In-Row-Kühlung: Definition, Funktionsweise, Vorteile & Nachteile

Was ist eine In-Row-Kühlung?

Eine In-Row-Kühlung ist ein luftbasiertes Kühlsystem, das die Wärme effektiv direkt im Rack neutralisiert, indem Kühleinheiten zwischen den Serverschränken in der Reihe aufgestellt werden.

Die In-Row-Kühlung funktioniert entweder mit Kaltwasser oder mit Kältemittel. Dabei wird Luft abgekühlt und den Servern zugeführt, während die Abwärme gezielt abgeführt wird.

Der entscheidende Vorteil der Reihenkühlung ist ihre hochgradig lokalisierte Arbeitsweise. Wärme wird genau dort abgeführt, wo sie entsteht. Auf diese Weise werden Hotspots in Server Racks mit hoher Leistungsdichte zuverlässig verhindert. 

Die Kühleinheiten der Reihenkühlung werden direkt zwischen den Serverschränken platziert und nahtlos in die Rack-Reihe integriert, sodass sie optisch und funktional wie ein weiterer Serverschrank wirken. Hersteller bieten In-Row-Kühler in üblichen Breiten an, darunter 300 mm, 400 mm und 600 mm, sowie unterschiedliche Gerätetiefen von 1.175 mm, 1.200 mm und 1.375 mm. Durch dieses kompakte Design bleibt mehr Stellfläche für das eigentliche IT-Equipment erhalten, und die Geräte sind unabhängig vom Rackhersteller einsetzbar.

Die In-Row-Kühlung unterscheidet sich grundlegend von der klassischen Raumkühlung. Herkömmliche CRAC- und CRAH-Einheiten bringen lange Luftwege mit sich und erfordern in der Regel einen Doppelboden zur Luftverteilung. Die In-Row-Kühlung hingegen zeichnet sich durch kurze Luftwege aus, bei denen ein Doppelboden nicht erforderlich ist. Die Zuluft gelangt auf direktem, horizontalem Weg vor die Serverracks. Bei fortschrittlichen Systemen haftet der Luftstrom an den Serverracks, sodass es zu keiner Luftverwirbelung kommt und eine gleichmäßige Kühlung von bis zu 6 Serverracks möglich ist. Diese Luftführung gleicht einer Einhausung und ermöglicht es, in bestimmten Szenarien den Bedarf an baulichen Maßnahmen zu reduzieren. Dennoch liefert die Kombination mit einer physischen Gangeinhausung die besten Ergebnisse in Bezug auf Energieeffizienz und Kühlleistung.

Wie funktioniert eine In-Row-Kühlung?

Eine In-Row-Kühlung funktioniert mit In-Row-Kühlern, die die warme Serverabluft direkt aus dem Rückbereich der Serverracks absaugen und sie kühlen. 

Die einzelnen Schritte des Kühlungsprozesses lassen sich in 3 Phasen gliedern: das Absaugen der Warmluft, das Abkühlen durch einen Wärmetauscher und die Rückführung der kalten Luft zu den Servern.

In-Row-Kühler sind platzsparend an die Maße der Serverracks angepasst (beispielsweise 42 HE) und werden direkt in die Rack-Reihe integriert. Ein tiefer Doppelboden ist für den Betrieb nicht notwendig. EC-Ventilatoren an der Rückseite des Kühlers saugen die Abwärme direkt ab. Durch das Absaugen wird verhindert, dass sich die heiße Abluft mit der kalten Zuluft vermischt. Bei fortschrittlichen Modellen sind bis zu 5 voneinander unabhängige, drehzahlgeregelte EC-Ventilatoren verbaut, die eine bedarfsgerechte Versorgung über 3 horizontale Zonen ermöglichen. Eingebaute Abgrenzungen zwischen den Ventilatoren kanalisieren die Luftströmung, und spezielle Luftleitbleche sorgen beim Austritt für eine gleichmäßige Verteilung über die komplette Höhe der Racks.

Die warme Luft wird nach dem Absaugen anschließend durch einen Wärmetauscher (auch genannt Kühlregister) geleitet. Wie viel Wärme dabei aufgenommen wird, hängt davon ab, ob ein CW-System oder ein DX-System zum Einsatz kommt. 

Beim CW-System, also einem Chilled-Water-System, wird das Kühlregister mit kaltem Wasser durchflossen. Dieses Kaltwasser wird von einem zentralen Chiller bereitgestellt. Die heiße Luft gibt ihre Wärme an das Wasser ab, das anschließend über einen Sekundärkreislauf zum Chiller zurückgeführt wird. Dort gibt der Chiller die Wärme über einen Rückkühler an die Außenluft ab. Für Hochsicherheitsanwendungen existieren CW2-Systeme, bei denen ein Klimagerät mit zwei redundanten Kaltwasserkreisläufen verbunden wird.

Beim DX-System (Direct-Expansion-System oder Direktverdampfungssystem) arbeitet ein integrierter Kompressor, der das Kältemittel verdichtet. Das Kältemittel expandiert im Verdampfer und entzieht der durchströmenden Luft die Wärme. Anschließend strömt das erhitzte Kältemittelgas zu einem externen Kondensator, wo es wieder verflüssigt wird und die aufgenommene Hitze an die Umgebung abgegeben wird. DX-Systeme gibt es sowohl in luftgekühlter als auch in wassergekühlter Ausführung. 

Neben CW- und DX-Systemen existieren hybride Freikühlsysteme mit dynamischer Regelung, die bei niedrigen und gemäßigten Außentemperaturen ganz oder teilweise ohne energieintensive Kompressorkühlung auskommen. Bei hybriden Freikühlsystemen wird die Wärme über einen integrierten Freikühlwärmetauscher direkt an einen Kühlwasserkreislauf übertragen und über einen externen Rückkühler abgeführt. Drehzahlgeregelte EC-Kompressoren sorgen bei modernen Systemen für einen stufenlos geregelten, bedarfsgerechten Betrieb ohne Überversorgung.

Die Ventilatoren an der Vorderseite der In-Row-Kühler blasen die heruntergekühlte Luft horizontal direkt vor die Server. Durch die kurzen Luftwege und die präzise Luftführung entsteht ein geschlossener Kreislauf, der die Kühleffizienz erheblich steigert. Die Regelung und Überwachung erfolgt über integrierte Controller mit mehreren Temperaturfühlern, die eine präzise Regelung von Delta T und Zulufttemperatur ermöglichen. Serienmäßige RS-485-Ports erlauben den Anschluss über ModBus-Protokolle an die Gebäudeleittechnik.

Vorteile und Nachteile der In-Row-Kühlung

Die Vorteile der In-Row-Kühlung sind die gesteigerte Effizienz der Kühlung, eine bessere Temperaturkontrolle, maximale Kühlleistung für extreme Leistungsdichten, eine verbesserte Zuverlässigkeit sowie die volle Platzausnutzung im Rack und im Rechenzentrum bei hoher Packungsdichte. Die Nachteile einer Reihenkühlung sind eine mögliche ungleichmäßige Kühlung bei falscher Positionierung, höhere Kosten und Komplexität bei Installation und Wartung, das Risiko einer schnellen Überhitzung bei Lüfterausfall sowie die Gefahr der Überkühlung bei Geräten ohne Inverter-Technologie.

In den folgenden Abschnitten werden die Vorteile und Nachteile der In-Row-Kühlung genau beschrieben.

Welche Vorteile hat eine In-Row-Kühlung?

Die In-Row-Kühlung hat die Vorteile, dass sie die Effizienz der Kühlung steigert, eine bessere Temperaturkontrolle ermöglicht und eine maximale Kühlleistung für extreme Leistungsdichten bietet.

Die folgende Liste gibt einen Überblick über alle Vorteile der In-Row-Kühlung.

• Steigert die Effizienz der Kühlung: Die In-Row-Kühlung steigert die Effizienz der Kühlung erheblich. Die Wege für den Luftstrom sind kurz, und die Ventilatoren benötigen deutlich weniger Energie als bei einer konventionellen Unterflurkühlung. Die Serverabluft erreicht das Kühlgerät ungemischt und mit einer hohen Rücklauftemperatur, was die Wärmeübertragung im Wärmetauscher effizienter macht. Die drehzahlgeregelten Komponenten moderner In-Row-Kühler stellen sicher, dass exakt die benötigte Kälteleistung erzeugt wird, sodass es zu keiner energieintensiven Überversorgung kommt.
• Bessere Temperaturkontrolle: Ein großer Vorteil der In-Row Kühlung ist die bessere Temperaturkontrolle. Die heiße Abluft wird direkt abgesaugt, und Sensoren messen die Temperatur unmittelbar an den Racks. Auf dieser Basis wird die Kühlleistung dynamisch angepasst. Moderne Systeme arbeiten mit 6 oder mehr Temperaturfühlern zur präzisen Regelung von Delta T und Zulufttemperatur.
• Maximale Kühlleistung für extreme Leistungsdichten: Die In-Row-Kühlung bietet maximale Kühlleistung für extreme Leistungsdichten. Moderne Server erzeugen Wärmelasten von 20 bis 60 kW pro Rack. Reihenkühlung führt diese massiven Lasten punktuell und problemlos ab, da die Kühleinheit direkt neben dem wärmeerzeugenden Rack positioniert ist.
• Verbesserte Zuverlässigkeit: Die In-Row-Kühlung sorgt für eine verbesserte Zuverlässigkeit der Hardware. Mehrere Kühleinheiten lassen sich in N+1- oder 2N-Redundanz konfigurieren. Bei einem Ausfall übernehmen benachbarte Kühler automatisch, indem die Lüfterdrehzahlen hochgefahren werden. Fällt ein einzelner Ventilator aus, wird die Drehzahl der verbleibenden Ventilatoren im selben Gerät entsprechend erhöht, um die Kühlleistung aufrechtzuerhalten.
• Volle Platzausnutzung im Rack und in Rechenzentren bei hoher Packungsdichte: Die In-Row-Kühlung ermöglicht eine volle Platzausnutzung im Rack und im Rechenzentrum bei hoher Packungsdichte. Die Kühlleistung lässt sich exakt skalieren, ein Doppelboden ist nicht zwingend notwendig, und das kompakte Design der Kühler sorgt dafür, dass möglichst viel Stellfläche für IT-Equipment zur Verfügung steht. Die minimale Stellfläche der Kühlgeräte bedeutet mehr Whitespace im Rechenzentrum.

Welche Nachteile hat eine In-Row-Kühlung?

Eine In-Row-Kühlung hat die Nachteile einer ungleichmäßigen Kühlung bei falscher Positionierung der Kühler, einer teuren und komplexen Installation und eines erhöhten Leckagerisikos.

In der folgenden Liste werden alle Nachteile der In-Row-Kühlung beschrieben.

• Ungleichmäßige Kühlung: Ein möglicher Nachteil der In-Row-Kühlung ist die ungleichmäßige Kühlung, die bei falscher Positionierung der Kühler in der Rechenzentrumsplanung oder bei fehlenden Blindpaneelen auftritt. Eine sorgfältige Planung, idealerweise unterstützt durch CFD-Simulationen, ist unerlässlich, um eine optimale Leistung und Effizienz sicherzustellen.
• Teurer und komplexer in der Installation und Wartung: Die In-Row-Kühlung ist zudem teurer und komplexer in der Installation und Wartung als eine herkömmliche Raumkühlung. Rohrleitungen für Kaltwasser oder Kältemittel müssen verlegt werden, und die Installation von Leitungen, Sensorik und Kondensatmanagement ist aufwendiger als das bloße Aufstellen von CRAC-Einheiten. Hinzu kommt, dass die Anzahl der zu wartenden Filter und Ventilatoren mit der Zahl der eingesetzten Kühlgeräte steigt.
• Lüfterausfall führt schnell zu Überhitzung: Ein Lüfterausfall führt bei In-Row-Kühlung schnell zu Überhitzung. Im Störfall bestehen kaum thermische Reserven, und ohne Redundanz überhitzen High-Density-Racks innerhalb weniger Minuten. Aus diesem Grund ist eine redundante Auslegung der Kühlung von entscheidender Bedeutung.
• Überkühlung: In-Row-Kühlgeräte ohne Inverter-Technologie können zudem zu einer Überkühlung führen, da keine dynamische Anpassung der Kühlleistung an die tatsächliche Wärmelast möglich ist. Drehzahlgeregelte Kompressoren und Lüfter, wie sie bei modernen EC-Systemen Standard sind, verhindern dieses Problem zuverlässig.
• Leckagerisiko an der IT: Ein weiterer Nachteil ist das Leckagerisiko an der IT. Da die In-Row-Kühlung häufig flüssigkeitsbasiert arbeitet, verlaufen wasserführende Leitungen direkt neben den Servern. Tropfen oder Leckagen können dadurch schnell zu Beschädigungen an der empfindlichen IT-Hardware führen. Leckagesensoren und ein durchdachtes Kondensatmanagement sind daher unverzichtbare Bestandteile jeder In-Row-Kühlinstallation. Systeme, die mit minimaler Kältemittelmenge arbeiten, etwa wassergekühlte DX-Systeme mit integriertem Plattenkondensator, reduzieren dieses Risiko zusätzlich.

Wann wird eine In-Row-Kühlung verwendet?

Eine In-Row-Kühlung wird zur Serverkühlung verwendet, wenn eine hohe Leistungsdichte ohne Bodenkühlung vorgesehen ist. 

In-Row-Kühlung wird vor allem bei hoher Leistungsdichte eingesetzt. High-Density-Szenarien erfordern eine hohe Kühlleistung von mehr als 20 kW pro Rack. Moderne IT-Infrastrukturen für künstliche Intelligenz, Big Data und High Performance Computing bringen herkömmliche Raumklimatisierungen an ihre Grenzen. Die Reihenkühlung saugt die Warmluft auf kürzestem Weg ab und bewältigt dadurch extreme Wärmelasten. 

Die In-Row-Kühlung wird häufig in Räumen ohne Doppelboden verwendet. Die Kühler blasen die Kühlluft horizontal direkt vor die Server, sodass kein aufwendiger Doppelboden zur Luftverteilung benötigt wird.

Reihenkühlung eignet sich hervorragend für modulare Rechenzentren und Edge Computing. In Containern und dezentralen Edge Datacentern ist der verfügbare Platz stark begrenzt. Kompakte In-Row-Kühler sind für begrenzte Platzverhältnisse ideal, da ihre Kühlleistung passgenau an die spezifische IT-Last anpassbar ist.

In-Row-Kühlung ist perfekt für einen schrittweisen Ausbau und Pay-as-you-grow-Anwendungen geeignet. Reihenkühlung bietet höchste Skalierbarkeit. Bei neuen Racks wird einfach ein neues Kühlgerät hinzugefügt. DX-Systeme mit Direktverdampfung und externem Kompressor sowie CW-Systeme mit Anschluss an ein bestehendes Kaltwassernetz lassen sich flexibel integrieren.

In-Row-Kühlsysteme werden häufig mit Gangeinhausungen kombiniert, um das volle Effizienzpotenzial auszuschöpfen. Durch die konsequente Trennung von Zu- und Abluft wird Delta T maximiert sowie der Energiebedarf der Ventilatoren und Kältemaschinen gesenkt. Die Kombination aus In-Row-Kühlung und Gangeinhausung trägt maßgeblich zur Optimierung des PUE-Werts des gesamten Rechenzentrums bei.

Was kostet die In-Row-Kühlung?

Die Kosten der In-Row-Kühlung sind abhängig davon, ob es sich um DX-Kompressorkühlung oder CW-Kühlung handelt, welches Zubehör notwendig ist und wie hoch der Wartungsaufwand ausfällt.

Bei CW-Systemen, also Chilled-Water-Systemen, sind die Anschaffungskosten geringer, da die Geräte keinen eigenen Kompressor benötigen. Neue Modelle liegen häufig zwischen 4.000 und 8.000 Euro. CW-Systeme lohnen sich insbesondere dann, wenn bereits ein Kaltwassernetz im Rechenzentrum vorhanden ist, um die Kühlgeräte anzuschließen.

DX-Systeme (auch genannt Direct Expansion Systeme oder Direktverdampfung) arbeiten mit Kältemittel, das direkt im In-Row-Gerät integriert ist. Die reinen Hardwarekosten liegen häufig bei über 10.000 Euro, abhängig von der angestrebten Kühlleistung und dem gewählten Kältesystem. DX-Systeme sind unabhängig von einem zentralen Kaltwassernetz und eignen sich daher besonders für modulare oder dezentrale Rechenzentren. 

Hybride Freikühlsysteme mit integrierter dynamischer Regelung liegen preislich in der Regel höher, amortisieren sich aber durch deutlich niedrigere Betriebskosten, da die energieintensive Kompressorkühlung in kühlen Monaten ganz oder teilweise entfällt.

Notwendiges Zubehör wie Rückkühler, Rohrleitungen und Einhausungen stellt einen wichtigen Kostenfaktor bei der Anschaffung der In-Row-Kühlung dar. DX-Systeme erfordern einen Kondensator auf dem Dach oder an der Fassade. In-Rack-Systeme benötigen Kältemittelleitungen, Kondensatleitungen sowie Leckagesensoren. Kalt- und Warmgangeinhausungen sind für den effizienten Betrieb der Racks empfehlenswert und sind im Budget zu berücksichtigen.

Die Installationskosten für eine In-Row-Kühlung umfassen spezialisierte Kältetechniker sowie die Einbindung in Brandmeldeanlage und Gebäudeleittechnik als initiale Projektkosten. Diese Posten variieren je nach Komplexität des Projekts und der bestehenden Infrastruktur.

Wartung und Betriebskosten sind als laufende Ausgaben einzuplanen. Gesetzliche Prüfungen nach der europäischen F-Gase-Verordnung, regelmäßige Dichtheitsprüfungen und professionelle Wartungsverträge sind erforderlich, um einen zuverlässigen und rechtskonformen Betrieb sicherzustellen. Systeme mit minimaler Kältemittelmenge, wie zum Beispiel wassergekühlte DX-Systeme, bieten den Vorteil eines umweltfreundlicheren Betriebs mit reduzierten Treibhausgasemissionen.

Alternativen zur In-Row-Kühlung

Alternativen zur In-Row-Kühlung sind CRAC- und CRAH-Einheiten, Rear-Door-Kühlung und Direct-to-Chip Liquid Cooling in Kombination mit Kalt- und Warmgangeinhausungen.

CRAC- und CRAH Einheiten zur Raumkühlung sind die klassische Alternative zur In-Row-Kühlung. Dabei werden Präzisionsklimageräte an den Rändern des Raums aufgestellt oder Kaltluft über einen Doppelboden verteilt. CRAC- und CRAH Einheiten eignen sich vor allem für Rechenzentren mit moderater und gleichmäßiger Leistungsdichte, stoßen aber bei High-Density-Anwendungen an ihre Grenzen.

Rear-Door-Kühlung ist eine gängige Alternative zur In-Row-Kühlung, bei der Wärmetauscher direkt als hintere Tür an die Serverschränke montiert werden. Die erwärmte Serverabluft strömt beim Austritt direkt durch den Wärmetauscher und wird so unmittelbar am Rack gekühlt. Dieses Verfahren bietet eine sehr hohe Kühleffizienz pro Rack, erfordert aber ebenfalls eine Kaltwasserversorgung.

Direct-to-Chip (DTC) Liquid Cooling bietet mit der Flüssigkeitskühlung eine effektive Alternative zur In-Row-Kühlung. Die DTC Kühlung bringt Kühlplatten mit Kühlflüssigkeit direkt an CPU und GPU. Dieses Verfahren ist insbesondere für extrem hohe Leistungsdichten geeignet, wie sie bei modernen KI-Beschleunigern auftreten.

Kalt- und Warmgangeinhausungen von SCS FACO sind eine wirkungsvolle Ergänzung zu allen genannten Kühlkonzepten und steigern die Effizienz der Klimatisierung erheblich. Durch den modularen Aufbau und die individuelle Anpassbarkeit lassen sich die Einhausungen von SCS FACO flexibel in bestehende und neue Rechenzentrumsumgebungen integrieren. Die konsequente Trennung von Zu- und Abluft, die durch eine professionelle Gangeinhausung erreicht wird, ist eine der wirksamsten Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs und zur Optimierung des PUE-Werts im Rechenzentrum. Unabhängig davon, ob eine In-Row-Kühlung, eine Raumkühlung oder ein hybrides Konzept zum Einsatz kommt, unterstützt eine hochwertige Gangeinhausung einen energieeffizienten und zuverlässigen Rechenzentrumsbetrieb.