Klimatisierung im Rechenzentrum

Warum ist die Klimatisierung im Rechenzentrum so wichtig?

Klimatisierung im Rechenzentrum ist wichtig, um ein optimales Klima für eine funktionale und sichere IT Umgebung mit Temperaturen zwischen 18°C und 27 °C und einer Luftfeuchtigkeit zwischen 40 und 60 % herzustellen.

Die Klimatisierung im Rechenzentrum trägt dazu bei, optimale Temperaturen zwischen 18 und 27 °C sicherzustellen. Diese Temperaturwerte orientieren sich an etablierten Empfehlungen, wie sie beispielsweise in Richtlinien der ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) beschrieben werden. Das Ziel besteht darin, dass die Maximaltemperatur von 27 °C im Betrieb nicht überschritten wird und die IT-Geräte stabil und planbar arbeiten.

Stabile Temperaturen im Optimalbereich sind wichtig für die Betriebssicherheit im Rechenzentrum. Bei Temperaturen unter 18 °C sind die Kühlkosten für das Rechenzentrum unnötig hoch, weil zusätzliche Kälteleistung bereitgestellt wird, die für den sicheren Betrieb nicht erforderlich ist. Durch kältere Luft steigt die relative Luftfeuchtigkeit, wodurch das Risiko für Kondensation zunimmt. Temperaturen von über 27 °C im Rechenzentrum erhöhen das Überhitzungsrisiko für IT-Hardware, insbesondere in hoch verdichteten Rackreihen oder bei unzureichender Luftführung.

Eine effektive Klimatisierung im Rechenzentrum hilft dabei, die Luftfeuchtigkeit zwischen 40 und 60  % stabil zu halten. Liegt die relative Luftfeuchtigkeit unter 40 %, steigt das Risiko elektrostatischer Entladungen (ESD). Elektrostatische Entladungen führen schlimmstenfalls zur dauerhaften Beschädigung von Bauteilen und zu instabilem Verhalten von IT-Systemen. Eine Luftfeuchtigkeit von über 60 % begünstigt Korrosion, Schimmelbildung und erhöht das Risiko für Kurzschlüsse.

Die Klimatisierung im Rechenzentrum ist wichtig für die Betriebssicherheit. Konstante Temperaturen durch präzise Klimatisierung minimieren die Brandgefahr, die von überhitzten Netzteilen und anderen IT Komponenten ausgeht. 

Die Klimatisierung im Rechenzentrum wirkt sich auf die Performance der IT Geräte aus. CPUs und GPUs altern physisch schneller bei dauerhaft zu hohen Temperaturen > 27 °C und sind anfälliger für Beschädigungen. Zu hohe Temperaturen führen zu Thermal Throttling, also einer automatischen Leistungsdrosselung, die sich unmittelbar in Performance Einbußen niederschlägt.

Eine fachgerecht umgesetzte Rechenzentrumskühlung trägt dazu bei, die Lebensdauer von IT-Komponenten zu maximieren. Durch eine ausreichende Kühlung wird die Hardware nicht permanent nahe an thermischen Belastungsgrenzen betrieben.

Die Rechenzentrums Klimatisierung trägt zu einer optimalen Energieeffizienz der IT-Geräte und zur Verringerung der Betriebskosten bei. Die IT-Geräte arbeiten bei guter Kühlung im Rechenzentrum auch unter moderaten Lüfterdrehzahlen optimal. Dadurch wird der Energieverbrauch von IT-Geräten gesenkt und Geräuschentwicklung minimiert. Die Wahl einer geeigneten Kühlmethode sowie eine präzise Luftführung ist daher entscheidend, um eine hohe Gesamteffizienz zu erreichen.

Wie wird ein Rechenzentrum gekühlt?

Ein Rechenzentrum wird über Luft umwälzende Systeme, zum Beispiel Umluftklimageräte (ULK) oder Kühlgeräte (CRAC/CRAH), sowie Flüssigkeitskühlung für die Hardware gekühlt.

Die Wärmeabfuhr in Rechenzentren erfolgt häufig über Umluftklimageräte (ULK) beziehungsweise Kühlgeräte (CRAC/CRAH). Dabei wird Luft im Raum geführt, abgekühlt und so zu den IT-Systemen gebracht, dass diese zuverlässig mit kühler Zuluft versorgt werden. Bei steigenden Rackdichten gewinnen flüssigkeitsbasierte Ansätze an Bedeutung, weil Flüssigkeiten Wärme effizienter transportieren als Luft und dadurch höhere Leistungsdichten möglich werden.

In den nächsten Abschnitten beschreiben wir die wichtigsten Kühlmethoden für Rechenzentren.

Freie Außenkühlung (Free Cooling)

Freie Außenkühlung nutzt kühle Außenluft indirekt über einen Wärmetauscher, um die im Rechenzentrum zirkulierenden Kreisläufe abzukühlen. 

Der Vorteil der freien Außenkühlung besteht darin, dass bei niedrigen Außentemperaturen energieintensive Kompressoren teilweise oder vollständig entfallen. Dadurch ist Free Cooling eine vergleichsweise umweltfreundliche Methode und insbesondere in gemäßigten Klimazonen attraktiv, in denen über das Jahr hinweg häufig ausreichend niedrige Außenlufttemperaturen zur Verfügung stehen. In Rechenzentren wird freie Kühlung oft so eingebunden, dass sie je nach Wetterlage einen größeren Teil der Jahreskühlleistung abdeckt und die mechanische Kälteerzeugung nur bei Bedarf zuschaltet.

CRAC/CRAH Kühlgeräte

Umluftkühlgeräte (ULK) werden international häufig als CRAC oder CRAH bezeichnet und sind eine häufige Kühlmethode für Rechenzentren.

CRAC-Geräte (Computer Room Air Conditioner) funktionieren wie klassische Klimaanlagen mit Kompressor und Kältemittel und erzeugen Kälte direkt im Gerät. CRAH-Geräte (Computer Room Air Handler) nutzen typischerweise gekühltes Wasser als Medium und geben die Kälte über Wärmetauscher an die Luft ab. In Rechenzentren werden solche Kühlgeräte häufig so platziert, dass sie eine wirksame Luftumwälzung ermöglichen, beispielsweise im Doppelboden oder entlang von Wänden.

Flüssigkeitskühlung (Direct-to-Chip)

Bei der Flüssigkeitskühlung (Direct-to-Chip) werden wassergekühlte Kühlkörper direkt auf IT Komponenten wie CPUs oder GPUs montiert.

Da Flüssigkeiten Wärme deutlich effizienter abführen als Luft, lassen sich mit der Flüssigkeitskühlung höhere Leistungsdichten realisieren. Die Flüssigkeitskühlung ist insbesondere für High Performance Computing (HPC) und für stark verdichtete KI-Workloads geeignet. Die Abwärme wird direkt an der Entstehungsquelle aufgenommen. Dadurch lassen sich gegebenenfalls die Anforderungen an die reine Luftkühlung im Raum reduzieren.

Immersionskühlung

Bei der Immersionskühlung wird die gesamte Hardware in eine spezielle, elektrisch nicht leitende Flüssigkeit eingetaucht.

Die Flüssigkeit nimmt die Abwärme direkt von den IT-Komponenten auf, was eine sehr effiziente Wärmeübertragung ermöglicht. Die Immersionskühlung ist bei extrem hohen Wärmelasten durch die effiziente Wärmeübertragung besonders leistungsfähig. Ein Nachteil der Immersionskühlung ist, dass sie eine sorgfältige System- und Betriebsplanung erfordert. Der Grund hierfür ist, dass sie den Aufbau und Wartungsprozesse im Vergleich zu klassischer Luftkühlung deutlich verändert.

Adiabate Kühlung (Verdunstungskühlung)

Adiabate Kühlung, auch Verdunstungskühlung genannt, nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdunsten von Wasser Verdampfungswärme entzogen wird und sich dadurch die Luft abkühlt.

Bei der adiabaten Kühlung wird Wasser in den Abluftstrom gesprüht oder über Verdunstungsmatten geführt, sodass die Luft vor der Zufuhr zu den IT-Geräten abgekühlt wird. Häufig wird adiabate Kühlung als Ergänzung zur freien Kühlung eingesetzt, um die Dauer effizienter Betriebszustände zu verlängern und die mechanische Kälteerzeugung weiter zu reduzieren, sofern die Rahmenbedingungen dies zulassen.

Wie funktioniert die Klimatechnik in einem Rechenzentrum?

Die Klimatechnik in einem Rechenzentrum funktioniert in einem Zusammenspiel aus Kältebereitstellung, Luftführung und Wärmetausch mithilfe von Klimaanlagen, ergänzt durch freie Außenkühlung sowie Warm- und Kaltgangeinhausungen.

Zur Luftführung im Rechenzentrum werden Kalt- und Warmgangeinhausungen eingesetzt. Im Kaltgang stehen die Rack Vorderseiten einander gegenüber. Die gekühlte Luft wird über den Doppelboden oder geeignete Zuluftführungen in den Kaltgang eingebracht. Der Gang zwischen den Rack Vorderseiten wird eingehaust, um die kühle Zuluft gezielt bei den Lufteinlässen der Server zu halten. Beim Warmgang stehen die Rack Rückseiten einander gegenüber. Die entstehende Abwärme wird über den Warmgang in die Doppeldecke abgeführt. Die physische Barriere zwischen kalter Zuluft und warmer Abluft trägt dazu bei, die Klimatisierung im Rechenzentrum wirksamer zu machen.

Der Wärmetausch in Rechenzentren erfolgt in der Regel über Klimaanlagen. Warme Abluft wird von CRAC/CRAH-Einheiten angesaugt, im Gerät über einen Wärmetauscher abgekühlt und anschließend wieder als gekühlte Luft in den Kaltbereich eingeblasen.

Die Ableitung der Wärme nach Draußen funktioniert über ein Rohrsystem. Die Wärme der Luft wird entweder auf ein Kältemittel (bei kompressorbasierten Systemen) oder auf gekühltes Wasser (bei wasserbasierten Systemen) übertragen. Das erwärmte Medium wird über Rohrsysteme zu Außeneinheiten, beispielsweise auf dem Dach, geführt. Dort wird die Wärme an die Außenluft abgegeben. Kompressoren arbeiten strombetrieben. Bei freier Kühlung wird die kühle Außenluft genutzt, um das Medium zu kühlen und den Bedarf an aktiver Kälteerzeugung zu senken. 

Worauf sollte man bei der Klimatisierung im Rechenzentrum achten?

Bei der Klimatisierung im Rechenzentrum sollte man auf eine effektive Trennung zwischen Kalt- und Warmluft durch gezielte Luftführung sowie Monitoring achten.

Die konsequente Trennung von Kalt- und Warmbereichen verhindert Luftkurzschlüsse. Bei Luftkurzschlüssen entweicht entweder die kalte Luft ungenutzt oder die warme Abluft wird von den Servern erneut angesaugt. Ein Luftkurzschluss führt zu Hotspots und zwingt Kühlsysteme dazu, mehr Energie aufzuwenden, um ein stabiles Temperaturniveau herzustellen. Eine Einhausung unterstützt eine gezielte Luftführung, stabilisiert Temperaturprofile und verbessert damit die Effizienz der Klimageräte, weil die Kälte dort wirkt, wo sie benötigt wird.

Monitoring ist bei der Klimatisierung im Rechenzentrum unbedingt zu beachten. Monitoring ist erforderlich, um Abweichungen im Betrieb der IT-Infrastruktur frühzeitig zu erkennen. Dazu werden Sensoren in oder an Racks eingesetzt, um Hotspots zu identifizieren, bevor sie zu Ausfällen oder Leistungsproblemen führen. Ein häufig genutzter Indikator ist die Überwachung des Delta T, also der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf, beziehungsweise zwischen Zuluft- und Abluftseite. Ein geringes Delta-T von unter 10 °C deutet darauf hin, dass Luftführung oder Luftmengen nicht optimal sind, zum Beispiel weil sich warme und kalte Luft vermischen oder zu viel Bypass Strömung entsteht.

Die Optimierung der Betriebstemperatur ist ein wichtiger Aspekt der Klimatisierung im Rechenzentrum. Unter optimalen Bedingungen sind Zulufttemperaturen bis 27 °C in vielen Umgebungen möglich und helfen, Kühlenergie zu reduzieren. Jedes Grad, um das die Solltemperatur angehoben wird, spart etwa 2 bis 4 % Kühlenergie ein. So wird die freie Kühlung länger im Jahr nutzbar gemacht, weil der Temperaturunterschied zur Außenluft häufiger ausreicht.

Bei der Klimatisierung im Rechenzentrum ist auf das Feuchtigkeitsmanagement zu achten. Zu feuchte Luft > 60 % Luftfeuchte erhöht das Kondensationsrisiko. Die Überwachung des Taupunkts hilft, Kondensation zu vermeiden. Dauerhaft zu trockene Luft mit einer Luftfeuchtigkeit < 40 % erhöht das Risiko elektrostatischer Entladung. Sensoren zur Messung der Luftfeuchtigkeit unterstützen ein effektives Monitoring im Rechenzentrum. Ein stabiles Zusammenspiel aus Temperatur, Luftführung und Feuchte ist die Grundlage für eine robuste, effiziente Rechenzentrumskühlung.

Luftführungssysteme für Rechenzentren von SCS FACO

SCS FACO bietet anpassbare Luftführungssysteme in Form von Kalt- und Warmgangeinhausungen, die individuell an das jeweilige Rechenzentrum anpassbar sind.

SCS FACO Luftführungssysteme unterstützen stabile Temperaturen und eine effizientere Klimatisierung im Rechenzentrum, insbesondere in Rechenzentrumsumgebungen mit steigenden Leistungsdichten, die eine präzise Luftstromführung erfordern.

Unsere Luftführungssysteme für Rechenzentren sorgen für eine kontrollierte Luftstromführung, damit sich Kalt- und Warmluft nicht vermischen und die vorhandene Kälteleistung effizient nutzbar ist. Eine sauber geplante Einhausung reduziert typische klimatechnische Probleme wie Hotspots und Bypass Luft, unterstützt gleichmäßigere Temperaturverteilungen und schafft klare Zonen, in denen Zuluft und Abluft getrennt geführt werden. Da Kühltechnik und Luftwege besser zusammenarbeiten und die Klimatisierung im Rechenzentrum weniger gegen ungünstige Strömungseffekte anregelt, lässt sich die Energieeffizienz des Rechenzentrums gezielt verbessern. 

Kaltgangeinhausungen von SCS FACO werden mit CAC Dachsystemen umgesetzt, unter anderem mit transparenten Dachelementen aus Exolon. Der modulare Aufbau ist so konzipiert, dass sich die Lösung flexibel an individuelle Anforderungen im Rechenzentrum anpassen lässt, beispielsweise bei sich ändernden Rackreihen, Zugangssituationen oder baulichen Randbedingungen. Ziel ist es, die kalte Luft im Kaltgang zu halten und gezielt zu den Servern zu führen, sodass eine gleichmäßige Luftverteilung erreicht und die Entstehung von Hotspots reduziert wird.

Warmgangeinhausungen von SCS FACO werden in HAC Kaminbauweise realisiert und sind passend zu gängigen Server Rack Systemen modular aufgebaut. Durch die konsequente Einhausung des Warmgangs wird die warme Abluft gezielt abgeführt, ohne dass sie sich mit der Kaltluft vermischt. Das unterstützt eine klare thermische Trennung im Raum und erleichtert es, die Warmluft zuverlässig zu den Rückführungen der Klimageräte zu leiten.