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Intelligentes Management von Rechenzentren In vier Schritten zu mehr Energie-Effizienz im Datacenter

Autor / Redakteur: Dirk Doormann / Ulrike Ostler

In vielen Rechenzentren steigt der Energieverbrauch seit Jahren.Dennoch wissen laut einer Umfrage der Experton-Group nur 7 Prozent der deutschen IT-Entscheider, wie hoch der Energiebedarf ihrer eigenen IT-Infrastruktur tatsächlich ist. Dabei lässt sich mit Energie-Management nicht nur die Umwelt schonen, sondern - und das ist bekannt - auch Kosten sparen.

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PUE? Kalt-oder Warmgang? Freie oder indirekte freie Kühlung? Im Prinzip gibt es nur vier Flügel, die ein Rechenzentrum im Bereich Energie-Effizienz landen lassen.
PUE? Kalt-oder Warmgang? Freie oder indirekte freie Kühlung? Im Prinzip gibt es nur vier Flügel, die ein Rechenzentrum im Bereich Energie-Effizienz landen lassen.
(Bild: Frank Peters/Fotolia.com)

Betrachtet man ein Datacenter als Ganzes, lässt sich feststellen, dass nur rund 50 Prozent des Energieverbrauchs auf die Rechner selbst entfallen. Wie eine Studie des Branchenverbands Bitkom herausgefunden hat, verschluckt die Infrastruktur darum herum die anderen 50 Prozent.

Hierbei spielen Faktoren wie die Klimatisierung, Beleuchtung oder Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) die größte Rolle. Soll ein Rechenzentrum also Energie-effizient arbeiten, gilt es, an diesen Stellschrauben anzusetzen. Folgende vier Punkte unterstützen eine erfolgreiche, schrittweise Umsetzung.

1. Den PUE-Wert im Blick behalten

Der erste Schritt zu einem Energie-effizienten Rechenzentrum ist das Erfassen und regelmäßige Monitoring des Energieverbrauchs. Damit überhaupt klar ist, wo sich im Rechenzentrum die Schwachstellen in puncto Stromverbrauch befinden, gilt es zunächst, den Energieverbrauch des Data Centers im Ganzen sowie seiner einzelnen Komponenten im Einzelnen zu berechnen.

Den besten Anhaltspunkt für die Energie-Effizienz liefert der PUE-Wert (PUE = Power Usage Effectivness). Er berechnet sich aus dem Verhältnis der eingesetzten Gesamtenergie im Rechenzentrum zum Energieverbrauch der einzelnen IT-Geräte. Liegt der PUE-Wert beispielsweise bei 3 bedeutet das, dass zwei Drittel der eingesetzten Leistung für die Infrastruktur verbraucht wird und nur ein Drittel der Energie von den Rechnern selbst. Sprich: Das Rechenzentrum arbeitet ineffektiv.

Je mehr sich der Wert der Zahl 1 annähert, umso effizienter arbeitet ein Rechenzentrum. Ab einem PUE-Wert von 1,4 gelten Rechenzentren bereits als besonders Energie-effizient. Die PUE Messung sollte über eine gewisse Zeit (1 Jahr) erfolgen und punktuelle Messungen vermieden werden.

Der PUE-Wert und wie man ihn misst

Als Bewertungskriterium entwickelt wurde der PUE-Wert von The Green Grid – einer Vereinigung von Supercomputer- und Chip-Herstellern. Das Konsortium hat es sich zum Ziel gesetzt, den Energieverbrauch in Rechenzentren zu senken und erarbeitet herstellerunabhängige Standards, Messverfahren und Prozesse zur Reduzierung des Energiebedarfs von Rechenzentren.

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Portfolio von Assmann Electronic für Energie-effiziente Rechenzentren
  • Metering Steckdosenleisten mit Aluminiumprofil, 7-fach, mit integrierten Mess-/Auswertungsmöglichkeiten für TCP/IP-Netzwerke
  • Seitenkühler für Kaltwasser- oder Kältemittelbetrieb (optional mit Stromerzeugung): Seitenkühler, offenes System, CW, 30 mm x 2000 mm x 1000 mm
  • Kalt- oder Warm-Gang-Einhausung: Schiebtüren, Gangdächer, aus Stahlblech und ESG/VSG-Glas, zur Abdichtung der Gänge, zur Befestigung am Rack
  • Lighting Energy Controller: Energieregler, der die Eingangsspannung verringert und somit die Netzspannung der Beleuchtungsanlage optimiert, ermöglicht Energieeinsparungen bis zu 30 Prozent,
  • •ktive Doppelbodenplatten mit Kaltwasser betrieben, für spezielle Anwendungen im Rechenzentrum, besonders für Rechenzentrums-Umbau und Erweiterung geeignet, 600 x 600 mm, 350 mm Plattenstärke (ohne Belag), Oberseite mit beliebigem Belag bestückbar, mit EC-Ventilator, Kühlmedium: Wasser oder Glykol-Gemisch.

Das Monitoring des PUE-Werts sollte regelmäßig und automatisch mit Hilfe einer DCIM-Software (DCIM = Data Center Infrastructure Management) erfolgen. Für ein zuverlässiges Messergebnis ist es zudem wichtig, alle Komponenten mit in die Messung einzubeziehen: sämtliche Racks, Monitore und Rechner. Nur so ist das Ergebnis belastbar.

Praktisch für die Messung sind etwa so genannte Metering-Steckdosenleisten. Sie verfügen über integrierte Mess- und Auswertungsmöglichkeiten für Energie, Strom und Spannung. Die Werte lassen sich über ein LCD-Panel einfach ablesen. Vor allem bei Veränderungen im Rechenzentrum, zum Beispiel durch den Aufbau neuer Rack-Reihen und den Austausch von Komponenten sollte der PUE-Wert im Fokus der Aufmerksamkeit stehen, denn er gibt Auskunft darüber, wie effektiv und energiesparend die durchgeführten Maßnahmen wirklich sind.

2. Warm- und Kalt-Luftströme kontrollieren & intelligent nutzen

Die empfohlene Raumtemperatur innerhalb eines Rechenzentrums liegt zwischen 22 und 25 Grad. Jedes Kilowatt elektrische Leistung, das die Geräte aufnehmen, wird als Wärme wieder freigesetzt. Damit die Betriebstemperatur im Datacenter konstant bleibt, muss diese Wärme wieder aus den einzelnen Geräten beziehungsweise dem gesamten Rechenzentrum geführt werden.

Verwirbelungen sorgen für unerwünschte Effekte.
Verwirbelungen sorgen für unerwünschte Effekte.
(Bild: Assmann Electronics GmbH)

Viele Lösungen zur Klimatisierung eines Rechenzentrums führen zwar zum gewünschten Kühlungseffekt innerhalb der einzelnen Server-Schränke, führen die dabei entstehenden Luftströme aber unkontrolliert aus den Racks ab und schwächen insgesamt gesehen den Kühlungseffekt dabei wieder deutlich ab, denn: Treffen kalte und warme Luft aufeinander, entstehen oberhalb der Server-Schränke Verwirbelungen der Luft.

Diese führen aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten zu unerwünschten Effekten wie etwa ein höheres Betriebsgeräusch im Server-Raum oder eine Rezirkulation von Warmluft. Wird zum Beispiel durch Verwirbelung warme Abluft wieder in den bereits gekühlten Gang zwischen den Racks gezogen, verringert dies die gesamte Kühlungsleistung.

Einhausungen - Kalt- oder Warmgang?

Das Ziel ist es also, die vorhandenen Luftströme intelligent zu nutzen und durch gezielte Einhausungen und abschirmende Umbauungen der betreffenden Komponenten die Verwirbelungen zu vermeiden und somit Energie zu sparen. Dafür gibt es zwei Konzepte: die Kaltgang-Einhausung und die Warmgang-Einhausung. Grundlage beider Konzepte ist die strikte Trennung von warmer und kalter Luft.

Bei der Kaltgang-Einhausung sind die Server-Schränke mit einander zugewandten Vorderseiten gegenüberliegend aufgestellt. Der Gang zwischen den Schränken wird mit Komponenten wie etwa modularen Einhausungssysteme oder speziellen Türen abgedichtet. Je dichter die Einhausung ist, desto effizienter erfolgt die Klimatisierung. Nicht belegte Höheneinheiten (HE) im Server-Schrank sollten ebenfalls mit Dichtungsblechen oder Blindblenden verschlossen werden.

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  • Metering Steckdosenleisten mit Aluminiumprofil, 7-fach, mit integrierten Mess-/Auswertungsmöglichkeiten für TCP/IP-Netzwerke
  • Seitenkühler für Kaltwasser- oder Kältemittelbetrieb (optional mit Stromerzeugung): Seitenkühler, offenes System, CW, 30 mm x 2000 mm x 1000 mm
  • Kalt- oder Warm-Gang-Einhausung: Schiebtüren, Gangdächer, aus Stahlblech und ESG/VSG-Glas, zur Abdichtung der Gänge, zur Befestigung am Rack
  • Lighting Energy Controller: Energieregler, der die Eingangsspannung verringert und somit die Netzspannung der Beleuchtungsanlage optimiert, ermöglicht Energieeinsparungen bis zu 30 Prozent,
  • •ktive Doppelbodenplatten mit Kaltwasser betrieben, für spezielle Anwendungen im Rechenzentrum, besonders für Rechenzentrums-Umbau und Erweiterung geeignet, 600 x 600 mm, 350 mm Plattenstärke (ohne Belag), Oberseite mit beliebigem Belag bestückbar, mit EC-Ventilator, Kühlmedium: Wasser oder Glykol-Gemisch.

Die Kühl-Luft strömt bei diesem Konzept vom Server-Raum durch eine Doppelbodenplatte von unten in den Kaltgang und von dort über die Vorderseite oder – bei Server-Racks mit hoher Packungsdichte – über spezielle Seitenkühler seitlich durch den Server-Schrank –oder aktiven Doppelbodenplatten mit Wasserkühlung direkt vor die Server-Racks. Auf der Rückseite des Racks wird die angewärmte Luft dann wieder heraus- und zurück in den Serverraum geführt, dort vom Klimagerät abermals abgekühlt, und der Kreislauf beginnt erneut.

Kaltgang ist etwas für Große

Der Gang ist also kalt, der Raum ist warm. Diese Methode eignet sich insbesondere für große Datacenter, da bei dieser Methode gezielt nur die kleinen Kaltgänge gekühlt werden müssen und nicht der gesamte Raum. Die strikte Trennung von kalter und warmer Luft ermöglicht es, im Rechenzentrum mit deutlich höheren Temperaturen zu arbeiten. Da keine Gefahr besteht, dass sich die Kaltluft mit der warmen Luft vermischt, genügt es, wenn die Klima-Einheit auf niedriger Stufe arbeitet.

Illustration eines Server-Kaltgangs im Strato- Rechenzentrum, Berlin
Illustration eines Server-Kaltgangs im Strato- Rechenzentrum, Berlin
(Bild: Strato)

Durch die Weiterentwicklung der Seitenkühler mit einer Stromerzeugung (ORC) können bis zu 30 Kilowatt elektrischen Strom erzeugt werden, wodurch sich die Betriebskosten des Kühlsystems signifikant reduzieren lassen. Weiterhin kann so auch eine teilweise Unabhängigkeit vom Energiemarkt angestrebt werden.

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Das Fazit des Autors

Die Betriebskosten eines Rechenzentrums machen einen Großteil der Gesamtkosten des Datacenter aus. Mithilfe moderner Messtechnik und intelligenter Beleuchtungs- und Kühlsysteme lässt sich der Energiebedarf eines Rechenzentrums reduzieren und damit erhebliche Kosteneinsparungen erzielen.

So hilft eine Optimierung der Energie-Effizienz im Rechenzentrum beispielsweise dabei, infrastrukturbedingte Grenzen beim Stromverbrauch nicht zu erreichen und teure Neu-Investitionen zu vermeiden. Und nicht zuletzt stellen eine Reduktion des Energiebedarfs im Rechenzentrum und die damit verbundenen positiven Auswirkungen auf die Umwelt per se eine sinnvolle Investition in die Zukunft dar.

Bei der Warmgang-Einhausung wird im Gegensatz zu einzelnen Kühlgängen der gesamte Server-Raum gekühlt. Die warme Abluft der Server-Schränke strömt dann über abgeschottete Gänge an der Rückseite der Racks kontrolliert zurück zur Klimaeinheit. Diese Methode empfiehlt sich allerdings nur für kleine Räume.

3. Freie Kühlung verwenden

Die so genannte freie Kühlung nutzt die Außenluft, um das Rechenzentrum zu kühlen. Das Konzept eignet sich für Bedingungen mit einer Außen-Lufttemperatur von maximal 15 Grad und kann automatisch erfolgen, sobald die Außentemperatur unter diesen Wert fällt. Dann wird das Kühlwasser durch ein Freikühlungssystem geführt und von der Umgebungsluft abgekühlt.

Aus dem Bitkom-Leitfaden: "Energie-Effizienz im Rechenzentrum, Band 2".
Aus dem Bitkom-Leitfaden: "Energie-Effizienz im Rechenzentrum, Band 2".
(Bild: Bitkom)

Bei der Freien Kühlung unterscheidet man zwischen der direkten und der indirekten Kühlung. Bei der direkten freien Kühlung wird die Außenluft direkt in das Rechenzentrum geleitet, wohingegen bei der indirekten freien Kühlung die Außenluft genutzt wird, um einem Kühlmedium Wärme zu entziehen.

4. Intelligente Beleuchtungssysteme nutzen

In den meisten Rechenzentren erfolgt die Beleuchtung noch über herkömmliche Leuchtstoffröhren mit hohem Stromverbrauch. Deutlich energiesparender ist der Einsatz von LEDs. Die Umrüstung auf die moderneren Leuchtmittel ist jedoch mitunter kostenintensiv.

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Das Fazit des Autors

Die Betriebskosten eines Rechenzentrums machen einen Großteil der Gesamtkosten des Datacenter aus. Mithilfe moderner Messtechnik und intelligenter Beleuchtungs- und Kühlsysteme lässt sich der Energiebedarf eines Rechenzentrums reduzieren und damit erhebliche Kosteneinsparungen erzielen.

So hilft eine Optimierung der Energie-Effizienz im Rechenzentrum beispielsweise dabei, infrastrukturbedingte Grenzen beim Stromverbrauch nicht zu erreichen und teure Neu-Investitionen zu vermeiden. Und nicht zuletzt stellen eine Reduktion des Energiebedarfs im Rechenzentrum und die damit verbundenen positiven Auswirkungen auf die Umwelt per se eine sinnvolle Investition in die Zukunft dar.

Wer diese Kosten scheut, kann mithilfe praktischer Energieregler auch bei herkömmlicher Beleuchtung Strom sparen. Der Trick: Herkömmliche Leuchtstoffröhren laufen zwar in der Praxis mit 230 Volt, funktionieren aber auch bei einer Spannung von nur 210 Volt.

Moderne ein- oder mehrphasige Energieregler verringern die Eingangsspannung und optimieren damit die Netzspannung für Beleuchtungsanlagen. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Spannung im Beleuchtungsstromkreis um bis zu 43 Volt senken, ohne spürbare Veränderungen in der Lichtleistung. Werden Energieregler eingesetzt, sind Energie-Einsparungen von bis zu 30 Prozent möglich, ohne dass die bestehende Beleuchtung erneuert werden muss.

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Portfolio von Assmann Electronic für Energie-effiziente Rechenzentren
  • Metering Steckdosenleisten mit Aluminiumprofil, 7-fach, mit integrierten Mess-/Auswertungsmöglichkeiten für TCP/IP-Netzwerke
  • Seitenkühler für Kaltwasser- oder Kältemittelbetrieb (optional mit Stromerzeugung): Seitenkühler, offenes System, CW, 30 mm x 2000 mm x 1000 mm
  • Kalt- oder Warm-Gang-Einhausung: Schiebtüren, Gangdächer, aus Stahlblech und ESG/VSG-Glas, zur Abdichtung der Gänge, zur Befestigung am Rack
  • Lighting Energy Controller: Energieregler, der die Eingangsspannung verringert und somit die Netzspannung der Beleuchtungsanlage optimiert, ermöglicht Energieeinsparungen bis zu 30 Prozent,
  • •ktive Doppelbodenplatten mit Kaltwasser betrieben, für spezielle Anwendungen im Rechenzentrum, besonders für Rechenzentrums-Umbau und Erweiterung geeignet, 600 x 600 mm, 350 mm Plattenstärke (ohne Belag), Oberseite mit beliebigem Belag bestückbar, mit EC-Ventilator, Kühlmedium: Wasser oder Glykol-Gemisch.

Die Energieregler lassen sich darüber hinaus auch Klimageräten vorschalten. Lüfter laufen dadurch beispielsweise nicht mehr so heiß und haben somit eine längere Lebensdauer.

Der Autor:

Dirk Doormann ist Business Development Manager Datacenter bei der Assmann Electronic GmbH.

(ID:42706971)