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Server-Einhausung

Kühle Infrastruktur für das Rechenzentrum

Fragen der effizienten Klimatisierung beschäftigen Betreiber von Rechenzentren immer wieder. Dabei gibt es vielfältige Möglichkeiten, den Stromverbrauch von IT-Equipment zu senken, weniger Verlustwärme zu erzeugen und so Betriebskosten einzusparen. Um die dennoch entstehende Abwärme von Servern und Switches abzuführen, hilft eine präzise Abstimmung der Infrastruktur-Komponenten.



Das Kühlsystem LCP Inline von Rittal ist darauf ausgelegt, die Abwärme kompletter Rackreihen abzuführen – sofern diese nach dem Kalt-Warmgasprinzip gestellt sind und über Gangeinhausungen verfügen. Bild: Rittal GmbH & Co. KG.

Wer sein Rechenzentrum energieeffizient klimatisieren will, ist vor einige Herausforderungen gestellt. In der Regel wird die Power Usage Effectiveness (PUE) als Maß der Dinge verstanden, um die Energieeffizienz eines Rechenzentrums darzustellen. Da bei der geforderten IT-Leistung jedoch oft keine Abstriche gemacht werden können, sind die Möglichkeiten für Energieeinsparungen oft gering. Anders sieht es bei der Gebäudetechnik aus, die für ein Rechenzentrum erforderlich ist: Hier bietet sich meist erhebliches Potenzial für Energieeinsparungen. Zu den zentralen Bausteinen zählen eine richtig ausgelegte Raumklimatisierung sowie ein 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 TC9.9 ‚thermische Richtlinien für den Rechenzentrumsbetrieb‘ der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (Ashrae). Die Grenzwerte, welche die VDI 2054 beschreibt, decken sich weitgehend mit den Werten, die Ashrae als optimal bezeichnet. Daraus ergibt sich für die Serverzuluft im IT-Raum ein Temperaturbereich von 18 Grad Celsius bis 27 Grad Celsius bei einer relativen Luftfeuchte von 20 bis 80 Prozent. 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 Berechnung der Kühllast

In den meisten Fällen wird in den heutigen Rechenzentrumsanwendungen durch die Lüftungsanlage der Gebäudetechnik ein ‚einfacher‘ Luftwechsel pro Stunde für die Frischluftversorgung angesetzt, da das Rechenzentrum oftmals kein stetiger Arbeitsplatz im Sinne der Norm ist. Wird nun die Abwärme 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 aus zwei Summen zusammen: Die erste erzeugt das eingebaute IT-Equipment. Diese kann direkt am Rack durch Kühleinheiten abgeführt werden. Die zweite Quelle entsteht durch interne Wärmequellen wie Beleuchtung und Sonneneinstrahlung durch Fenster. Für die IT-Klimatisierung ist dies die externe Last, die ein raumlufttechnische Anlage (RLT) abführt.

Eine präzise Kühllastberechnung nach VDI 2078 ist die Grundlage, 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 entfällt somit für die RLT-Anlage. Ist je nach benötigter Luftqualität eine Befeuchtung der Zuluft für den idealen Serverbetrieb erforderlich, kann 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 meist leichter erfüllen als bei einer direkten Befeuchtung am IT-Rack. Ausgangspunkt 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 zum Beispiel 18 Kilowatt versorgt, ergibt sich im Volllastbetrieb eine thermische Verlustleistung von nicht mehr als 18 Kilowatt.

Abwärme dort abfahren, wo sie entsteht

Um die Abwärme der IT-Racks gezielt abzuführen, lassen sich beispielsweise Klimasysteme an den Serverracks installieren, in denen ein Luft/Wasser-Wärmetauscher eingebaut ist. Diese saugen die erwärmte Server-Abluft an, führen diese über den Wärmetauscher und blasen die abgekühlte Luft wieder vor die Server. Mit dieser Technologie hat der Systemanbieter Rittal seine Produktreihe Liquid Cooling Packages (LCP) ausgestattet. Diese Systeme können elektrische Verlustleistungen von zehn Kilowatt bis 55 Kilowatt pro Einheit abführen. Verfügbar sind die Kühleinheiten in zwei Geräteklassen: Für zehn Kilowatt bis 30 Kilowatt und für 40 Kilowatt bis 55 Kilowatt. Die angegebenen Nennkühlleistungen werden jeweils bei einer Wasser-Vorlauftemperatur von 15 Grad Celsius erreicht. Eine einzelne Einheit nimmt 0,36 Quadratmeter in Anspruch.

Die Geräte können leistungsbezogen mit Lüftermodulen ausgebaut und so der Wärmelast modular angepasst werden. Kommt es zu einem weiteren Ausbau des Racks und damit auch zu mehr Abwärme der Komponenten, lässt sich die Kühlleistung nachträglich anpassen. Bei der 30-Kilowatt-Einheit ist ein Lüftermodul vorinstalliert, das eine Verlustleistung von zehn Kilowatt kühlen kann. Um eine Kühlleistung von 30 Kilowatt zu erbringen, sind zwei zusätzliche Module zu installieren. Die 30-Kilowatt-Einheit kann mit maximal sechs Lüftermodulen ausgebaut werden. Damit erzielt sie eine ’n+3 Redundanz‘ sowie eine Reduzierung der Lüfterdrehzahl. Laufen die drei nötigen Lüfter für 30 Kilowatt Kühlleistung mit 92 Prozent Drehzahl, reduziert diese sich durch den Einsatz von sechs Lüftern auf 49 Prozent. Die Aufnahme elektrischer Leistung sinkt um 46 Prozent – ein Beitrag zur Energieeffizienz. Die Kühlkomponente verfügt über eine autarke, stetige Regelung zur Einstellung der Serverzulufttemperatur. Der Betriebspunkt der Serverzuluft Temperatur ist hier frei konfigurierbar, so kann immer eine Anpassung der Zuluft auf die Parameter des IT-Equipments erfolgen.

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