Rechenzentrumsklimatisierung

Serverschr?nke in einem Rechenzentrumzum Vergr??ern anklicken
Rechenzentren sind das Rückgrat der Digitalisierung. Die Kühlung sollte klimafreundlich erfolgen.
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  • Blauer Engel für Rechenzentren

    Rechenzentren k?nnen seit 2011 mit dem Umweltzeichen Blauer Engel ausgezeichnet werden. Ab 2020 k?nnen nun auch Co-Location-Rechenzentren ihre gute Umweltbilanz durch den Blauen Engel best?tigen lassen. Rechenzentren, die ihren Betrieb ab dem 01.01.2013 aufgenommen haben, dürfen für eine erfolgreiche Beantragung des Umweltzeichens nur halogenfreie (natürliche) K?ltemittel einsetzen. weiterlesen

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Rechenzentren werden durch das rasant zunehmende Datenvolumen und die Nachfrage nach zentraler Rechenleistung immer zahlreicher und leistungsf?higer. Server, Speicherger?te und Netzwerkkomponenten ben?tigen Strom. Die entstehende W?rme muss mittels Klimaanlage abgeführt werden. Klimafreundlich geht das mit natürlichen K?ltemitteln und, soweit es die Au?entemperaturen zulassen, mit freier Kühlung.

Grunds?tzlich k?nnen zwei Typen der Serverkühlung unterschieden werden: die Luftkühlung und die Flüssigkühlung.

Luftkühlung

Bei der Luftkühlung wird ausreichend kühle Luft, meist über einen Doppelboden, vor die Server geleitet, von den Serverventilatoren angesaugt und als warme Abluft an der Rückseite der Server bzw. Serverschr?nke (Racks) ausgeblasen. Die Luftführung ist dabei aus Effizienzgründen beispielsweise durch Einhausung so zu gestalten, dass sich kalte und warme Luft nicht vermischen oder es gar zu Luftkurzschlüssen kommt.? Da die Zuluft für ein einwandfreies Funktionieren der Server nicht kühler als 28 °C sein muss, kann über die meiste Zeit des Jahres mittels Au?enluft frei gekühlt werden.? Hierfür gibt es unterschiedliche Konzepte, wie zum Beispiel die direkte oder indirekte freie Kühlung. Bei letzterer gibt der interne Luftstrom im Rechenzentrum mittels W?rmeübertrager die Abw?rme an die Au?enluft ab. Dieses Konzept hat den Vorteil, dass lediglich Energie für den Lufttransport durch Ventilatoren ben?tigt wird, eine K?ltemaschine wird (zun?chst) nicht ben?tigt.

Für den Fall, dass die Zulufttemperatur im Rechenzentrum niedriger eingestellt ist, zum Beispiel auf 26 °C, kann auch dann mit indirekter freier Kühlung auf den Einsatz von K?ltemaschinen für die meisten Tage im Jahr verzichtet werden.? Steigt die Au?enlufttemperatur auf Werte über ca. 22 °C, müssen weitere Ma?nahmen ergriffen werden, um die Zuluftwerte auf maximal 26 °C zu begrenzen. Dies l?sst sich mit der adiabaten Verdunstungskühlung erreichen, mit der die Au?enluft um bis zu 14 Kelvin abgekühlt werden kann. 26 °C Zulufttemperatur sind somit bis 40 °C Au?entemperatur erreichbar. Bei der adiabaten Verdunstungskühlung wird angesaugte Zuluft über einen mit Wasser besprühten W?rmeübertrager abgekühlt, welche dann indirekt im Gegenstrom die Umluft aus dem Rechenzentrum kühlt. Durch die indirekte Kühlung wird die Luft im Rechenzentrum nicht befeuchtet, sondern die befeuchtete Au?enluft wieder nach drau?en bef?rdert.

L?sst man für wenige Stunden im Jahr auch Zulufttemperaturen von mehr als 26 °C zu, kann die Kühlung des Rechenzentrums ganzj?hrig mittels freier Kühlung in Kombination mit Verdunstungskühlung ohne den Einsatz von K?ltemaschinen gew?hrleistet werden. Lediglich zur Kühlung der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und der dafür ben?tigten Batterien, die eine Temperatur von 20 °C ben?tigen, sind K?ltemaschinen erforderlich. Da hier eher kleinere K?lteleistungen ben?tigt werden, bieten sich Flüssigkeitskühler (Kaltwassers?tze) mit dem K?ltemittel Propan (R290) als klimafreundliche Alternative zu K?ltemaschinen mit teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) an.

Luftkühlung mit K?ltemaschine

Soll auch an sehr hei?en Tagen die Zulufttemperatur von 26 °C zu keinem Zeitpunkt überschritten werden, muss auf maschinelle K?lteerzeugung zurückgegriffen werden, wenn auch nur für verh?ltnism??ig wenige Stunden im Jahr. Auf L?sungen mit klimasch?dlichen HFKW kann jedoch auch hier verzichtet werden:

Bis zu einem Leistungsbereich von ca. 800 Kilowatt (kW) K?lteleistung sind Kaltwassers?tze mit dem K?ltemittel R290 verfügbar. Ab ca. 600 kW K?lteleistung sind Ammoniakk?ltemaschinen wirtschaftlich interessant. Der Vorlauf von etwa 20 °C aus diesen Maschinen nimmt die Serverabw?rme aus der Abluft in sogenannten Pr?zisionsklimager?ten (Computer Room Air Conditioning (CRAC)) über einen W?rmeübertrager auf. Dadurch sind K?ltekreislauf mit dem darin zirkulierenden K?ltemittel und IT-R?ume getrennt und nur durch den K?ltetr?ger Wasser miteinander verbunden, so dass selbst bei einer Havarie kein K?ltemittel mit den Servern in Kontakt treten kann.

Klimafreundliche Optimierung von luftgekühlten Rechenzentren

In einer Studie der Ecofys GmbH im Auftrag des Umweltbundesamtes konnte gezeigt werden, dass in luftgekühlten Rechenzentren mittels Energieeffizienzma?nahmen, wie Anhebung der Zulufttemperatur auf 26 °C, kanalisierte Luftführung und Abw?rmenutzung, sowie dem Einsatz von geb?udenaher Photovoltaik und natürlichen K?ltemitteln die durch die Klimatisierung verursachten Treibhausgasemissionen in erheblichem Umfang vermieden werden konnten. Gegenüber einem Referenzrechenzentrum mit energieeffizienter Klimatisierungstechnik belief sich die Emissionsreduktion bei einem mittelgro?en Rechenzentrum mit 30 kW IT-Leistung auf bis zu 80 %, bei einem gro?en Rechenzentrum mit 9.000 kW IT-Leistung auf bis zu 68 %.

HFKW phase-down und Verfügbarkeit von K?ltemitteln

Gem?? F-Gas-Verordnung (Verordnung (EU) Nr. 517/2014) wird die Verfügbarkeit der HFKW-K?ltemittel mit hohem Treibhauspotential, welche auch in K?ltemaschinen für die Rechenzentrumsklimatisierung überwiegend eingesetzt werden, aktuell deutlich eingeschr?nkt. Verglichen mit der HFKW-Ausgangsmenge (Referenzmenge) des Jahres 2015 wird, gemessen in ⁠CO2⁠-?quivalenten, die verfügbare Menge auf dem europ?ischen Markt stufenweise auf 21 % bis zum Jahr 2030 abgesenkt. Dieser als HFKW phase-down bezeichnete Verknappungsprozess bedeutet, dass bereits heute die Verfügbarkeit der in Rechenzentren üblichen HFKW-K?ltemittel R134a, R407C und R410A auch für Wartung und Reparatur von K?lte- und Klimaanlagen nur eingeschr?nkt gew?hrleistet ist, insbesondere dann, wenn aufgrund einer Havarie kurzfristig gr??ere Mengen K?ltemittel ben?tigt werden. Das hat entsprechende Konsequenzen für die Ausfallsicherheit und damit Verfügbarkeit von Rechenzentren. Vor der Ausrüstung neuer Rechenzentren mit HFKW-K?ltemaschinen ist daher aus Gründen der von vielen Rechenzentrumsbetreibern geforderten Hochverfügbarkeit dringend abzuraten. Daher ist auch aus diesem Grund der Einsatz von K?ltemaschinen mit natürlichen K?ltemitteln, welche keiner Verknappung unterliegen, sinnvoll.

Flüssigkühlung

Im Gegensatz zur Luftkühlung wird bei der Flüssigkühlung die Abw?rme überwiegend direkt von den relevanten Komponenten der Server wie beispielsweise dem Prozessor (CPU) und dem Grafik-Chip (GPU) abgeführt. üblich ist die Verwendung von Wasser, was sehr umweltvertr?glich ist. In diesem Fall spricht man auch von Warmwasserkühlung, da die Vorlauftemperatur hier 45 bis 50 °C betr?gt. Der Rücklauf von 55 bis 60 °C kann über ein Rückkühlwerk (z.B. ein Hybridrückkühler) gegen die Au?enluft gekühlt werden, eine K?ltemaschine ist auch hier nicht erforderlich. Anstatt die W?rme an die Umgebung abzugeben, kann diese auch zum Heizen oder die Warmwasserbereitung anliegender Büror?ume genutzt werden. Für die Einspeisung in ein Fern- bzw. Nahw?rmenetz muss zus?tzlich eine W?rmpumpe für ein ausreichendes Temperaturniveau sorgen, da solche Netze in der Regel mit Vorlauftemperaturen von 70 °C bis 130 °C betrieben werden. Weil ein Teil der W?rme auch an die Raumluft im Rechenzentrum abgegeben wird, muss auch diese gekühlt werden, allerdings in viel geringerem Umfang als bei einer reinen Luftkühlung.

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 Klimatisierung  Rechenzentren  natürliche K?ltemittel  green IT