten Kacheln des Doppelbodensystems lassen die Kaltluft an genau den Stellen in die Einhausung, wo sie benötigt werden: an den Hotspots der Server.

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