Geringe Kühlleistung für hohe Serverleistung

Bei der Entscheidung für die bestmögliche Präzisionsklimatisierung eines Rechenzentrums steht das Thema Energieeffizienz ganz oben auf der Agenda, denn vielfach wird in Rechenzentren rund die Hälfte der eingesetzten Energie zur Klimatisierung verwendet. Die Power Usage Effectiveness (PUE) setzt die verbrauchte Energie zu der von der IT genutzten ins Verhältnis. In Zeiten steigender Energiekosten sollte dieser Wert nahe bei 1 liegen. Doch wird nicht jede technische Lösung jedem Standort gerecht. Für bestehende Rechenzentren stehen andere Entscheidungskriterien im Vordergrund als beim Neubau.

Um die Energie zur Kühlung des Rechenzentrums zu reduzieren, gibt es verschiedene Ansätze: Die aktuellen Betriebsempfehlungen für Rechenzentren
(ASHRAE2011) erlauben heute bis zu 27 °C für die Zuluft von Rechenzentren. Betriebsumgebungen dürfen wärmer, feuchter und trockener sein als zuvor, ohne dass die IT als gefährdet gilt. In einem renovierten Datenzentrum kann heute ein PUE von 1,4 erreicht werden, während im Neubau Verhältniszahlen knapp über 1 das Ziel sind. Mit dem Ziel, den Energiebedarf für die Kühlung zu reduzieren, ist mittlerweile die Integration der freien Kühlung im Rechenzentrum nahezu Standard. Die Wirtschaftlichkeit dieser Kühlmethode lässt sich jedoch noch steigern, indem eine indirekte adiabate Befeuchtung in das Klimagerät integriert wird. Die meisten Kühlanforderungen können auf diese Weise vollständig ohne zusätzliche Kompressionskälte erfüllt werden und Kosten für einen Verdichter, Kältemittel und Wartung können entfallen.
Für diese Lösung muss das Dach sehr tragfähig sein, da durch die Luftkanäle und die Verrohrung sowie durch das Klimagerät je nach Ausstattung bis zu 10 t Last anfallen können. Die meist wenigen tragenden Wände eines Rechenzentrums müssen daher ebenfalls besonders belastbar sein. So spielen bei der Auswahl der geeigneten Kühltechnik die Tragwerksplanung bzw. die sich daraus ergebenden Baukosten eine entscheidende Rolle. Alternativ gibt es die Möglichkeit, die Außenwand des Gebäudes zur Aufstellung zu nutzen – entsprechender Platz auf dem Grundstück vorausgesetzt. Für die adiabate Kühlung wird eine frostsichere Wasserversorgung durch Permeat (Wasser, das durch Umkehrosmose weitestgehend frei von Elektrolyten ist) benötigt. Entsprechend werden beim Neubau daher meist die Statik und die Ausstattung des Gebäudes mit technischer Infrastruktur an die gewünschte Kühltechnik angepasst, während im Bestand aus Kostengründen die Kühltechnik an die vorhandenen baulichen Gegebenheiten adaptiert wird.

Außentemperatur bestimmt den Betriebsmodus
Im Neubau bietet sich Präzisionsklimatechnik zur Dachaufstellung an. Insbesondere eine Kombination aus indirekter freier Kühlung mit indirekter adiabater Befeuchtung hat sich als energieeffiziente Lösung erwiesen: Welche der kühlenden „Baugruppen“ aktiv ist, bzw. welcher der vier Betriebsmodi am effizientesten arbeitet, hängt jeweils von den Außentemperaturen bzw. den Jahreszeiten ab:

• Bei Außentemperaturen im Plusbereich nahe dem Gefrierpunkt ist allein die indirekte freie Kühlung ausreichend, um die anfallende Wärmelast komplett abzuführen – und das bei niedriger Ventilatorleistung. Jegliche zusätzliche Kühlquelle (sowohl Adiabatik als auch Kompressionskälteerzeugung) ist in diesem Betriebsmodus abgeschaltet. EC-Ventilatoren im Außenluftstrom arbeiten bei diesen Temperaturen im minimalen Drehzahlbereich. Sie stellen sicher, dass die Temperatur der Zuluft für das Rechenzentrum den vom Betreiber vorgegebenen Sollwert – zwischen 23 und 26 °C – nicht übersteigt.
• Bei frühlingshaften Außentemperaturen zwischen etwa 6 °C und 15 °C reicht es bereits aus, nur die EC-Ventilatoren stufenlos bis zu einer höheren Drehzahlstufe zu regeln.
• Erst bei Temperaturen über ca. 15 °C, bzw. bevor die maximale Drehzahl der Ventilatoren erreicht wird, kommt die adiabate Kühlung zum Einsatz. Eine integrierte Steuerung und Regelung findet dabei das energetische Minimum zwischen Ventilatorleistung und benötigter adiabater Kühlung.
• In Abhängigkeit von der Leistungsanforderung aus dem Rechenzentrum, der Außenluftfeuchte und bei Außentemperaturen über etwa 32 °C wird die indirekte adiabate Kühlung durch einen zusätzlichen Spitzenlastkühler unterstützt, welcher optional auf 100 % Kälteleistung und damit als Redundanzkühler ausgelegt werden kann.

Innen- und Außenluft sind bei diesem System stoffdicht voneinander getrennt: Die Innenluft des Rechenzentrums wird ganzjährig im Umluftbetrieb gekühlt. Die Abkühlung der Innenluft erfolgt im Rekuperator (Plattenwärmeübertrager). Wasser, das zum Besprühen und Kühlen der Außenluft verwendet wird, wird regelmäßig abgeschlämmt und erneuert. So sind Verschmutzungen oder hygienische Beeinträchtigungen ausgeschlossen.

Lifecycle Costs als Bewertungsmaßstab
Die Investitionskosten dieser effizienten aber großvolumigen Technik plus einer Wasseraufbereitungsanlage sind höher als bei einer konventionellen Kaltwasser-Lösung. Dieser scheinbare Nachteil wird jedoch durch die niedrigen Betriebskosten über die Zeitspanne der Nutzung mehr als ausgeglichen: Durchschnittlich benö­tigt ein Kaltwassererzeuger etwa die vierfache Menge an elektrischer Energie, die eine Kombination aus indirekter freier Kühlung mit indirekter adiabater Befeuchtung verbraucht.
Für eine Entscheidung für oder wider diese Präzisionsklimatechnik ist also eine detaillierte Betrachtung der Life-Cycle-Costs für den jeweiligen Standort (Platz auf dem Dach bzw. auf dem Grundstück) sowie dessen Klimadaten (maximale Außentemperaturen) unerlässlich. Auch eventuelle Mehrkos­ten für die nötige technische Infrastruktur sowie die statische Ausführung des Gebäudes sind zu kalkulieren.
Hier könnte eine Rolle spielen, wer die Investitionskosten und später die Betriebskos­ten zahlt: Ein Klimagerät hat hohe Investitionskosten aber niedrige Betriebs­kos­ten. Bei einem Präzsionsklimaschrank ist das Verhältnis dagegen umgekehrt. Die Ursache dafür liegt in der unterschiedlich hohen Leistungsaufnahme der jeweiligen Gerätetypen. Klimageräte (mit adiabater freier Kühlung) haben eine geringere Leistungsaufnahme als Klimaschränke, und damit halbiert sich die elektrische Anschlussleistung des Gebäudes für Kühlzwecke (Transformator,
elektrische Infrastruktur, Dieselgeneratoren etc.). Diese Einsparungen gleichen die Mehrkosten für die Statik oder große Luftkanäle und eine Kaltgangeinhausung (um hohe Abluft- bzw. Zulufttemperaturen zu erreichen) aus. Weiterhin kann mehr Standfläche (White Space) tatsächlich für Server genutzt werden, da keine zusätzlichen Präzisionsklimaschränke aufgestellt werden müssen.

Kühlung im Bestand mit Klimaschränken ist wirtschaftlich
Eine andere Situation zur Entscheidungsfindung ergibt sich, wenn die Klimatechnik im Bestand aufgrund gestiegener Wärmeentwicklung nachgerüstet werden muss. Im Bestand sind meist keine gro­ßen Luftkanäle vorhanden, oder der dazu erforderliche Platz. Auch könnten die Bauvorschriften oder die Statik des bestehenden Gebäudes Klimatechnik zur Außenaufstellung verhindern, bzw. eine Versorgung mit Permeat könnte technisch zu aufwendig sein. In diesen Fällen sollten Rechenzentrumsbetreiber auf Klimaschränke zurückgreifen. Ist der Platz knapp, bieten sich Geräte an, die zwischen den Servern aufgestellt werden und zum Betrieb einen Strom- und einen Kaltwasseranschluss oder einen Kältemittelanschluss sowie einen Kondensatablauf benötigen. Doch muss mit dieser Technik nicht auf eine nachhaltige und energieeffiziente Betriebsweise verzichtet werden.
Es gibt Geräte mit schlanker Bauform, die zwischen den Racks aufgestellt werden und die Präzisions-Kühlanforderungen bereits auf kleinster Stellfläche abdecken. Die Aufstellung der Geräte zwischen den Racks verkürzt die Luftwege und erhöht auf diese Weise die gekühlte Luftmenge pro Stunde. Dies bewährt sich vor allem bei punktuell hohen Wärmelasten. Die Temperaturdifferenz bleibt dabei in etwa gleich. Für die Luftverteilung ist es optimal, wenn die hohen gekühlten Luftmengen in verschiedene Richtungen gelenkt werden können. Können die Klimaschränke bündig mit den Server-Racks in der Reihe stehen, muss die Luft frontal austreten. Ragen die Klimaschränke jedoch etwa 20 cm aus der Server-Reihe heraus oder soll die Kaltluft am Ende einer Serverreihe nur in Richtung der Server geblasen werden, ist ein Luftaustritt nach links und/oder rechts erforderlich.

EER von 3,5 oder besser
Auch Klimaschränke kühlen die Luft eines Rechenzentrums im Umluftbetrieb. Je nach Gebäudeausstattung kann auf Modelle mit Kaltwasserkühlung oder mit Direktverdampfung zurückgegriffen werden. Beide Gerätevarianten sind für rein sensible Kühlung ausgelegt. Niedrige Anschlusskos­ten ergeben sich, wenn die Geräte einfach durch flexible Anschlüsse von oben oder unten angeschlossen werden können, sodass im besten Falle weder abgehängte Decken noch Bodensockel – bzw. Umbau- und Installationsarbeiten – erforderlich sind.
Da bauliche Gegebenheiten für die Aufstellung von Klimaschränken eine eher untergeordnete Rolle spielen, sind die Energieverbrauchs- und die Anschlusskosten neben der eigentlichen Investition die wichtigsten Kriterien für die Auswahl der optimalen Technik. Bei Direktverdampfern sollte der Betreiber sein Augenmerk auf den EER (Energy Efficiency Ratio) richten, der bei 3,5 liegen sollte. Je größer dieser Wert ist, desto besser wird die eingesetzte elektrische Energie zur Kälteproduktion eingesetzt. Der Quotient aus der Kälteleistung (in kW) und der Leistungsaufnahme des Ventilators (in kW), EER (Energy Efficiency Ratio), sollte über 30 ergeben.

Autoren: Andreas Stadlmayr, Pro­duct Manager Close Control Units,
GEA Heat Exchangers, GEA Klima­technik GmbH, Gaspoltshofen, Öster­reich;
Tim Krambrökers, Product Mana­ger Refrigeration Systems, GEA Heat Exchangers, GEA Air Treatment GmbH, Herne, Deutschland

Bilder: GEA

www.gea-hx.de