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Mit modernen Kühlkonzepten die Data-Center-Kosten senken

Der steigende IT-Bedarf macht es dringend, die Wirtschaftlichkeit des Data Centers zu verbessern. Eine Analyse der Kühlsysteme kann Potenziale zur Kostenoptimierung aufzeigen.

Dieser Artikel behandelt

Data-Center-Design

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Einer der großen Kostenblöcke im laufenden IT-Betrieb ist die Kühlung des Data Centers: Je nach Effizienz kann bis zu einem Drittel der zugeführten Energie im Rechenzentrum auf die Kühltechnik entfallen. Das sorgt auf Dauer für eine hohe Stromrechnung. Für Betreiber von Data Centern lohnt sich häufig der Aufwand, die Energieeffizienz der eigenen IT-Umgebung zu analysieren und zu optimieren. Auch wenn dies eher die Ausnahme ist: Wer ein komplett neues Data Center aufbaut, kann heute sehr effiziente Anlagen realisieren. Die meisten Unternehmen in Deutschland werden jedoch auf klassische Lösungen wie modulare Kühlsysteme mit Chiller setzen, da sich damit ein thermodynamisches System sehr präzise kontrollieren lässt.

Für schnelle Erfolge empfiehlt sich zunächst zu prüfen, ob die Zulufttemperatur weiter angehoben werden kann. Dadurch wird die zur Kälteerzeugung benötigte Energie reduziert und die IT-Systeme werden mit wärmerer Luft gekühlt. Mit warmer Luft die IT-Systeme kühlen? Was zunächst wie ein Widerspruch klingt, ist aber in Einklang mit aktuellen Empfehlungen des US-Industrieverband Ashrae (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers). Gemeinsam mit Herstellern von IT-Systemen wurde dort die Empfehlung entwickelt, dass Kunden die Serverzulufttemperaturen auf bis zu 26 Grad Celsius anheben können.

Allerdings sind den Temperaturen auch Grenzen nach oben gesetzt: Wird ein 26 Grad warmer Luftstrom zur Kühlung verwendet, führt dies im Schnitt etwa zu einer um 10 Grad erwärmten Ausgangstemperatur. Betreibt ein Unternehmen ein Data Center, in dem regelmäßig Umbauten und Erweiterungen vorgenommen werden, wird es bei Raumkühlung mit rund 36 Grad schon recht warm für die Techniker.

Gleichzeitig lässt sich das Prinzip einer höheren Einblastemperatur auch nicht beliebig erweitern. Bei 30 Grad warmer Eingangsluft kann sich diese auf 40 Grad erhitzen, was Menschen schon als unangenehm heiß empfinden. Die Temperatur im Data Center anzuheben, ist somit die einfachste Methode für die Optimierung der laufenden Energiekosten.

Welches Kühlkonzept passt für meine IT-Umgebung?

Betreibt ein Unternehmen ein kleines Rechenzentrum mit nur einigen wenigen Servern, lässt sich in den meisten Fällen auf eine direkte Kühlung der IT-Racks verzichten. Stattdessen wird der gesamte Technikraum klimatisiert. Hierbei saugen die aktiven IT-Komponenten die kühle Luft über ihre eingebauten Lüfter ins Innere der Gehäuse und so sind die Systeme ausreichend gekühlt.

Wer jedoch ein individuelles Kühlkonzept für höchste Energieeffizienz entwickeln möchte, sollte sich auf einen gewissen Planungsaufwand einstellen. Hier macht es Sinn, externe Spezialisten einzubinden. Dies lohnt sich zum Beispiel bei größeren Installationen, bei denen sich geringere Energiekosten über die Jahre hinweg zu relevanten Summen addieren. Noch vor einigen Jahren wurden viele Kühlkonzepte in der Annahme entwickelt, dass die Energiedichte innerhalb der IT-Schränke weiter zunehmen wird. Dies trat jedoch nicht ein, da IT-Komponenten wie Server immer effizienter wurden. Heute liegt die mittlere Leistung in IT-Racks im Schnitt zwischen fünf und sieben kW – im Vergleich dazu erreichen HPC-Systeme (High Performance Computing) bis zu 40 kW pro Rack.

Bei kleineren Installationen geht daher der Trend hin zu kompakten DX-Kühlgeräten, also zu kompressorbasierten Systemen mit Kühlmitteln wie R-410A oder R134a. Die DX-basierte Kühlung ist für kleine bis mittlere Gesamtleistungen bis etwa 40 kW Verlustleistung bei homogener Leistungsverteilung über die IT-Racks hinweg gut geeignet. DX steht für Direct Expansion und beschreibt die Klimatisierung über ein Split-Gerät plus Kompressor. Hier wird die Kälte 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 Mittel an und verdichtet das Gas unter hohem Druck. Im Kondensator wird es wieder verflüssigt, wodurch die Wärme abgegeben wird. Über eine Drossel oder ein elektronisches Expansionsventil wird das Kältemittel schließlich entspannt und der Kreislauf kann von vorne beginnen. Vom Prinzip her ist das Verfahren vergleichbar mit einem Kühlschrank.

Auf energieeffiziente Produkte achten

Beim Kauf einer modularen Kühllösung sind einige wichtige Details zu beachten. Nur moderne Geräte sind in der Lage, kontinuierlich die Kompressorleistung über die Temperatur der Serverzuluft zu regeln. Diese Systeme arbeiten mit einem Inverter-geregelten Verdichter, mit dem das Kühlgerät die Kaltluft konstant auf der eingestellten Serverzulufttemperatur hält. So wird auch ein Einblasen von zu stark gekühlter Luft – was zur Kondensation führen könnte – vermieden. Weiterhin ist der Einsatz von drehzahlgeregelten EC-Ventilatoren (bürstenloser Gleichstrommotor) sinnvoll, da diese das Luftvolumen sehr bedarfsgerecht steuern können. Außerdem arbeiten diese Lüfter äußerst sparsam im niedrigen Energiebereich. Bei der hohen Abhängigkeit vieler Geschäftsmodelle von ausfallsicheren IT-Systemen sollten Unternehmen auf vollständig redundante Lösungen achten. Hierbei sind alle Komponenten wie Kompressor und Wärmetauscher bis hin zur Stromzufuhr doppelt vorhanden.

Kälte versprühen

Wird eine direkte oder indirekte Luftkühlung verwendet, bietet das Prinzip der adiabatischen Kühlung eine elegante Methode, um das Kühlsystem auch ohne Kältekompressor zu stabilisieren. Um die Luft entsprechend den Anforderungen zu konditionieren, wird sie mit zerstäubtem Wasser versetzt, noch bevor sie auf einen Wärmetauscher trifft. Die so erzeugten feinen Tropfen führen dazu, dass das Wasser in dem warmen Luftstrom sofort verdunstet.

Bei diesem Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand findet eine thermodynamische Zustandsänderung statt, durch die das Wasser der umgebenden Luft Wärme entzieht. So ist es möglich, die Vorlauftemperatur eines Kühlsystems zusätzlich zu senken. Eine der Herausforderungen dieser Methode liegt in der Gefahr einer Keimbildung. Überall dort, wo mit Wasser gearbeitet wird, besteht die Gefahr von Legionellenbildung.

„Die Auswahl des Klimakonzepts sollte letztlich auf Basis der vorhandenen Gebäudeinfrastruktur erfolgen und die geplanten Nutzung der IT-Infrastruktur berücksichtigen. Darüber hinaus ist eine Investitionskalkulation notwendig.”

Bernd Hanstein, Rittal

Daher sind zusätzliche Schutzmaßnahmen notwendig, beispielsweise durch regelmäßige Reinigung, einen hohen Wasserdurchsatz oder die Abschirmung gegen Sonnenlicht. Bei einem solchen System wird es außerdem wichtig, dass RZ-Betreiber den Wasserverbrauch im Blick behalten. Entsprechend Anlagen können sich ab etwa 100 kW rentieren, sind aber aufgrund der recht hohen Aufwände meist erst ab 200 kW Kühlleistung wirtschaftlich sinnvoll. Adiabate Kühlsysteme bieten prinzipiell viel Potenzial für die Energieoptimierung, verlangen jedoch eine präzise Planung und einen erfahrenen Experten für die Umsetzung.

Fazit

Modulare Kühlsysteme lassen sich in allen Leistungsklassen sehr flexibel einsetzen und dürften für die meisten Unternehmen die bevorzugte Wahl sein, um die Kühltechnik zu modernisieren und damit die Energieeffizienz zu optimieren. Die Auswahl des Klimakonzepts sollte letztlich auf Basis der vorhandenen Gebäudeinfrastruktur erfolgen und die geplanten Nutzung der IT-Infrastruktur berücksichtigen. 

Darüber hinaus ist eine Investitionskalkulation notwendig. Der größte Unsicherheitsfaktor hierbei: Wie schätze ich die zukünftige Entwicklung der eigenen IT-Umgebung richtig ein? So manche Unternehmen betreiben heute überdimensionierte Klimalösungen, weil der IT-Bedarf im eigenen Haus zu hoch eingeschätzt wurde – damit wird bares Geld verschenkt. Auch sollte die künftige Nutzung von Cloud-Ressourcen in die Kalkulation einbezogen werden, da sich hybride Cloud-Infrastrukturen als ein möglicher Standard für den IT-Betrieb abzeichnen.

Über den Autor:
Bernd Hanstein ist Hauptabteilungsleiter Produktmanagement IT bei Rittal.

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Artikel wurde zuletzt im November 2017 aktualisiert

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