Kühler Dampf - aus dem Bestseller „IT-Räume und Rechenzentren planen und betreiben“

Strittig: Welche Luftfeuchte sorgt für prima Klima?

| Autor / Redakteur: Dr. Dietmar Müller / Ulrike Ostler

Bei der Planung eines Rechenzentrums muss zunächst eine Feuchtebegrenzung festgelegt werden.
Bei der Planung eines Rechenzentrums muss zunächst eine Feuchtebegrenzung festgelegt werden. (Bild: gemeinfrei, StockSnap/Pixabay / CC0)

Viel haben wir schon berichtet über die Klimatisierung von Rechenzentren, wobei das wesentliche zwangsläufig übersehen wurde: Die Luft. Sie beziehungsweise ihre Feuchtigkeit ist laut Bernd Dürr einer der umstrittensten Punkte bei der Planung und dem Betrieb von Rechenzentren.

Dürr ist Autor des Bestsellers „IT-Räume und Rechenzentren planen und betreiben“, aus dem wir alle paar Wochen ausgewählte Kapitel in gekürzter Form präsentieren. Das diesmal behandelte Thema „Luftfeuchtigkeit“ ist Teil des Bereiches „Klimatisierung“, an dem Peter Döbert, , Rodgau, kräftig mitgewirkt hat.

Die Zeiten ändern sich. Vor 15 Jahren wurde laut Bernd Dürr ein so genanntes Präzisionsklima für die Rechnerräume propagiert. Aus dieser Zeit stamme dann auch die Bezeichnungen einiger Hersteller für Ihre Produkte als „Präzisionsklimagerät“. Heute dagegen liege der Fokus auf der Energie-Effizienz von Rechenzentren, aktuelle Produkte würden eher als „Energysaver“ oder ähnliches bezeichnet. "Auch für die Regulierung der Luftfeuchte gilt es, Energie-optimierte Systeme zu verwenden", so der Autor.

Parameter für die Luftfeuchtigkeit

Als Folge dieser Entwicklung seien auch die oberen und unteren Grenzwerte der DIN EN 50600 für die zulässig relative Raumfeuchte deutlich auseinandergewandert. Die DIN EN 50600-2-3 fordere nun für alle Räume mit elektrostatisch empfindlichen Geräten, dass die relative Luftfeuchte genau gemäß den Anweisungen der Hersteller der Geräte eingehalten werden muss. Nur wo keine Informationen vorhanden sind, muss ein minimaler Taupunkt von 5,5 Grad eingehalten werden.

Bei der Planung eines Rechenzentrums müsse zunächst eine Rechenzentrumsklassifizierung oder Feuchtebegrenzung festgelegt werden. Die amerikanischen Klassifizierungen lassen hier laut Dürr einen wesentlich größeren und somit effizienteren Spielraum zu als die deutschen Regelungen, die eine Mindestfeuchte von 39 Volumenprozent relativer Feuchte (Vol.-% r.F.) verlangen.

Zudem und grundsätzlich seien die vorgeschriebenen Umgebungsbedingungen der Hardwarehersteller maßgeblich. „Oftmals geben diese Grenzwerte vor, an die man sich tunlichst halten sollte, sofern man die Gewährleistungen nicht verlieren möchte", heißt es von Dürr.

Das Temperaturniveau im Rechenzentrum ist ausschlaggebend, um den oberen Grenzwert festzulegen. Bei einer Zulufttemperatur vor den Servern von 24 Grad sollte sich für die meisten Anwendungen die Luftfeuchte zwischen 30 und 70 Vol.-% r.F. einpegeln. Zu feuchte Luft könnte durch Taubildung Schäden nach sich ziehen.

Regulierung der Luftfeuchtigkeit

Die benötigte Befeuchtungsleistung muss - genau wie die Kühlleistung - für jedes Projekt individuell berechnet werden. Dabei gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die Luftfeuchte zu regeln:

  • Wird mit Umluftkühlgeräten gekühlt, wird ein Teil der Geräte mit einem Dampfbefeuchter ausgestattet. Dies ist in der Regel ausreichend, um die Luftfeuchte entsprechend der Grenzen zu halten. Jedoch gibt es auch eigenständige Luftbefeuchter die nicht in anderen Geräten verbaut sind, sondern als separate Einheit mit eigener Steuerung im Rechenzentrum oder IT-Raum montiert werden.
  • Dampfbefeuchter sind die einfachste Art, um Luftfeuchte zu erzeugen. Er ist in etwa aufgebaut wie ein Heißwasserkocher aus dem Haushalt. Wasser wird durch eine Elektrode oder einen Widerstand verkocht, bis es den gasförmigen Zustand erreicht. Der erzeugte Wasserdampf wird dann über Ventilatoren dem Raum zugeführt, wo er sich wieder abkühlt. Diese Technik sei zwar in der Investition sowohl die Günstigste als auch die Einfachste, von den Betriebskosten her gesehen komme sie aber am teuersten.
  • Wesentlich effizienter als isotherme Dampfsysteme seien sogenannte adiabate Systeme, bei denen das Wasser als Nebel in die Luft gebracht wird. Hier führt Dürr aus: „Diese Vernebelung wird durch feine Zerstäubung, zum Beispiel mittels Ultraschallwellen, erreicht.
    Mittels eines piezoelektrischen Wandlers wird die elektronisch hergestellte Ultraschallfrequenz in mechanische Energie umgewandelt. Die Oberfläche des Schwingungswandlers schwingt in derart großer Geschwindigkeit, dass das Wasser der Bewegung aufgrund der Massenträgheit nicht mehr folgen kann und somit ein momentanes Vakuum und eine Kompression entstehen. Die Blasen, die hierbei entstehen, treffen mit großer Kraft aufeinander. Dieser Vorgang wird Kavitation genannt."

Kaltnebel-Befeuchtung

Durch die Fokussierung der Schall-Leistung dicht unter der Wasseroberfläche würden zudem Kreuzwellen erzeugt, in deren Kreuzungspunkte sich kleinste Wassertropfen lösen und einen Nebel erzeugen. Dieser werde vom Luftstrom aufgenommen und in die Fläche verteilt.

Dürr: „Die Wasserpartikel sind im Durchschnitt nur 0,001 Millimeter groß. Die Herstellung des Nebels durch adiabate Befeuchtung wird umgangssprachlich auch Kaltnebel-Befeuchtung genannt. Die Befeuchtungsanlagen mittels Ultraschallwellen sind in der Anschaffung zwar teurer als die Elektrodenbefeuchter, allerdings spart man im Betrieb bis zu 90 Prozent der elektrischen Energie." Zudem kühle man die Luft durch den Befeuchtungsprozess, wodurch dann auch weniger mechanische Kälteleistung erzeugt werden müsse.

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Fachkräftemangel im RechenzentrumIn Deutschland könnten mit der Energie, die Server und Rechenzentren verbrauchen, 2,3 Millionen durchschnittliche Privathaushalte versorgt werden. Der Kühlaufwand im Rechenzentrum macht dabei etwa ein Drittel des gesamten Energieverbrauchs aus.  (PDF | ET 27.03.2018)

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Als weitere Vorteile nennt der Experte, dass die Luftbefeuchtung sofort zur Verfügung steht und das Wasser nicht erst erhitzt werden muss. Die Befeuchtungsleistung könne ohne Abschlämmvorgänge aufgrund der Aufkonzentration von Mineralien genau zwischen null und 100 Prozent geregelt werden.

„Die Lebensdauer der Schwinger ist sehr lang und beträgt mindestens 10.000 Stunden. Die Ultraschallbefeuchter werden mit Frischwasser versorgt, weshalb die Befeuchtung sehr hygienisch ist und in der Hygieneverordnung auch dementsprechend behandelt wird. Der Betrieb mit entmineralisiertem Wasser ist ebenfalls möglich. Die dazu notwendigen Umkehrosmose-Anlagen sind in den Investitionskosten der letzten zehn Jahre sehr stark gesunken", erörtert Dürr.

Enthärtungsanlagen

Um kleinste Kalk- und Salzablagerungen im Rechenzentrum zu vermeiden, sollten insbesondere bei großen Wassermengen eine Enthärtungsanlage zur Vorenthärtung beziehungsweise zur Effizienzsteigerung der Umkehrosmose-Anlage installiert werden. Auch sei eine Nachbehandlung des Umkehrosmose-Wassers mittels Mischbettionentauschers zwingend angesagt. Die Leitfähigkeit des Befeuchter-Einspeisewassers müsse unter 5 Mikrosiemens (µS) reduziert werden.

Eine solche Anlage sei sehr wartungsarm und müsse nur noch zyklisch überprüft werden. Bei Dampfbefeuchtern seien in Abhängigkeit von der Qualität des Leitungswassers die Kunststoff-Dampfzylinder möglicherweise öfters fällig. „Eine moderne Membran in der Umkehrosmoseanlage hält im Vergleich dazu zwei bis drei Jahre länger", so Dürr.

Frischluft im Rechenzentrum

Hier sei noch ein kurzer Abstecher erlaubt: Frischluft sei auch im Rechenzentrum durchaus empfehlenswert, „schon aus arbeitsrechtlichen Aspekten", wie der Autor anführt. Dabei sei ein halber bis einfacher Raumluftwechsel völlig ausreichend. „Dies bedeutet, dass die komplette Luft einhalb- bis einmal pro Stunde komplett erneuert wird und dabei auch Gerüche abtransportiert. Dies erfolgt in der Regel über separate kleine Anlagen oder man schließt das Rechenzentrum an eine zentrale Lüftungsanlage an."

Was erwartet den Handbuch-Leser?

In der Neuauflage des erstmals 2013 erschienenen Buches sind zahlreiche Themen dazugekommen, etwa die Rechenzentrumsnorm DIN EN 50600 oder die „Begrünung“ von Rechenzentren durch noch höhere Energieeffizienz. Bereits auf Basis der Erstausgabe des Standardwerkes hat DataCenter-Insider verschiedene Artikel generiert, nun stellen wir weitere Themen daraus vor.

Das 685-Seiten starke Handbuch „IT-Räume und Rechenzentren planen und betreiben“ von Bernd Dürr ist im Verlag Bau+Technik erschienen und unter der Nummer ISBN 978-3-7640-0626-6 zu bestellen. Wir halten es für ein unverzichtbares Werk für alle Praktiker im Rechenzentrumsumfeld.

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