Außenluft als Kühlmedium



  • Energieeffizienzsteigerung ist derzeit eine der größten Anstrengungen, mit der wir uns im Rechenzentrumsbau beschäftigen. Ziel ist es, möglichst wenige kWh zu verbrauchen, um damit die Kosten zu senken.
    Eine der aktuellsten Fragen beschäftigt sich damit, ob man nicht direkt die Außenluft für die Kühlung der IT-Technik verwenden kann. Immerhin ist es selbstverständlich, dass unsere Laptops und PC´s so ziemlich bei allen Witterungsbedingungen funktionieren müssen. Warum geht es nicht auch in Rechenzentren?
    Zunächst einmal handelt es sich hierbei um keine neue Idee, da Außenluftkühlung in der Telekommunikation schon viele Jahre angewendet wurde oder wird. Die Klimabranche hatte hierfür spezielle Geräte entwickelt, die während einer großen Periode im Jahr Außenluft zur direkten Kühlung verwendete. Dieses war aber nur möglich, weil die Temperatur- (15°C bis 30 °C) und Feuchtegrenzen (25 % bis 75 % rel. Feuchte) sehr weit gesteckt waren.
    Rechenzentren wurden lange Zeit (teilweise bis heute) mit engen Grenzen (22 °C +/- 2°C und 45 % +/- 5 % Feuchte) gefahren, womit ein Umluftbetrieb mit minimalsten Außenluftanteilen die effektivste Lösung war.
    Mittlerweile lässt das IT-Equipment aber auch weitere Grenzen (18/27 °C, ca. 30/60 % rel. Feuchte laut ASHRAE 2008) zu. Wer mutig ist, der nutzt diese Entwicklung und kann in Deutschland und in kälteren Regionen mit dem richtigen Konzept mehr als 90 % im Jahr auf Kompressionskühlung verzichten.
    Oft wird als Gegenargument aufgeführt, dass im Falle des Klimageräteausfalles die Pufferzeit bis zum Temperaturkollaps viel schneller kritisch wird. Die Luft ist schon immer ein miserabler Wärmeträger gewesen. Der Ausfall der Klimatisierung eines High Density Rechenzentrums, das mit 23 °C Zulufttemperatur (vor den Servern) betrieben wird, bringt nur wenige Minuten mehr Reaktionszeit gegenüber einem mit 27 °C betriebenen RZ. Dieses rechtfertigt in der Regel nicht die extrem höheren Energiekosten.
    Trotzdem gibt es auch Argumente die gegen die Lösung sprechen:
    Zum einen kann durch die Außenluft eine Luftverschmutzung in das Rechenzentrum gebracht werden, die negative Auswirkungen auf Systeme hat. Es gibt Systeme die empfindlicher als unsere Laptops sind und es gibt Umgebungen die einen hohen Verschmutzungsgrad der Luft aufweisen.
    Viel schlimmer ist es aber, wenn Rauch (z.B. durch einen Großbrand oder durch einen Anschlag) in das RZ gelangt. Dies führt zu Störmeldungen und kann gar die Löschung auslösen. Ob dieses Risiko konform mit einem hochverfügbaren Rechenzentrum geht, ist sehr fraglich.
    Zum anderen können Sicherheitsansprüche den Aufbau eines Rechenzentrums mit mehreren Schutzleveln verlangen. Ziel ist es, mit gestaffelten Sicherheitsstufen einen höchstmöglichen Schutz vor Schäden zu gewähren. Eine Nutzung der Außenluft zu Kühlzwecken bedeutet aber möglichst kurze Wege, um wirtschaftlich zu bleiben.
    Im Fazit ist direkte, freie Kühlung eine interessante Alternative zu klassischen Kühlkonzepten. In jedem Einzelfall ist aber abzuklären, ob das eingesetzte IT-Equipment dafür geeignet ist (mit Hersteller abstimmen), ob definierte Schutzziele nach wie vor erreicht werden und die wirtschaftlichen Vorteile (indirekte freie Kühlung schafft bis 80 % freie Kühlung) und Sicherheitskriterien im Einklang bleiben.



  • 1. freie Kühlung ist m.E. nur bei IT-Geräten mit geringer Leistung und unkonzentrierter Aufstellung möglich.
    2. Bei Einsatz von Server-Racks mit Anschlußwerten > 4 KW kann die Wärme nicht durch von außen zugeführte Luft abgeführt werden.
    3. wie schon angeführt, kann Rauch zu schweren Folgeschädenführen, bzw. wäre ein Weiterbetrieb auf Grund des Ansprechens der Rauchmeldeanlage nicht möglich.
    4. andere Luftverunreinigungen, die vonStraßenverkehr, Chemie- oder Galvanikbetriebenherrühren, könnenzu sporadischen Fehlern an der Elektronik führen und die IT-Geräte langfristig zerstören.
    5. die Luftein- und auslässe müssen für Direktkühlung recht groß gewählt werden, um die Wärmemenge abtransportieren zu können. Das hat zur Folge, das es in dem Raum zu hohen Luftgeschwindigkeiten kommt (Arbeitsschutzgesetz, Arbeitsstättenrichtlinie). Es müßten Filter, incl. Überwachung eingebaut werden. Bei Einsatz einer Löschanlage müssen dicht schließende Klappen zusätzlich vorhanden srein und weiterhin Sicherheits-, Alarm- und Überwachungseinrichtungen gegen Durchstieg einzuplanen sein mit Anschluß an die Zutritts- und Einbruchmeldeanlage.
    6. Aus meiner Sicht kann der Einsatz einer Direktkühlung daher nur in Betracht kommen, wenn der Betreiber nur Unternehmensunkritische Anwendungen auf den IT-Geräten nutzt und meint, auch einen längeren Systemausfall verkraften zu können.
    7. ich plädiere daher zu indirekter Kühlung über Wärmetauscher mit Verdunstungskühlung und z.B.Fan-Coils im RZ-Raum.
    8. Bei Hochsicherheits-Rechenzentren kann außerdem die konsequente Trennung von IT-Personal und Wartungspersonal für RZ-Technik beibehalten werden.



  • Vielen Dank für den ausführlichen Kommentar. Was mir unklar ist, und womit ich nicht ganz konform bin, sind die Punkte 1 und 2. Die Leistungsfähigkeit der direkten freien Kühlung (Kühlung mit Außenluft) richtet sich nach dem Luftvolumen und der Temperaturdifferenz. Als Faustformel gilt das ich mit 300 m3/h Luft und einer Temperaturdifferenz zw. vor und nach dem Rack von 10 K (°C) 1kW Wärmelast wegbekomme. Das ist genau das selbe wie bei allen anderen Systemen. Solange also dieses Verhältnis stimmt kann ich auch mehr als 4 kW/je Rack wegbekommen. Wenn es nicht mehr stimmt, weil es drausse zu warm ist, hilft eine Kältemaschine. Bei zu höher Temperatur gibt es einen Umluftbetrieb (wie klassisch)

    Pkt. 3 4
    Die Kühlung mit Außenluft ist natürlich nicht das einzige Kühlsystem. Wenn es zu warm wird oder Rauch in der Außenluft gemeldet wird übernehmen Kältemaschinen die Kühlung und es wird ein Umluftbetrieb gefahren. Aber sicherlich besteht die Gefahr das ein Brandfrühesterkennungssystem Alarm meldet.
    Die mögliche Luftverunreinigung wird meiner Meinung nach vieler Orts überbewertet. Fast jeder Laptop und Arbeitsplatz PC funktioniert mit direkter Außenluftklimatisierung. Aber hier besteht richtiger Weise immer die Gefahr, das plötzliche Verunreinigungen entstehen können.

    Pkt. 5
    Die Öffnungen nach außen sind wie beschrieben größer und es sind entsprechende Schutzmaßnahmen zu treffen. Im Raum ist das nicht der Fall (siehe Antwort zu Pkt 1+2) wenn mit der selben Temperaturdifferenz wie bei indirekten Sysemen gefahren sind.
    Gaslöschung ist sicherlich eine größeres Problem (wie beschrieben).

    Pkt. 8
    Direkte Außenluftkühlung braucht keinen unmittelbaren Zugang zum RZ. Auch hier kann mit Klimaspangen (bzw. vorgelagerter Klimatisierng) gearbeitet werden.



  • Die von Ihnen angegebene Rechnung für die abzuführende Wärme stimmt im Prinzip. Werden jedoch Racks mit Anschlusswerten von >20 KW , wie heute schon üblich, installiert, ist eine Wärmeabfuhr ohne zu Hilfenahme von Wasser (Wärmetauscher im Rack, z.B. Rittal) nicht möglich, ohne:
    • einerseits den Raum unzulässig aufzuheizen
    • die Grenztemperaturen der elektronischen Bauelemente zu überschreiten und
    • Lüfter mit sehr hohem Luftdurchsatz einzusetzen (Geräusch).
    Da heute die RZ-Räume auch nicht mehr als Reinräume konzipiert werden, nimmt die Verschmutzung der installierten IT-Geräte stark zu (eine Reinigung ist normalerweise nicht vorgesehen und aus betrieblichen Gründen nicht möglich) und damit die mögliche Wärmeabfuhr ab, was wiederum zu verfrühten Systemausfällen führen kann.
    Wie schon angesprochen, sind grundsätzlich die einschlägigen Normen und Vorschriften zu beachten. Wir hatten uns einmal die Mühe gemacht und diese für ein Hochsicherheits-Rechenzentrum zusammengestellt. Dabei kamen wir auf ca. 350, die natürlich nicht alle und jedes Mal berücksichtigt werden müssen.
    Laptops und Arbeitsplatz PC`s mit IT-Geräten für den Einsatz in RZ-Räumen gleichzusetzen ist schon vermessen. Die Anforderungen der IT-Hersteller sind zwar grundsätzlich etwas flexibler geworden, dennoch setzt die Physik natürliche Grenzen.
    So werden z.B. in den Racks nicht nur wegen der Unfallgefahr durch elektrischen Schlag gekapselte Geräte eingebaut. Da diese sich im Betrieb auch noch gegenseitig beeinflussen, kann man von einer Temperaturdifferenz von > 40 Grad zwischen Lufteinlass und Luftauslass rechnen. Durch diese ständige vorhandene hohe Temperatur werden die elektronischen Bauteile unzulässig gestresst und die Ausfallquote steigt.
    Die Kälteerzeugung in Verbindung mit Aussenluft, Brunnenwasser, Erdspeicher und ähnlichem, aber auch Kältekompressoren kann jedoch zu einer grossen Energieeinsparung führen.



  • Kann man denn auch Anlagen, die nicht explizit für (indirekte) freie Kühlung gebaut wurden, ohne grossen Aufwand damit nachrüsten?



  • Nein, in der Regel nicht. Es sind unterschiedliche Konzepte, die dahinter stehen.



  • Sowohl indirekte auch auch direkte freie Kühlung können m.E. nach annähernd gleiche Wärmelasten abtransportieren. Die benötigten Luftmengen sind in der Regel identisch. Dass bei Hochleistungsservern ergänzende Massnahmen (z.B. Rackkühlung) notwendig sind ist unbestritten.
    In der Bewertung der Vor- nd Nachteile der direkten und indirekten freien Kühlung bestimmen sicherheitstechnische Anforderungen sicherlich die Diskussion. Energetische Faktoren wie Niveaus der Temperaturen, Feuchteregelung usw. sind ehr stark abhängig vom gewählten System-Lösungsansatz. Kaltwasser-Systeme mit Entfeuchtungsaufgaben (6/12°C) sind anders zu betrachten als solche ohne mit 10/17°C, gleiches gilt für Direktverdampfer mit ULK's.
    In Abhängigkeit der Aufgabenstellung und des finanziellen und baulichen Rahmens können alle diese Systeme Vor- und Nachteile zeigen, deren Auswirkungen abzuwägen sind.
    Pauschale Befürwortungen oder Ablehnungen einzelner Lösungsansätze sind hier nicht wirklich hilfreich.



  • Eine kleine Anmerkung zum Rechenzentrum als Reinraum:
    Die Anforderungen scheinen eher hin zum Rechenzentrum in Reinraumausführung zu gehen.
    Während mir früher weder ein deutsches noch englischsprachiges Regelwerk bekannt war, das eine Reinraum-ähnliche Ausführung für Rechenzentren forderte oder auch nur empfahl, ist in den letzten Jahren in mehreren neueren amerikanischen Regelwerken der Verweis auf Reinraumnormen enthalten. Anfangs nur der niedrigsten FS 209-E Kategorie 100.000 (vergleichbar ISO Klasse 8), z.B. mit Anforderungen an die Luftqualität, Umkleidevorraum ("graue Zone"), Vermeidung horizontaler Ablagerungs-Flächen, inzwischen auch der niedrigsten ISO Klasse 9 (bei der die Luftqualität der üblichen Raumluft entspricht und eigentlich nur die Umfassungsflächen keine Partikel abgeben dürfen, sowie kein Schmutz hereingetragen werden darf. Anwendung z.B. in Galvanikbetrieben, Farbsprühanlagen und Pilzfarmen.) Hier scheinen angesichts der zunehmenden Verarbeitungs- und Übertragungsgeschwindigkeiten mit den dazu erforderlichen geringeren Rasterabständen von Leiterbahnen, ICs, Bauelementen und Steckkontakten bereits Probleme aufgetreten oder zunehmend mit Staub- und Schmutzablagerungen und anderen Kontaminationen zu erwarten zu sein. Wobei allerdings amerikanische Normen für elektrische und elektronische Einrichtungen immer schon von einer größeren Spannbreite der Umweltbedingungen ausgingen (schließlich gelten sie von Alaska bis Hawaii, in Wüsten und Städten, im Urwald und am Meer).
    * zuletzt geändert von: SQC am 22.10.2010 um 22:07 Uhr *


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