Kältemittelkühlung für kleine IT-Installationen

Richtig kühlen ist ein Einstieg in die Profi-IT

| Autor / Redakteur: Hans–Robert Koch / Ulrike Ostler

DX-basierte Kühlung eignet sich für eine kleine bis mittlere Gesamtleistungen bis etwa 40 Kilowatt Verlustleistung bei homogener Leistungsverteilung. Ab etwa 40 bis 50 Kilowatt Gesamtleistung lohnt sich die Installation einer Wasserkühlung.
DX-basierte Kühlung eignet sich für eine kleine bis mittlere Gesamtleistungen bis etwa 40 Kilowatt Verlustleistung bei homogener Leistungsverteilung. Ab etwa 40 bis 50 Kilowatt Gesamtleistung lohnt sich die Installation einer Wasserkühlung. (Bild: Rittal)

Datenzentrierte Geschäftsmodelle führen dazu, dass selbst in kleinen Unternehmen die IT-Anforderungen kontinuierlich wachsen. Bei dem dadurch notwendigen Ausbau muss schnell die Frage aufkommen, wie die neue Server-Klasse gekühlt werden soll, da die bisher oftmals genutzte Luftkühlung nicht mehr ausreicht.

Beim Ausbau einer kleinen IT-Umgebung, die bislang mit Luftkühlung arbeitet, hin zu einer Infrastruktur mit mehreren IT-Schränken, wird oft ein neues Kühlkonzept benötigt. In Abhängigkeit der Gebäude-Infrastruktur und der geplanten Nutzung stellt sich zu Beginn die Frage, ob eine Kühlung mit Wasser oder mit einem Kältemittel erfolgen soll.

Wasser als Alternative?

Prinzipiell ist auch in kleineren IT-Umgebungen die Kühlung mit Wasser möglich. Hierfür ist jedoch eine entsprechende Wasserzufuhr notwendig, die gegebenenfalls in Fabrikhallen, in der Regel aber nicht in einem Bürogebäude zur Verfügung steht. Daher muss ein Kaltwassersatz (Rohre, Pumpe, Freikühler, Chiller) bei den Investitionen berücksichtigt werden.

Welche indirekte Freikühlung ist die günstigste im Rechenzentrum?

Kältemittel oder Wasser?

Welche indirekte Freikühlung ist die günstigste im Rechenzentrum?

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Dieser Investition stehen aber geringere Betriebskosten gegenüber, da zu einem großen Teil des Jahres das Wasser über die kalte Außenluft gekühlt werden kann. Es empfiehlt sich also, eine Vollkostenrechnung (TCO) durchzuführen, die neben den Investitionen auch die Betriebskosten berücksichtigt.

Das richtige Kühlmittel

Mit deutlich geringerem Investitionsaufwand gelingt die IT-Klimatisierung durch die „DX“-Kühlung. DX steht für Direct Expansion und beschreibt die klassische kältemittelbasierte Klimatisierung über ein Split-Gerät plus Kompressor. Die Kälte wird hierbei über einen geschlossenen Kältemittelkreislauf mit Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil erzeugt.

Das Prinzip ist einfach: Über den Verdampfer wird ein Kältemittel verdunstet, das hierbei die Wärme aufnimmt. Der Kompressor saugt das Kältemittel an und verdichtet das Gas unter hohem Druck. Im Kondensator wird das Kältemittel wieder verflüssigt, wodurch die Wärme abgegeben wird. Über eine Drossel oder ein elektronisches Expansionsventil wird das Kältemittel entspannt und der Kreislauf kann von vorne beginnen. Das Funktionsprinzip dieser Kältemaschine findet sich auch in Kühlschränken und Gefriertruhen wieder.

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Die zentrale Frage für die Anwender

Die Anschaffung von Kühlsystemen mit Kältemitteln ist in der Regel niedriger, da Wanddurchbrüche für dünnere Kupferleitungen günstiger herzustellen sind als für Wasserleitungen. Allerdings sind unter Umständen die laufenden Betriebskosten im Vergleich zu einer Wasserkühlung höher, da das System kontinuierlich Strom für den Kompressor benötigt.

Augen auf beim Klima-Kauf!

In der IT-Klimatechnik setzen viele Hersteller als Kältemittel R-410A oder R134a ein. Diese verfügen über eine hohe volumetrische Kälteleistung. Daher wird auch mit kleinen Verdichtern eine hohe Kälteleistung erzielt, wodurch die Entwicklung sehr kompakter Klimageräte möglich wird.

Beim Einsatz von Kältemitteln müssen Hersteller und Kunden die Kältemittelverordnung beachten, die in Europa je nach Land unterschiedlich ausfallen kann. Die Verordnung definiert unter anderem, welche Mengen von welchem Klimamittel unter welchen Bedingungen an welchen Aufstellorten verwendet werden dürfen. Details über Art und Menge des Kältemittels liefern die Sicherheitsdatenblätter, die jeder Hersteller für seine Produkte bereitstellen muss.

Steuerung der Luftströme

Darüber hinaus sollten Unternehmen auf IT-gerechte Systeme achten: Nur moderne Geräte regeln kontinuierlich die Kompressorleistung über die Temperatur der Server-Zuluft und arbeiten mit einem Inverter-geregelten Verdichter, mit dem das Kühlgerät die Kaltluft konstant auf der eingestellten Server-Zulufttemperatur hält.

Das Funktionsprinzip einer DX-Kältemaschine findet sich auch in Kühlschränken und Gefriertruhen wieder; DX steht für Direct Expension.
Das Funktionsprinzip einer DX-Kältemaschine findet sich auch in Kühlschränken und Gefriertruhen wieder; DX steht für Direct Expension. (Bild: Rittal)

So wird auch ein Einblasen zu kalter Luft - was zur Kondensation führen könnte – vermieden. Sinnvoll ist der Einsatz von drehzahlgeregelten EC-Ventilatoren (bürstenloser Gleichstrommotor), da diese den Luftvolumen sehr bedarfsgerecht steuern können. Außerdem arbeiten diese Lüfter äußerst sparsam im niedrigen Energiebereich.

Wer eine hohe Ausfallsicherheit benötigt, der greift auf vollständig redundante Lösungen zurück: Hierbei sind alle Komponenten wie Kompressor und Wärmetauscher bis hin zur Stromzufuhr doppelt vorhanden.

Extremtemperaturen beachten!

Bei der Systemauswahl ist auf die Außentemperatur am Aufstellort zu achten. Bei extrem tiefen Temperaturen, wie sie in Nord- oder Osteuropa auftreten können, ist ein Winterset für die Außeneinheit notwendig.

Gleiches gilt für Aufstellorte mit sehr hohen Außentemperaturen, die gegebenenfalls ein geeignetes Außengerät benötigen. Weiterhin sind die maximal möglichen Entfernungen der Außeneinheit zum Serverraum sowie ein eventueller Höhenunterschied zu berücksichtigen; denn hiervon hängen die Menge des Kältemittels und die Leistungsfähigkeit ab.

Welche Leistungsklasse ist nötig?

Ein weiterer wichtiger Parameter bei der Auswahl ist die zu kühlende Gesamtleistung der IT-Infrastruktur. Die DX-basierte Kühlung ist für kleine bis mittlere Gesamtleistungen bis etwa 40 Kilowatt Verlustleistung bei homogener Leistungsverteilung über die IT-Racks hinweg gut geeignet. Ab etwa 40 bis 50 Kilowatt Gesamtleistung lohnt sich die Installation einer Wasserkühlung.

Welche Systeme gibt es?

Die am schnellsten und einfachsten zu realisierende Klimatisierung ist eine schrankbasierte Kühlung mit einem DX-Klimagerät. Hierbei wird ein Kühlgerät im IT-Rack an die Seitenwand montiert. Ein Beispiel hierfür ist das Produkt „LCU DX“ (Liquid Cooling Unit) von Rittal, die in Ausführungen bis 6,5 Kilowatt verfügbar ist. Bei dem LCU-System kreist die Luft horizontal, wodurch die klassische „front to back“-Luftführung der 19-Zoll-Einbauten unterstützt wird.

Hierbei wird kalte Luft vor die Geräte geblasen. Die durch die Server erwärmte Luft wird dann im rückwärtigen Bereich angesaugt, über den Wärmetauscher geführt und dadurch wieder gekühlt. Bei diesem Konzept sollte der IT-Schrank gut abgedichtet sein, wie der Schrank „TS IT“ von Rittal, weil sonst Kälte entweicht und das Gesamtsystem an Effizienz verliert. Voraussetzung für den Einbau des LCU DX ist ein 800 Millimeter breiter Server-Schrank.

Bei einer schrankbasierten Kühlung mit einem DX-Klimagerät wird ein Kühlgerät im IT-Rack an die Seitenwand montiert.
Bei einer schrankbasierten Kühlung mit einem DX-Klimagerät wird ein Kühlgerät im IT-Rack an die Seitenwand montiert. (Bild: Rittal)

Ein weiteres Beispiel für ein Rack-Klimagerät ist „LCP DX“ (Liquid Cooling Package) von Rittal, das für Leistung von 12 Kilowatt Verlustleistung einsetzbar ist. Das Kühlsystem ist seitlich am IT-Schrank montierbar, wodurch sich mit nur einem Kühlgerät auch zwei Schränke versorgen lassen.

LCP DX gibt es auch in einer Variante, bei der die Kaltluft nach vorne ausgeblasen wird. Damit realisieren Unternehmen beispielsweise eine Lösung mit einem Kaltgang, in dem mehrere IT Racks gekühlt werden.

Spezialfall: Kühlung on Top

Eine Besonderheit sind kompakte Dachaufbaukühlgeräte: Wie der Name schon vermuten lässt, werden diese auf dem Dach eines IT-Racks montiert. Solche einteilige Lösungen verfügen über einen Wärmetauscher und Kompressor. Auch hier wird die kalte Luft wird vor die 19-Zoll-Ebene geblasen und dort von den IT-Komponenten angesaugt.

Hiermit lassen sich Leistungen bis etwa 3 Kilowatt kühlen. Allerdings: Diese Geräte blasen die warme Abluft wieder in den Raum, wodurch sich der Technikraum aufheizt. Sinnvoll kann diese Lösung sein, wenn bereits ein Raumklimagerät vorhanden ist. Wer zum Beispiel in einem Hochhaus in der 15. Etage eine schnelle Kühllösung benötigt und keine baulichen Veränderungen vornehmen darf, ist mit diesem Konzept bestens bedient.

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