Kühle Rechner trotz hoher IT-Leistung

Wer heute ein Rechenzentrum energieeffizient klimatisieren will, ist vor einige Her­ausforderungen gestellt. Zwar wird der sogenannte Power Usage Effectiveness (PUE; dieser setzt die insgesamt im Rechenzentrum verbrauchte Ener­gie ins Verhältnis mit der Ener­gieaufnahme der Rechner) oft als Maß der Dinge verstanden, die Energieeffizienz des Rechenzentrums darzustellen, jedoch lässt die geforderte IT-Leis­tung oft keine Einsparung zu. Erhebliche Potenziale für Energieeinsparungen bieten sich vielmehr in der Gebäudetechnik, welche für den Betrieb des Rechenzentrums notwendig ist. 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 amerikanische Richtlinie ASHRAE TC 9.9 „Thermische Richtlinien für den Rechenzentrumsbetrieb“*. Die Grenzwerte, die die VDI 2054 beschreibt, ­decken sich weitestgehend mit den Werten, 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%. Je besser diese Umgebungsparameter auf den Betrieb des IT-Equipments angepasst werden können, umso effizienter kann die thermische Last an den Racks abgeführt werden.

Genaue Berechung der Kühllast

In den meisten Fällen wird in den heutigen Rechenzentrumsanwendungen ein einfacher Luftwechsel pro Stunde für die Frischluftversorgung angesetzt, da das Rechenzentrum oftmals kein stetiger Arbeitsplatz im Sinne der Norm ist. Wird nun die thermische Last des IT-Equipments direkt am Rack abgeführt, müssen die Komponenten der Lüftungsanlage nur für die Konditionierung der Raumluft bemessen und ausgelegt werden. Die gesamte thermische Last für das Rechenzentrum setzt sich zusammen aus der:
thermischen Last, die das eingebaute IT-Equipment erzeugt (diese kann direkt am Rack durch Kühleinheiten abgeführt werden) und der 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 die thermische Last der Beleuchtung und anderen internen Wärmequellen abgeführt werden kann. Die Kühlung der IT-Last kann eventuell entsprechend der benötigten Leistung und Auswahl des Kühlungssys­tems für die RLT-Anlage entfallen. Ist je nach benötigter Luftqualität eine Befeuchtung der Zuluft erforderlich, sollte diese mit einer Dampfbefeuchtung in der RLT-Anlage realisiert werden. 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. Wird ein IT-Rack mit einer elektrischen Anschlussleistung von z.B. 18 kW versorgt, ergibt sich im Volllastbetrieb eine thermische Verlustleistung von nicht mehr als 18 kW. Ist aus Redundanzgründen eine elektrische A- und B-Versorgung installiert, so ist für die Ermittlung der thermischen Verlustleistung nur die Normalversorgung relevant, da der Strom über die B-Versorgung nur beim Ausfall der A-Versorgung Leistung eingebracht wird.

Präzise Bestandsaufnahme bei Sanierung

Steht die Sanierung eines Rechenzentrums an, ist die genaue Bestandsprüfung unumgänglich. Wurde die RLT-Anlage nach der VDI 2054 dimensioniert, so ist hier ein Mindest-Zuluftvolumenstrom von 10 m³/m² Fläche vorgesehen. Legt man aber nun den Mindest-Zuluftvolumenstrom nach DIN EN 13779 zugrunde, kann dieser um 70% geringer ausfallen. Bei einem Rechenzentrum mit einer Grundfläche von 240 m² und einer Raumhöhe von 3,5 m ergibt sich nach VDI 2054 ein Mindest-Zuluftvolumenstrom von 2400 m³/h. Unter mitteleuropäischen Betriebsbedingungen ist eine mittlere Luftqualität nach IDA 2 (Indoor Air; EN 13779, Kapitel 6.2.5, Tabelle 5) ausreichend. Dient hier der Mindest-Zuluftvolumenstrom der EN 13779 als Basis, wird ein flächenbezogener Mindest-Zuluftvolumenstrom von 0,83 l/Sekunde je Quadratmeter angegeben. Somit ergibt sich ein Mindest-Zuluftvolumenstrom von 715,2 m³/h. Der vormals dreifache Luftwechsel hat sich auf einen einfachen reduziert. Die Reduzierung des Mindest-Zuluftvolumenstrom ermög­licht nicht nur die Verwendung eines deutlich kleineren Kanalnetzes zur Luftversorgung des Rechenzentrums: auch die elektrische Leistungsaufnahme der Ventilatoren verringert sich um mehr als die Hälfte. Bei einem ganzjährigen Rechenzentrumsbetrieb können so erheblich niedrigere Betriebskos­ten und ein deutlich besserer PUE resultieren.

Thermische IT-Last dort abfahren, wo sie entsteht

Um die Abwärme der IT-Racks gezielt abzuführen, lassen sich z.B. Klimasysteme an den Server-Racks direkt installieren, in denen ein Luft/Wasser-Wärmetauscher eingebaut ist. Bei Verlustleistung bis einschließlich 5 kW kann eine Doppelbodenkühlung mit Umluftklimasystem installiert werden und bei Verlustleis­tungen größer 5 kW kommt in der Regel die Rack- und Reihenkühlung zum Einsatz. Sowohl bei Rack- als auch bei Reihen-Klimatisierung empfehlen sich Direkt-Kühleinheiten. Diese können elektrische Verlustleistungen von etwa 10 kW bis 55 kW pro Einheit abführen. Bei der heutigen Maßgabe, in IT-Räumen eine hohe Packungsdichte zu erreichen, muss der Platzbedarf der Komponenten also möglichst gering sein. So nimmt eine Direkt-Kühleinheit nur rund 0,4 m² 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 aufsummiert. Beispielsweise gibt der Hersteller eines Core Switches (die leistungsstärkste Switch-Variante mit dem höchsten Datendurchsatz) eine Wärmeabgabe von 6 kW an. Bei einem Bladesystem sind 4 kW pro Unit nicht ungewöhnlich. Werden nun fünf Bladesysteme und zwei Core Switches in dem Rack installiert, entstehen so 32 kW Wärme im 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. Doch moderne IT-Racks mit einer thermischen Verlustleistung von 18 bis 24 kW sind heute keine Seltenheit mehr. Hochschulen erreichen aufgrund enormer Rechenleistungen sogar noch deutlich höhere Verlustleistungen pro Rack.

Klimatisierung von Rack-Reihen

Bei der Reihenklimatisierung werden typischerweise die Serverracks nach dem Prinzip des kalten und warmen Ganges im Rechenzentrum aufgestellt. Hierbei stehen sich jeweils die Vorderseiten von zwei Rack-Reihen gegenüber und bilden den Kaltgang. In diesen wird die Kaltluft durch entsprechende Kühleinheiten eingeblasen und diese Luft vom IT-Equipment in den Racks angesaugt. Die sich gegenüberstehenden Rückseiten der Serverracks bilden den sogenannten 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 luftseitiges Delta T erreicht wird, sodass die Kühleinheiten mit maximaler Effizienz beim Generieren der Kühlleistung arbeiten. Der entstandene Gang in der Mitte der Rack-Reihen wird nach oben mit Deckenelementen verschlossen, eine seitliche Abschottung erfolgt meist über Schiebetüren. Transparente Deckenelemente können zudem genug Licht durchlassen, eine zusätzliche Beleuchtung im Kaltgang ist dann meist nicht notwendig. Entscheidend ist die saubere Trennung des Kalt- und Warmluftbereiches. Die Direkt-Kühl­einheiten 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 Direkt-Kühleinheit saugt sie wiederum gezielt ab, kühlt sie herunter und bläst sie erneut in den Kaltgang ein.

Direkte Kühlung am IT-Rack

Sind die Anforderungen an die IT-Klimatisierung höher, kann das Rack auch direkt durch die Direkt-Kühleinheit klimatisiert werden. Hierbei hat das Rack eine geschlossene Fronttür aus Glas sowie eine geschlossene Rücktür. Der Kalt- und Warmgang wird somit direkt in das Rack „hinein verlegt“. In diesem Fall wird die kalte Luft direkt vor die Server in das IT-Rack eingeblasen und im hinteren Bereich aus dem Rack abgesaugt. Diese Anwendung ermöglicht die Kühlung von zwei IT-Racks pro Direkt-Kühleinheit. Die Mehrzahl des IT-Equipments arbeitet nach dem Prinzip der front-to-back-Klimatisierung: dem Ansaugen kalter Luft über die Gerätefront und dem Ausblasen der Warmluft an der Rückseite. In einem voll ausgebauten Rack mit 47 Höheneinheiten (1 Höheneinheit (HE) = 44,45 mm; 47 HE = 2,08915 m) entsteht so eine enorme Luftleistung. Ein marktüblicher Server für kleine und mittlere Unternehmen erzeugt beispielsweise einen maximalen Luftvolumenstrom von 231 m³/h in einer HE. Auch bei Servern, die eine seitliche Luftführung erfordern, ist die Kühlung per Direkt-Kühleinheiten problemlos möglich, wenn vorher die Luftleitbleche im Rack verschoben werden. Zur Abführung thermischer Lasten sind sie in verschiedenen Geräteklassen verfügbar.

Regelung nach der Server-Zulufttemperatur

Die Direkt-Kühleinheit verfügt über eine vollkommen ­autarke, stetige Regelung zur genauen Einstellung der Server-Zulufttemperatur. Der Betriebspunkt der Serverzuluft Temperatur ist hier frei konfigurierbar, so kann immer eine Anpassung der Zuluft auf die Parameter des IT- Equipments erfolgen. Hier wird mit einer Toleranz von +/-1 K die kalte Luft abgegeben. In der Direkt-Kühleinheit wird am Wärmetauscher sowohl an der Abluft- als auch an der Zuluft-Seite an jeweils drei Punkten die Temperatur gemessen: am unteren Ende, in der Mitte und am oberen Ende des Wärmetauschers. Mit diesen sechs Messwerten berechnet sich der Mittelwert der Zu- und Abluft der Server. Oft sind die Racks in einem Rechenzentrum mit unterschiedlichsten Komponenten bestückt, die wiederum verschiedene Ablufttemperaturen aufweisen. Eine Regelung nach dem Mittelwert der Zu- und Abluft ist meist der effizienteste Ansatz. Sind in einem IT-Rack jedoch Geräte schwerpunktmäßig in einem Drittel verbaut, kann die Einstellung so konfiguriert werden, dass zur Regelung die höchste Lufttemperatur als Führungsgröße dient. Die Direkt-Kühleinheit verfügt über zwei Regelkreise. Wird zunächst eine Sollwert-Abweichung der Zuluft Temperatur erreicht, korrigiert der Regelkugelhahn den Wasserdurchfluss. Ist dies nicht ausreichend, wird die Luftleistung der Ventilatoren nachreguliert. Dies geschieht durch eine entsprechend höhere oder niedrigere Drehzahl der Lüfter.

Leitungsnetz auf Nennkühlleistung auslegen

Geringe Druckverluste im hydraulischen Netz sind die Grundlage für einen geringen Energieaufwand. Oft wird die durch freie Kühlung eingesparte Energie durch hohe elektrische Pumpenleistungen zunichte gemacht. Diese resultieren meist aus zu hohen Druckverlusten im hydraulischen Netz. Bei turbulenten Strömungen im System ist der Druckverlust in der Rohrleitung in der fünften Potenz zum Rohdurchmesser abhängig. Dies bedeutet: wird eine 15% größere Dimension verwendet, ist der Druckverlust um bis zu 50% geringer. In den meisten Fällen ist es am effizientesten, wenn das Leitungsnetz auf die Nennkühlleistung der Direkt-Kühleinheit ausgelegt wird, auch wenn die momentan eingebrachte IT-Last geringer ist. Für ein funktionierendes Kaltwassersystem muss der Versorgungsstrang schon ab dem Kaltwasserverteiler durch Strangregulierventile oder Differenzdruck Regulierventile hydraulisch einreguliert sein. Verteilleitungen im Rechenzentrum müssen ebenfalls hydraulisch einreguliert werden, damit jeder Direkt-Kühleinheit die nötige Wassermenge zur Verfügung steht. Im Allgemeinen sollte die Vorlauftemperatur des IT-Kaltwassersystems so hoch wie möglich gewählt werden, erfahrungsgemäß liegt diese bei 15°C bis 18°C. Je höher die Vorlauftemperatur ist, umso höher ist der Kaltwasseranteil, welcher durch Freikühlung erzeugt werden kann. Die benötigte Kühlleistungsdifferenz von der gegebenen Umgebungstemperatur zur benötigten Vorlauftemperatur muss dann mit Kompressionskälte erzeugt werden.

*) ASHRAE: Die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers ist ein Berufsverband aller in Heizungs-, Kühlungs-, Lüftungs- und Klimaanlagenbau Tätigen in den USA. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Förderung von Gebäudeklimamanagementtechnologien in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Indus­trie. Der Verband spricht Empfehlungen mit internationaler Tragweite aus.

Autoren: Daniel Luther, Produktmanager IT-Klimatisierung, Kerstin Ginsberg, PR-Referentin IT, beide Rittal, Herborn

Bilder: Rittal
www.rittal.de