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Auswahlkriterien für die Serverkühlung Effiziente Kühlsysteme sorgen für stabile und performante Prozesse

| Autor / Redakteur: Lisa Völker / Ulrike Ostler

Damit Rechenzentren und Server-Räume funktionieren, müssen sie rund um die Uhr gekühlt werden. Als Experte auf dem Gebiet erläutert Ingo Gdanitz, Business Development Manager bei der Technotrans SE, die Herausforderungen effizienter Serverkühlung.

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Serverkorridor in einem Rechenzentrum. Die Server, die Switches, die Storage-Devices, die USV ... alles muss gekühlt werden.
Serverkorridor in einem Rechenzentrum. Die Server, die Switches, die Storage-Devices, die USV ... alles muss gekühlt werden.
(Bild: Oleksandr Delyk - Fotolia/ Technotrans SE)

„Jeder Server braucht Kühlung. Um den hohen Bedürfnissen an Rechenzentrumskapazitäten gerecht zu werden, wächst demnach auch der Kühl- und Energiebedarf stetig an“, erläutert Gdanitz. Sein Arbeitgeber, die Sassenberger Firma Technotrans, ist Spezialist für branchenübergreifende Kühl- und Temperierlösungen und rechnet auch nach der Corona-Krise mit einer erhöhten Nachfrage.

Denn die COVID-19-Pandemie und die damit verbundenen Kontaktbeschränkungen haben zu einer deutlichen Zunahme der privaten und geschäftlichen Nutzung von digitalen Anwendungen geführt und damit zu einer starken Auslastung des gesamten Datennetzwerks und des Kühlbedarfs. Doch Cloud-Computing, Big Data und KI befeuern den Bedarf nach Rechenleistung auch zukünftig. Die Auswahl eines effizienten Kühlsystems, das auf die individuellen Kundenanforderungen zugeschnitten ist, sei demnach eine wichtige Maßnahme, so Gdanitz.

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Zumal es Serverkühler in sämtlichen Größen und Leistungskategorien je nach Wärmelast gibt. Mittelständische Technologie- und Forschungsunternehmen nutzen zwar vergleichsweise kleine Rechenzentren, die allerdings bereits eine Wärmelast von bis zu 100 Kilowatt erzeugen. Bei großen Co-Location-Rechenzentren entstehen Wärmelasten im Megawatt-Bereich.

Darauf kommt es bei der Serverkühlung an

Gdanitz weist in diesem Zusammenhang besonders auf die Energie-Effizienz der Kühltechnik hin: „Fast die Hälfte der Energie, die ein Rechenzentrum insgesamt benötigt, entfällt auf die Kühlung. Dabei können Optimierungsmaßnahmen die Energie-Effizienz der Kühlung signifikant verbessern“.

Doch es zählt auch die Zuverlässigkeit der Technik. Denn für Anwender mit hochsensiblen Daten, die eine 100-prozentige Verfügbarkeit erfordern, wäre ein Ausfall der Kühlung fatal, so dass diesem in jedem Fall vorzubeugen ist.

Außerdem braucht es ein Monitoring, insbesondere im Co-Location. Die Betreiber hier sind verpflichtet, die Rahmenbedingungen im Serverraum, wie zum Beispiel Lufttemperatur oder Feuchtigkeit, zu dokumentieren. Für den Fall, dass ein Rechenzentrum in mehreren Ausbaustufen geplant wird, ist schließlich auch die Erweiterbarkeit essenziell. Das ermöglicht den nachträglichen Ausbau der Kühlleistung.

Die Rahmenbedingungen

„Aus jahrelanger Erfahrung wissen wir heute, dass beim Auslegen der Kühltechnik mehrere Faktoren berücksichtigt und bedarfsgerecht gewichtet werden müssen“, sagt Gdanitz. Hierfür sind einige generell folgende Rahmenbedingungen zu beachten:

  • Wärmelast: Die von Servern abgegebene Wärme ist im wesentlich abhängig von der Rechenleistung. Je größer die Rechenleistung, desto höher ist die daraus entstehende Wärmelast. Diese muss von der Kühltechnik aus dem Rechenzentrum abgeführt werden.
  • Klimatische Bedingungen: Die Außentemperatur an den Server-Standorten entscheidet über die Art der Kühltechnik. Während zum Beispiel kühlere bis gemäßigte Klimazonen aufgrund ihrer niedrigen Lufttemperaturen sehr gut für den Einsatz einer energetisch vorteilhaften Freikühlung geeignet sind, gestaltet sich das in wärmeren Regionen Südeuropas deutlich schwieriger.
  • Investitionsbudget: Ziel der Auslegung von Kühltechnik ist es, Anwendern möglichst wirtschaftliche und kosteneffiziente Lösungen anzubieten.
  • Anwender-Modell: Die Leistungsansprüche wie Verfügbarkeit oder Erweiterbarkeit zählen. Angesichts der zahlreichen unterschiedlichen Modelle ist dieser Faktor besonders wichtig, um die Kühltechnik präzise und bedarfsgerecht auszulegen.

In-Row-Wärmetauscher für den modularen Aufbau

„Für eine klassische Serverkühlung werden häufig Systeme der In-Row-Kühlung eingesetzt“, sagt Gdanitz. In-Row-Wärmetauscher werden mit geringem bauseitigem Aufwand direkt zwischen die einzelnen Server-Racks platziert. Sie nehmen die Abwärme der Server auf, geben sie ans Kühlwasser ab und drücken kühle Luft zurück.

Ein Beispiel dafür ist der In-Row Wärmetauscher für optimierte Kühlung aus der Technotrans- Gruppe. Die einzelnen Lüfter einer Kühleinheit sind modular auf- oder abbaubar und können m laufenden Betrieb ausgetauscht werden.

Zuverlässige Kühlung mit aktiver Kaltwassererzeugung

Für die Kühlung ganzer Räume eignen sich Lösungen mit aktiver Kaltwassererzeugung. Kaltwassersätze, oder auch Chiller genannt, sind Kältemaschinen, die mittels eines Flüssigkeitskreislaufs Serverräume aktiv kühlen. „Wir nutzen die guten thermodynamischen Eigenschaften von wasserbasierten Flüssigkeiten als Wärmeträger, um auch große Wärmemengen wirtschaftlich aus dem Gebäude abführen zu können“, führt Gdanitz zu den Technotrans-Kühlern aus.

Diese Kaltwassererzeuger sind atmosphärisch geschlossene Systeme, die in mehreren modularen Einheiten parallel betrieben werden können. „Das hat den Vorteil, dass einerseits die Kälte-Erzeugung erweiterbar ist und andererseits eine hohe Verfügbarkeit aufgrund der redundanten Struktur gewährleistet wird“, sagt Gdanitz.

Er rät dazu, den gesamten Kühlleistungsbedarf in kleinere Einheiten aufzuteilen. So könne man beispielsweise vier Einheiten mit je 30 Prozent der gesamten Kühlleistung installieren. Sollte eine Einheit ausfallen, sind immer noch 90 Prozent des maximalen Kühlbedarfs verfügbar.

Hohe Energie-Effizienz durch freie Kühlung

Die freie Kühlung bei Kaltwassersätzen ist ein erheblicher Faktor zur Reduzierung der Betriebskosten einer Kälte-Anlage. Sie sind für den Außenbereich der Datacenter gedacht, wo das warme Wasser ankommt und dessen Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Technotrans setzt dazu auf eine indirekte Freikühlung.

„Da wir die Wärmeabfuhr über wasserbasierte Flüssigkeitskühlung praktizieren, ist es möglich, die Freikühlung auch noch nachträglich in das Kühlwassernetz einzubinden“, sagt Gdanitz. Die Freikühlung nutzt die niedrige Außenluft-Temperaturen, um den Zentralkühlkreis zu kühlen. Diese Funktion wird nutzbar bei Außenlufttemperaturen etwas unterhalb der gewünschten Server-Raum Temperatur und übernimmt mit weiter sinkender Außenlufttemperatur immer mehr Anteile der Kompressor-Kälteerzeugung, bis hin zu einer kompletten Abschaltung der Kompressoren.

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Durch die Kombination aus aktiver und freier Kühlung lassen sich enorme Energie-Einsparungen erzielen und die Power Usage Effectiveness (PUE) von Rechenzentren deutlich steigern. Der PUE-Messwert ist der Quotient aus der insgesamt in einem Rechenzentrum verbrauchten Energie und dem Energie-Einsatz zum Betrieb der IT-Infrastruktur. Er dient dazu, den Wirkungsgrad eines einzelnen Rechenzentrums über einen definierten Zeitraum zu messen. „Im Vergleich zur herkömmlichen Kompressor-Kühlung können bis zu 50 Prozent des Energiebedarfs für die Serverkühlung eingespart werden“, sagt Gdanitz.

In Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Außentemperatur und zulässiger Temperatur im Serverbereich gibt es unterschiedliche Möglichkeiten der Kühlung. Im Optimalfall ist die Außentemperatur niedrig genug, um allein über Freikühlung den Serverbereich hinunter zu kühlen. In den wärmeren Perioden kann eine aktive Flüssigkeitskühlung mit Verdichterkälte nachgeschaltet werden, um auch in dieser Zeit eine zuverlässige Kühlung zu ermöglichen.

Nachhaltige Kühlung von Server-Räumen

„Nachhaltigkeit ist für die meisten Anwender ein sehr wichtiger Aspekt. Auch wir möchten zusammen mit unseren Partnern die Technologien der Branche nachhaltig gestalten und legen deshalb einen Entwicklungsschwerpunkt auf die Steigerung von Energie-Effizienz“, sagt Gdanitz. Dabei komme es vor allem auf den Dreiklang der Kühlsysteme an: Konzept, Komponenten und Regelung. Technotrans trage auf der konzeptioneller Ebene, wo immer es klimatisch sinnvoll ist, zu einer höheren Nachhaltigkeit durch den Einsatz von freier Kühlung bei.

Das Unternehmen liefert nicht nur alle notwendigen Komponenten aus einer Hand, sondern übernimmt auch die komplette Projektierung mit Installation und Inbetriebnahme. Für die unterschiedlichen Projektanforderungen steht eine Palette an Serverkühlsystemen in diversen Leistungskategorien und Industriestandards zur Verfügung.

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