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IT-Kühlung energieeffizient planen

Klimakonzepte für Rechenzentren

Nach Empfehlungen von IT-Systemherstellern und dem US-Industrieverband Ashrae können Serverzulufttemperaturen auf bis zu 26 °C angehoben werden. Allerdings ist dabei zu beachten, dass wenn ein 26 °C warmer Luftstrom zur Kühlung verwendet wird, dies im Schnitt etwa zu einer um 10 °C erwärmten Ausgangstemperatur führt.

Je nach Einsatzzweck kann es kostengünstiger sein, gezielt einzelne Racks zu kühlen, statt einen kompletten Raum zu klimatisieren.

Die Kühllösung „LCU DX“ (Liquid Cooling Unit) von Rittal bietet als Split-Kühlgerät eine kältemittelbasierte Schrankkühlung und ist in Leistungsklassen 3 und 6,5 kW (und jeweils in einer redundanten Variante) verfügbar.

„Lefdal Mine Datacenter“ an der norwegischen Küste. Kaltes Fjordwasser bietet die Basis für eine wasserbasierte IT-Kühlung. Das ausschließlich über regenerative Energien betriebene Rechenzentrum bietet aktuell Stellfläche für 300 Container mit 45 MW Kühlleistung.

 

Bei der IT-Kühlung im Rechenzentrum setzen viele Unternehmen auf die klassische Variante: Kompressorbasierte Kältemaschinen erzeugen kühle Luft, die wahlweise in den gesamten Raum oder in geschottete Gänge mit IT-Racks geblasen wird. Der Vorteil ist der hohe Grad an Kontrolle, den man über das gesamte thermodynamische System hat. Nachteil: Das Ergebnis führt oft „nur“ zu mittleren bis guten Effizienzgraden. Wer eine Anlage mit höchstmöglicher Energieeffizienz betreiben möchte, sollte individuelle Alternativen für das bestehende oder zukünftige Kühlkonzept evaluieren.

Warum sollten Unternehmen sich konkrete Gedanken über mehr Energieeffizienz im Rechenzentrum machen? Das wachsende Datenvolumen ist ein Grund dafür. So gilt generell die Aussage, dass sich das globale Datenvolumen etwa alle 18 Monate verdoppelt. Die Digitalisierung sowie das Internet der Dinge werden ein explosionsartiges Wachstum des Datenverkehrs weiter fördern. So geht z. B. der „Cisco Global Cloud Index“ von einem jährlichen Anstieg um 25 % des IP-basierten Datenverkehrs in Rechenzentren bis zum Jahr 2019 aus. Von 2014 bis 2019 hätte sich das IP-Datenvolumen damit verdreifacht. Für IT-Verantwortliche bedeutet das, dass sie Kapazitäten für Storage und Netzwerk weiter ausbauen müssen. Dagegen wird die in einem Rechenzentrum installierte Prozessorleistung nicht in dem gleichen Maße steigen – alleine schon dadurch, dass bei den Herstellungsprozessen in der Halbleitertechnik derzeit physikalische Grenzen erreicht werden, die kaum noch eine Steigerung der Transis­tordichte erlauben.

IT soll „grüner“ werden
Der kontinuierliche Ausbau der IT-Infrastruktur wird an Bedeutung zunehmen, je weiter die digitale Transformation in Unternehmen voranschreitet. Der damit verbundene Energieverbrauch belastet die CO2-Bilanz, was insbesondere für Organisationen mit der sogenannten „Green IT Policy“ zu einer echten Herausforderung wird. Dabei geht es um Bestrebungen, die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnik über deren gesamten Lebenszyklus hinweg umwelt- und ressourcenschonend zu gestalten. Dies beinhaltet die Optimierung des Ressourcenverbrauchs während der Herstellung, des Betriebs und der Entsorgung der Geräte.

Ashrae und die warme Luft zum Kühlen
Auf dem Weg zu weniger Stromverbrauch führt der erste Stopp zu dem US-Industrieverband Ashrae (American Society of Hea­ting, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers). Gemeinsam mit Herstellern von IT-Systemen wurde dort die Empfehlung entwickelt, dass Kunden die Serverzulufttemperaturen auf bis zu 26 °C anheben können. Wer heute noch ein 18 °C kaltes Rechenzentrum betreibt, wirft sein IT-Budget sprichwörtlich zum Fenster hinaus. Allerdings sind den Temperaturen auch Grenzen nach oben gesetzt: Wird ein 26 °C warmer Luftstrom zur Kühlung verwendet, führt dies im Schnitt etwa zu einer um 10 °C erwärmten Ausgangs­temperatur. Betreibt ein Unternehmen ein Rechenzentrum, in dem regelmäßig Umbauten und Erweiterungen vorgenommen werden, wird es bei Raumkühlung mit rund 36 °C schon recht warm für die Techniker. Gleichzeitig lässt sich das Prinzip einer höheren Einblastemperatur auch nicht beliebig erweitern. Bei 30 °C warmer Eingangsluft kann sich diese auf 40 °C erhitzen, was Menschen schon als unangenehm heiß empfinden.

Für wen ein Kühlkonzept lohnt
Für wen genau lohnt sich die individuelle Ausarbeitung eines Kühlkonzepts? Es sind meist größere Installationen, bei denen sich geringere Energiekosten über die Jahre hinweg zu relevanten Summen addieren. Noch vor einigen Jahren wurden viele Kühlkonzepte in der Annahme entwickelt, dass die Energiedichte innerhalb der IT-Schränke weiter zunehmen wird. Dies trat jedoch nicht ein, da IT-Komponenten wie Server immer effizienter wurden. Heute liegt die mittlere Leistung in IT-Racks im Schnitt zwischen 5 und 7 kW – im Vergleich dazu erreichen HPC-Systeme bis zu 40 kW pro Rack. Bei kleineren Installationen geht daher der Trend hin zu kompakten DX-Kühlgeräten, also zu kompressorbasierten Systemen mit Kühlmitteln wie R-410A oder R134a. 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.

Technologie sucht Anwendung
Theoretisch können IT-Verantwortliche bei der Planung großer Rechenzentren auf eine Vielzahl alternativer Konzepte zurückgreifen, um die auf ihren Bedarf zugeschnittene Lösung herauszufinden. In der Praxis entstehen jedoch nur wenige Anlagen komplett neu. Unternehmen sollten daher auf erfahrene externe Spezialisten setzen und gemeinsam ein passendes Energiekonzept entwickeln. Als Beispiel sind im Folgenden nur einige der vielen alternativen Kühlkonzepte aufgeführt, die heute von großen RZ-Betreibern verwendet werden.
Interessante technische Lösungen finden sich häufig im Bereich der Forschung und an Hochschulen: Herausgefordert durch die extrem hohen Rechenleistungen bei gleichzeitigem Anspruch nach umweltfreundlichen und bezahlbaren Lösungen. So nutzen einige HPC-Datacenter das Prinzip der direkten Wasserkühlung, um die Wärme unmittelbar von der CPU abzuführen. Das Konzept ist vergleichbar mit der im privaten Bereich bei Highend-Gaming-PCs verwendeten Wasserkühlung: Ein direkt auf dem Prozessor angebrachter Kühlkörper wird von Wasser durchströmt. Der „SuperMUC“-Großcomputer im Leibniz-Rechenzentrum München nutzt dieses Prinzip und arbeitet mit 40 °C warmem Wasser. „SuperMUC“ gilt als einer der energieeffizientesten Supercomputer weltweit. Die ETH Zürich startete vor einigen Jahren das Projekt „Aquasar“, bei dem die Rechner mit 60 °C Wassertemperatur im Vorlauf arbeiten. Das 65 °C heiße Wasser aus dem Rücklauf wird durch einen Wärmetauscher an einen externen, zweiten Wärmekreislauf weitergegeben, der direkt das Gebäudeheizsystem der ETH Zürich speist. Laut Hochschule spart dieses Konzept rund 40 % der Energiekosten und damit rund 1 Mio. Euro jährlich.

Untergetauchte Server
Eine zusätzliche Herausforderung bei diesen Konzepten ist die Kühlung der weiteren Baugruppen eines Servers rund um die CPU. Nur den Prozessor kühlen reicht nicht aus, es bedarf noch einer luftbasierten Klimatisierung. Warum also nicht gleich die gesamte Server-Baugruppe in eine Flüssigkeit eintauchen? Das Prinzip des „Immersion Cooling“ nutzt beispielsweise der „Vienna Scientific Cluster“, ein Supercomputer an der Universität Wien. Hier sind die IT-Komponenten in nicht brennbares Paraffinöl eingetaucht, das die Wärme abtransportiert. Das System arbeitet mit rund 50 °C, eine zusätzliche Luftkühlung ist nicht notwendig.

Luft ins Rechenzentrum schaufeln
Wer den Aufwand einer Flüssigkeitskühlung scheut und eine große homogene RZ-Fläche kühlen muss, kann auf rotierende Wärmetauscher setzen, die mit kühler Außenluft arbeiten. Voraussetzung: Es ist ausreichend Platz vorhanden. Bei der sogenannten „Kyoto“-Kühlung bewegen große Räder mit Durchmessern von mehreren Metern die Luftmassen. Über die eingebauten Wärmetauscher wird die im Rechenzentrum vorhandene Luft durch die kältere Außenluft gekühlt. Der Unterschied zur direkten Freikühlung ist, dass keine Außenluft direkt ins Rechenzentrum dringt. Bei warmen Außentemperaturen sind jedoch zusätzliche Kältekompressoren notwendig. Ein bekanntes Beispiel für die Implementierung liefert das Rechenzentrum bei Noris Network in Nürnberg, das bei hoher Auslas­tung einen PUE von 1,2 erreicht. Im Vergleich zu herkömmlichen Klimaanlagen gehen die Hersteller dieser Luft/Luft-Wärmeübertrager von über 70 % weniger Energie für Kühlung und Betrieb des Rechenzentrums aus. Laut Erfahrung von Rittal rentieren sich Anlagen mit Kyoto-Kühlung etwa ab einer Kühlleistung von 200 kW.

Kälte versprühen
Wer mit direkter oder indirekter Luftkühlung arbeitet und das System auch ohne Kältekompressor stabil halten möchte, kann hierzu das Prinzip der adiabatischen Kühlung nutzen, um die Luft entsprechend den Anforderungen zu konditionieren. Noch bevor die einströmende Luft auf einen Wärmetauscher trifft, wird sie mit zerstäubtem Wasser versetzt. Die erzeugten feinen Tropfen führen dazu, dass das Wasser in dem warmen Luftstrom sofort verdunstet. Bei diesem Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand findet eine thermodynamische Zustandsänderung statt, durch die das Wasser der umgebenden Luft Wärme entzieht. Bei einem solchen System wird es wichtig, dass RZ-Betreiber den Wasserverbrauch im Blick behalten und eine mögliche Keimbildung verhindern. Entsprechende Anlagen können sich ab etwa 100 kW rentieren, sind aber aufgrund der recht hohen Aufwände meist erst ab 200 kW wirtschaftlich sinnvoll.
Keine Sorgen um den Wasserverbrauch müssen sich Unternehmen machen, die ihre Anlage mit Meerwasser kühlen. Mit dem Lefdal Mine Datacenter – eines der effizientesten, umweltfreundlichsten und sichersten Rechenzentren in Europa – bietet Rittal gemeinsam mit Partnern einen einzigartigen Standort. Das ausschließlich über regenerative Energien betriebene Rechenzentrum an der norwegischen Westküste bietet aktuell Stellfläche für 300 Container mit 45 MW Kühlleistung.
Das modulare Gesamtkonzept sieht vor, Kapazitäten für bis zu 1500 Container mit einer Kühlleistung bis 200 MW zu entwickeln. Das kalte Fjordwasser bietet eine ausgezeichnete Basis für eine wasserbasierte IT-Kühlung. Dazu kommen die traditionell günstigen Strompreise, da Norwegen über 95 % seines Stromes aus regenerativen Quellen bezieht. Bei Kühlung mit vergleichsweise aggressivem Salzwasser ist allerdings eine durchgängige Titanbeschichtung aller Leitungen des Kühlkreislaufes erforderlich.

Auf die „softe“ Art
Über eine intelligente Laststeuerung ist ebenfalls eine Optimierung der Energiekosten für das Rechenzentrum möglich. Beispielsweise lassen sich Kühlsysteme entsprechend der anfallenden Lasten betreiben und werden nachts in ihrer Leis­tung minimiert. Eine weitere Möglichkeit ist es, die anfallenden IT-Lasten in Rechenzentren an Standorte zu verlagern, an denen gerade günstige Klimabedingungen herrschen. Relevante Parameter hierzu können ein gerade preisgünstiger Strom an der Küste sein, weil Windkraftanlagen hohe Kapazitäten liefern oder man nutzt regionale Unterschiede der Außentemperaturen aus. Langfristig wäre es sogar denkbar, IT-Leistungen wie an der Börse zu handeln, um so die jeweils günstigsten Kapazitäten sinnvoll vermarkten zu können.

Umwelt schützen
Bei all den Maßnahmen für mehr Energieeffizienz sollten Unternehmen auch mögliche Auswirkungen auf die Umwelt beachten. Bei dem Einsatz von DX-Klimasystemen deutet sich ein Wandel bei Verwendung der bisher genutzten Kältemittel an, da diese den Treibhauseffekt verstärken können. Künftige Systeme könnten daher mit Methan oder CO2 arbeiten. Wer Meerwasser zur Kühlung verwendet, muss sich über mögliche Auswirkungen auf die Wassertemperatur normalerweise keine Sorgen machen, da die zurückgeführten Wärmemengen zu gering sind. Ein Effekt der Erwärmung tritt eher bei Flusswasser auf, wie man es in der Nähe von Atomkraftwerken beobachten kann. Die Kühlung über Geothermie ist ebenfalls nur begrenzt einsetzbar, da hier Vorgaben zur Temperatur des in die Erde zurückgeleiteten Wassers einzuhalten sind.
In Zukunft werden sich Kühlkonzepte verstärkt damit beschäftigten, wie sich die von der IT erzeugte Wärme für die Gebäudetechnik nutzen lässt. Das Niveau der erreichten Wärme ist oftmals jedoch so niedrig, dass sich damit alleine keine Gebäude erwärmen lassen. Es empfiehlt sich, ein Gesamtkonzept zu erstellen, das je nach Standort ganzjährig funktioniert und verschiedene Technologien kombiniert. Das Fazit der IT-Experten von Rittal fällt jedenfalls eindeutig aus: Wer sich nur ausreichend mit alternativen Konzepten beschäftigt und eine Vorstellung davon hat, wie sich das eigene Geschäftsmodell und damit die Nutzung der IT-Systeme in den kommenden Jahren entwickelt, der findet in der Regel auch ein günstiges, umweltfreundliches und zukunftssicheres Konzept für die IT-Klimatisierung.

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

Bilder: Rittal

www.rittal.de

 


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