Kühlung von Rechenzentren Flüssigkeitskühlung sichert hohe Verfügbarkeit und Kosteneffizienz

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Der wachsende Datenverkehr erfordert immer mehr Leistung auf gleicher Fläche. Gefragt sind sichere, effiziente und gleichzeitig platzsparende Systeme – auch bei der Kühlung. Um thermisch bedingte Störungen, die Explosion der Energiekosten oder gar Ausfälle der Komponenten zu vermeiden, werden zunehmend Flüssigkeitskühlungen in Rechenzentren verbaut.

Bekanntermaßen verdoppelt sich das Datenvolumen alle zwei Jahre (Verbraucherzentrale). Der weltweite Umsatz des Datacenter-Markts wird bis 2030 auf 517,17 Milliarden Dollar ansteigen – im Jahr 2020 betrug er noch 187,35 Milliarden Dollar (Allied Market Research). Deutschland ist weltweit hinter den USA mit 484 Datacenter die Nummer 2 – noch vor China (Statista).

Je mehr Datenverkehr und Vernetzung es gibt, desto entscheidender ist eine effiziente Kühlung, die vor Ausfällen schützt, sowie Temperatur und Luftfeuchtigkeit präzise kontrolliert. Denn Hitze kann Ausfälle verursachen, sie entscheidet auch über die Langlebigkeit von IT-Equipment.

Gleichzeitig stehen Rechenzentren unter zunehmendem Druck, ihre Energie-Effizienz zu verbessern und nachhaltiger zu arbeiten. Hinzu kommen die stark steigenden Energiepreise, die erst recht nahelegen den Stromverbrauch zu minimieren.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ersetzen Flüssigkühlsysteme bereits in vielen Installationen auf der ganzen Welt herkömmliche White-Space-Kühltechnologien. „Mit Hilfe von Flüssigkeitskühlung können Rechenzentren ihre Kapazität erhöhen, Ausfälle vermeiden und effizient Raum und Energie nutzen“, sagt Mustafa Karabuz, Vice President und General Manager bei Nvent Schroff, Anbieter von Lösungen für kritische Kommunikations- und Elektroniksysteme. „Darüber hinaus werden viele Prozessoren und Komponenten der nächsten Servergeneration speziell für die Flüssigkeitskühlung entwickelt. Aus diesem Grund werden neue Rechenzentren vermehrt mit einer Flüssigkeitskühlungsinfrastruktur gebaut.“

Ein breites Spektrum an Flüssigkeitskühlungen

Fortschrittliche Lösungen für das Wärme-Management bieten die notwendige Vielfalt, Flexibilität und Modularität, um anwendungsspezifischen Bedürfnissen gerecht zu werden: Moderne Kühlsysteme müssen nicht mehr an das Hauptlüftungssystem angeschlossen werden, sie funktionieren zuverlässiger und sicherer.

Mit den Varianten Liquid-to-Liquid und Liquid-to-Air werden Kabel und Racks direkt dort gekühlt, wo die Wärme entsteht. Es gibt vier Hauptkühlungsmethoden auf dem Markt:

• Luftkühlung. Die Wärme wird direkt an die Umgebungsluft abgegeben; eine klassische Kühltechnik, die in Rechenzentren weit verbreitet ist.

• Indirekte Wasserkühlung. Die Wärme wird über einen Luft/Wasser-Wärmetauscher, der sich innerhalb der Reihe oder innerhalb eines einzelnen Schranks befindet, indirekt in Wasser übertragen.

• Direkte Wasserkühlung. Die Wärme wird direkt auf ein am Gerät angebrachtes Wärme-Übertragungselement, etwa eine Kühlplatte, übertragen.

• Hybride Wasserkühlung (direkt und indirekt). Die Energie-intensivsten Komponenten erhalten eine selektive Flüssigkeitskühlung durch direkten Kontakt, während der Rest des Schranks durch ein sekundäres Luft/Wasser-Gerät gekühlt wird, zum Beispiel mit einer kühlenden Tür.

Flüssigkeitskühlung im Detail

Doch welche Art der Flüssigkeitskühlung ist die richtige? „Je nach Bedarf und Möglichkeiten muss abgewogen werden, welche die passendste Lösung für das Unternehmen ist“, erläutert Karabuz. „Die direkte Liquid-to-Liquid-Variante ist am effektivsten. Dabei wird die Wärme von Serverkomponenten direkt auf eine Flüssigkeit übertragen und durch zusätzliche Flüssigkeitsleitungen in einen Wärmetauscher abgeführt.“

Diese Variante erfordert Flüssigkeitsleitungen, Ventile und Anschlüsse, die an verschiedenen Stellen im Rack und im gesamten Rechenzentrum installiert werden müssen. Dementsprechend sind die anfänglichen Investitionen höher. Karabuz: „Langfristig zahlen sich Liquid-to-Liquid-Lösungen jedoch durch verbesserte Leistung, Kapazität, Zukunftssicherheit und Energie-Effizienz aus.“

Die Umrüstung bestehender Anlagen auf eine vollständige Flüssigkeit-zu-Flüssigkeitkühlung stellt die Betreiber von Rechenzentren allerdings vor Herausforderungen: Oft ist es nicht möglich beziehungsweise mit enormen Kosten verbunden, die Flüssigkeitsinfrastruktur in bestehende Gebäude zu integrieren.

Liquid-to-Air

Doch es gibt Alternativen: „Einige Rechenzentren sind an Flüssigkeitskühlung interessiert, verfügen aber nur über eine Luftkühlungsinfrastruktur. Für sie ist die Liquid-to-Air-Kühlung eine gute Alternative“, rät Karabuz.

Wie bei der Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Kühlung werden bei der Flüssigkeit-zu-Luft-Kühlung Prozessoren und Serverkomponenten entweder durch direkten Kontakt mit Flüssigkeit (Cold Plate) oder durch Eintauchen (Immersion) in die Flüssigkeit gekühlt. Die Flüssigkeit wird innerhalb des Servergehäuses und Racks zirkuliert und überträgt die Wärme über einen intelligenten Wärmetauscher. Je nach Art des Wärmetauschers kann entweder die Luftkühlungsinfrastruktur die Wärme aus dem Raum ableiten oder eine so genannte Coolant Distribution Unit (CDU) übergibt die Wärme an die Flüssigkeitsinfrastruktur des Gebäudes.

Unternehmen wie Nvent bieten mehrere Optionen für intelligente Wärmetauscher mit integrierten Pumpeneinheiten und Sensorik für direkte Flüssigkeits-Kühlsysteme an. „Cloud-Anbieter mit hohem Bedarf an Rechenzentren erweitern das Service-Angebot für ihre Kunden; KI-Anwendungen erfordern fortschrittlichere Technologien.

Rechenzentren müssen daher immer öfter Flüssigkeitskühlung einsetzen. Hybride Flüssigkeit-zu-Luft-Kühlsysteme bieten dann den optimalen Schutz für kritische Infrastrukturen. Denn sie haben minimale Auswirkungen auf die bestehende Rauminfrastruktur und erfordern nur geringe Anfangsinvestitionen.“

Die klassische Luftkühlung hat ausgedient

In Zukunft werden Flüssigkeitskühlungen die Luftkühlungen ablösen, davon sind die Experten bei Nvent überzeugt. Denn bei leistungsstärkeren Prozessoren und Bauteilen stößt die Luftkühlung an physikalische Grenzen. Dazu kommt, dass sich auch bei Servern mit weniger Rechnerleistung durch den Einsatz von Flüssigkeitskühlung enorme Effizienzgewinne und Energie-Einsparungen erzielen lassen.

Für bedarfsgerechte Lösungen unter oftmals schwierigen Umgebungsbedingungen bedarf es eines erfahrenen Partners in der Planung und Installation. „Es geht darum, die geeignetste und Energie-effizienteste Lösung zu finden“, so Karabuz. „Eine umfangeiche, fundierte Beratung unterstützt bei der Spezifikation des Kühlungskonzepts entsprechend der individuellen Serverkonfigurationen, spezifischen Umgebungsparametern und Bewertung der Betriebszeiten.“

Neue Kühlungstechniken machen den Weg frei für eine effizientere Nutzung von Raum und Ressourcen und stellen eine missionskritische Verfügbarkeit sicher. Der Übergang zu Liquid-Cooling-Lösungen kann individuell gestaltet und an die Startbedingungen des Unternehmens angepasst werden. Dementsprechend liegt Liquid Cooling im Trend: Während der Liquid-Cooling-Markt 2020 ein von rund 2,75 Milliarden Dollar erreichte, wird er bis 2030 voraussichtlich auf rund 13 Milliarden Dollar wachsen (Allied Market Research).

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