IT-Ausfallsicherheit durch modulare Kühlsysteme

Ist die Erweiterung einer IT-Umgebung geplant, dann kann das Kühlkonzept rasch an seine Grenzen kommen oder einfach nur unwirtschaftlich werden. Modulare Kühlsysteme können hier weiter helfen: Diese eignen sich zur Kühlung einzelner Schränke, zum Aufbau einer Kaltgang-Klimatisierung und sogar für High Performance Computing-Systeme, bei denen bis zu 40 kW Leistung pro Schrank gekühlt werden muss.

Dem IT-Verantwortlichen einer dynamisch wachsenden IT-Umgebung bieten sich verschiedene Varianten. Ganz klassisch wäre die Kühlung auf Basis eines kältemittelbasierten Klimageräts. Bei der DX-Kühlung, DX steht für Direct Expansion und beschreibt die Klimatisierung über ein Split-Gerät mit einem Kompressor, wird die Kälte über einen geschlossenen Kältemittelkreislauf mit Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil erzeugt.
In der IT-Klimatechnik setzen viele Hersteller als Kältemittel R-410A oder R134a ein, da diese eine hohe volumetrische Kälteleistung besitzen. Daher wird auch mit kleinen Verdichtern eine hohe Leistung erzielt, wodurch die Entwicklung sehr kompakter Klimageräte möglich wird. Beim Einsatz müssen Kunden die Kältemittelverordnung beachten, die in Europa je nach Land unterschiedlich ausfallen kann. Die Verordnung definiert u. a., welche Mengen von welchem Klimamittel unter welchen Bedingungen an welchen Aufstellorten verwendet werden dürfen. Details über Art und Menge des Kältemittels liefern die Sicherheitsdatenblätter, die jeder Hersteller für seine Produkte bereitstellen muss.

Welche Systeme gibt es?
Ein DX-Klimagerät ist in der Regel die am schnellsten und einfachsten zu realisierende Lösung für eine schrankbasierte Kühlung: Das Gerät wird einfach 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, wodurch die klassische „front to back“-Luftführung der 19-Zoll-Einbauten unterstützt wird. Bei diesem Konzept wird kalte Luft vor die Geräte geblasen und die durch die Server erwärmte Luft wird dann im rückwärtigen Bereich angesaugt, über den Wärmetauscher geführt und dadurch wieder gekühlt. Bei diesem Konzept sollte der IT-Schrank gut abgedichtet sein, weil sonst Kälte entweicht und das Gesamtsystem an Effizienz verliert. Weiterhin wird die Abwärme nicht in den Aufstellraum, sondern über einen Verflüssiger ins Freie abgegeben.
Eine Alternative sind Rack-Klimageräte, die sich seitlich am IT-Schrank montieren lassen, wodurch sich mit nur einem Kühlgerät auch zwei Schränke versorgen lassen. Solche Geräte sind auch in Varianten verfügbar, die die Kaltluft nach vorne ausblasen. Damit realisieren Unternehmen sehr elegant eine Lösung mit einem Kaltgang, in dem mehrere IT-Racks gekühlt werden.
Eine Besonderheit sind kompakte Dachaufbaukühlgeräte, die direkt auf dem Dach eines IT-Racks montiert werden. Solche einteilige Lösungen 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. Hiermit lassen sich Leistungen bis etwa 3 kW kühlen. Allerdings blasen diese Geräte die warme Abluft in den Raum, wodurch sich der Technikraum aufheizt. Sinnvoll kann diese Lösung sein, wenn bereits ein Raumklimagerät vorhanden ist. Wer z. B. in einem Hochhaus in der 15. Etage eine schnelle Kühllösung benötigt und keine baulichen Veränderungen vornehmen darf, ist mit diesem Konzept wahrscheinlich bestens bedient.

Alternative Wasser?
Ein wichtiger Parameter bei der Sys­temauswahl ist die zu kühlende Gesamtleistung der IT-Infrastruktur. Die DX-basierte Kühlung ist für kleine bis mittlere Gesamtleistungen bis etwa 40 kW Verlustleistung bei homogener Leistungsverteilung über die IT-Racks hinweg gut geeignet. Ab etwa 40 bis 50 kW Gesamtleistung lohnt sich die Installation einer Wasserkühlung.
Prinzipiell ist natürlich auch in kleineren IT-Umgebungen der Einsatz eines auf Wasser basierenden Kühlkreislaufs möglich. Hierfür ist jedoch eine entsprechende Wasserzufuhr notwendig. Diese findet sich in vielen Fabrikhallen, jedoch in der Regel nicht in einem Bürogebäude. Daher muss ein Kaltwassersatz (Rohre, Pumpe, Freikühler, Chiller) bei den Investitionskosten berücksichtigt werden. Dieser Investition stehen aber geringere Betriebskosten gegenüber, da zu einem großen Teil des Jahres das Wasser über die kalte Außenluft gekühlt werden kann.
Im Vergleich dazu sind die Anschaffungskosten für kältemittelbasierte Kühlsysteme meist niedriger. Der Grund: Da Wanddurchbrüche für dünnere Kupferleitungen günstiger herzustellen sind als für Wasserleitungen, fällt der Montageaufwand 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 also, eine Vollkostenrechnung („Total Cost of Ownership“) durchzuführen, die neben den Investitionen auch die Betriebskosten berücksichtigt.

Auf energieeffiziente Produkte achten
Wer sich für eine modulare Kühllösung entscheidet, sollte einige wichtige Details bei der Auswahl beachten. Meist sind nur moderne Geräte in der Lage, kontinuierlich die Kompressorleistung über die Temperatur der Server-Zuluft zu regeln. Diese Systeme arbeiten mit einem invertergeregelten Verdichter, mit dem das Kühlgerät die Kaltluft konstant auf der eingestellten Server-Zulufttemperatur hält. So wird auch ein Einblasen von zu stark gekühlter Luft – was zur Kondensation führen könnte – vermieden. Weiterhin ist der Einsatz von drehzahlgeregelten EC-Ventilatoren sinnvoll, da diese das Luftvolumen sehr bedarfsgerecht steuern können. Außerdem arbeiten diese Lüfter äußerst sparsam im niedrigen Energiebereich. Bei der hohen Abhängigkeit vieler Geschäftsmodelle von ausfallsicheren IT-Systemen sollten Unternehmen auf vollständig redundante Lösungen achten. Hierbei sind alle Komponenten wie Kompressor und Wärmetauscher bis hin zur Stromzufuhr doppelt vorhanden.

Extremtemperaturen beachten
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. Gleiches gilt für Aufstellorte mit sehr hohen Außentemperaturen, die gegebenenfalls ein geeignetes Außengerät benötigen. Weiterhin sind die maximal möglichen Entfernungen der Außeneinheit zum Serverraum sowie ein eventueller Höhenunterschied zu berücksichtigen; denn hiervon hängen die Menge des Kältemittels und die Leistungsfähigkeit ab.

Fazit
Modulare Kühlsysteme lassen sich in allen Leistungsklassen sehr flexibel einsetzen. Die Auswahl des Klimakonzepts sollte letztlich auf Basis der vorhandenen Gebäudeinfrastruktur erfolgen und die geplante Nutzung der IT-Infrastruktur berücksichtigen. Darüber hinaus ist eine Investitionskalkulation notwendig. Wer mit modularen Klimasystemen auf Rack-Ebene arbeitet, erhält sich auch langfristig die notwendige Flexibilität, um auf geänderte Anforderungen an die IT zu reagieren.

Autor: Bernd Hanstein, Hauptabteilungsleiter Produktmanagement IT, Rittal GmbH & Co. KG

Bilder: Rittal

www.rittal.de