Davor, dazwischen, dahinter und darum herum Reihen- und Raum-Cooling: Viele Varianten sorgen für Abkühlung

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Der erste Teil der Serie zur Flüssigkühlung behandelte die Flüssigkühlung direkt im Rack oder am Chip. Der zweite widmet sich nun den Flüssigkühllösungen einen Kühlkreis vor den rechnenden Komponenten: den Reihen- und Raum-Kühlaggregaten.

Flüssigkeit, etwa Wasser, transportiert Wärme um ein Vielfaches besser als Luft. Daher ist es notwendig, sich in leistungsstarken Umgebungen von der Luftkühlung zu verabschieden und eine Flüssigkühlung zu installieren. Nicht immer allerdings muss diese direkt am Chip ansetzen.

Je nach der individuellen Situation kann es sinnvoll sein, direkt im Rack und am Chip mit Luft zu kühlen und die Wärme dann an einen zweiten, mit Wasser gekühlten Kreis abzugeben. Der leitet sie ab und übergibt sie an einen dritten und finalen Kühlkreis oder – möglicherweise nach Passieren einer Wärme-/Kältepumpe – an eine Nachnutzung.

Flüssigkühlung erklärt

Eine Kühlmethode mit vielen Varianten

Kühlung von Rechenzentren

Flüssigkeitskühlung sichert hohe Verfügbarkeit und Kosteneffizienz

Dieser Teil der Serie aber befasst sich mit Aggregaten, die dazu dienen, die Wärme, die an den rechnenden Komponenten entsteht, mittels Flüssigkeit aus ganzen Rechnerreihen oder einem Rechnerraum abzutransportieren. Bezeichnet werden sie als Reihen-, Inline- oder Inrow-Kühler.

Breites Angebot

Solche Geräte haben heute die meisten wichtigen Infrastrukturanbieter im Programm – inzwischen oft auch mit Wasser als Medium, an das die Abwärme übergeben wird. Reihenkühler lassen sich nahtlos in eine Standard-19-Zoll-Rackreihe einbauen – entweder am Rand oder zwischen zwei Racks. Sie sind in der Regel 300 oder 600 Millimeter (mm) breit und die üblichen 42 Höheneinheiten hoch.

Reihenkühler werden dabei meist so konzipiert und eingebaut, dass sie die Luft aus dem Warmgang ansaugen und an einem Wärmetauscher vorbeiführen. Dort findet die Wärmeübergabe ans gegebenenfalls mit Glykol angereicherte Wasser statt. Abgekühlt fließt die Luft in den Kaltgang. Die Luft durchquert das Gerät also vorn nach hinten. Die Lüfter befinden sich auf der kalten Seite.

Die Kühlaggregate können bündig mit den anderen Racks oder ein wenig in den Kaltgang vorstehend eingebaut werden. Bei bündiger Montage strömt die Kaltluft lediglich auf der Vorderseite in den Kaltgang, steht das Aggregat etwas vor, kann sie auch an den Seiten durch perforierte Seitenbleche ausströmen.

Leistungsfähigkeit: bis etwa 100 kW

Mehrere Inline-Aggregate lassen sich mit redundanten Zu- und Abfuhrleitungen mit dem Rückkühlkreis und untereinander verbinden. Arbeitet ein Kühlgerät nicht, können dann die anderen Aggregate seine Last in den Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit übernehmen.

Wie viele Racks ein Inline-Kühler versorgen kann, hängt davon ab, wie groß seine Kühlkapazität ist, wie viel Wärme die rechnenden Systeme abgeben und welche Arbeitstemperaturen angestrebt werden. Die Kühlkapazität des Inline-Kühlers ist eine Funktion des Fassungs- und daher Kühlvermögens des Wasserkreislaufs und des Wärmetauschers sowie der Zahl und der Leistung der Lüfter.

Je nach Gerätetyp eignen sich Inline-Kühler für Kühlleistungen bis etwa 100 Kilowatt (kW). Höhere Leistungen lassen sich durch Einbau mehrerer Aggregate bewältigen, was auch für Redundanz sorgt. Inrow-Kühler mit Luft/Wasser-Wärmetauscher eignen sich auch für räumlich kleinere Rechenzentren ohne Doppelböden.

Inline-Kühler für Wärmerückgewinnung

Übliche Systeme arbeiten mit Temperaturspreizungen von sechs bis acht Grad. Sie erzeugen Warmwasser mit etwas über 20 Grad. Diese Wassertemperatur erfordert viel Energie-Einsatz, damit man es beispielsweise auf eine Temperatur bringen kann, bei der es etwa in Heizungen eingespeist werden kann.

Es gibt aber auch Inline-Kühler, die explizit für die Wärmerückgewinnung ausgelegt sind. Sie nutzen einen anderen Wärmetauscher, die Temperatur des Wassers am Ausgang auf über 30 Grad anzuheben. Damit kann es beispielsweise an Niedrigtemperatur-Fußbodenheizungen übergeben oder für andere Zwecke genutzt werden, die warmes, aber kein heißes Wasser brauchen. So arbeitet etwa das „LCP Inline CWG“ von Rittal zu. Dieses Gerät wird mit einem Wasser-Glykol-Gemisch betrieben.

Wärmetauscher in mehreren Varianten

Je nach erwünschtem Einsatzzweck und angestrebter Leistung lassen sich unterschiedliche Typen von Wärmetauschern in Inline-Kühler verbauen. Üblich sind Luft/Wasser-Plattenwärmetauscher oder Spiralwärmetauscher. In letzteren wird aufgewickeltes Blech anstelle von Platten verwendet.

Weitere wichtige Komponenten sind eine elektrische Steuer- und Regeleinheit für die Geräteüberwachung, diverse Sensoren, unter anderem ein Leckagesensor, dichte Leitungen und Ventile an Wasserzu- und -abfluss. Eine Komfortfunktion besteht darin, durch elektronische Feinsteuerung die Leistung der Lüfter spontan an die aktuelle Serverleistung anzupassen. Das ist nützlich beim Hoch- und Herunterfahren von Servern.

Vorsicht, Tropfen!

Wichtig ist auch der Umgang mit Kondensat. Es bildet sich, wenn das Gerät unterhalb des Taupunkts arbeitet. Es entsteht meistens am Wärmetauscher, wenn besonders niedrige Wassertemperaturen gebraucht werden.

Im Regelbetrieb sollte man aber den Betrieb oberhalb des Taupunktes anstreben. Für die Handhabung von Kondensat haben die Geräte eine Wanne, in der kondensierende Flüssigkeit aufgefangen wird, eine Kondensatpumpe und eine Kondensatabführung.

Beispiele für entsprechende Aggrate sind die LCP CW-Serie von Rittal, die „Rack Chiller“ von Nvent Schroff, die Modelle „Liebert CRV CR019Rw“ (Wasser/Glykol) und „Liebert CRV CW032RC“ (Kaltwasser) oder „Uniflair Inrow RC“ von APC/Schneider Electric, laut Anbieter eine Lösung für mittlere und große Rechenzentren. Auch die OCP-Spezifikation für ein modulares Datacenter mit 300 kW Leistung schreibt bis zu 12 Inrow-Luft/Wasser-Kühlaggregate mit insgesamt 27 kW Kühlleistung vor. Die Redundanz soll hier N+1 betragen.

Raumkühlgeräte: Gleiches Arbeitsprinzip

Raumkühlgeräte oder CRAH (Computer Room Air Handler) auf Luft/Wasser-Basis arbeiten nach denselben Prinzipien wie Inline-Kühlgeräte. Sie sind damit eine energetisch günstigere Alternative zu Geräten, die mit Kompressoren arbeiten (CRACs). Sie sind in ihrer Leistung und Dimensionierung auf ganze Räume zugeschnitten. In ihrer Kühlleistung sind sie etwas schwächer als Inrow-Systeme, da Heiß- und Kaltluft hier über größere Strecken transportiert werden müssen, bis sie zu den Systemen gelangen.

CRAHs stehen nicht in der Rechnerreihe, sondern werden so an der Wand montiert, dass sie die erwärmte Luft aus dem gesamten Raum in der Regel oben ins Gerät ansaugen und die abgekühlte Luft unten oder frontseitig in den Doppelboden oder den Kaltgang abgeben. Von dort fließt die Luft zu den Systemen und wird dort in die Server eingesogen.

Redundanz erhöht Verfügbarkeit

Raumluftkühlgeräte in Rechenzentren müssen in der Regel redundant ausgelegt werden, um die Funktion auch bei Ausfall eines Systems zu gewährleisten. In den Geräten selbst, ob nun für ganze Räume oder inline montiert, können doppelte Stromversorgungen und im laufenden Betrieb austauschbare Lüfter die Verfügbarkeit erhöhen.

Ein Beispiel für eine Raumluftkühlanlage mit Luft/Wasser-Wärmetauscher ist der modulare „Thermalwall“ Liebert CWA von Vertiv für Cloud- und große Datacenter. Mit steigenden Leistungen der Server wird man mehr CRAHs und Inline-Kühlgeräte mit Luft/Wasser-Wärmetauscher in den Rechenzentren sehen, um mit den entstehenden Abwärmemengen umzugehen.

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