Rechenzentrum Kühlung: Methoden & Worauf achten?

Wie wird ein Rechenzentrum gekühlt?

Ein Rechenzentrum wird gekühlt, indem Luft umwälzende Systeme die Wärme im Rechenzentrum oder Serverraum aufnehmen und die warme Abluft z.B. von einer Klimaanlage angesogen und wieder abgekühlt wird. 

Es gibt verschiedene Kühlsysteme für Rechenzentren, u.a. freie Luftkühlung, Kühlung mit Klimaanlage, Adiabate Kühlung und  Immersionskühlung. Kalt- und Warmgangeinhausungen optimieren die Kühlung und tragen zu einer effizienten Umgebung im Serverraum bzw. im Rechenzentrum bei.

Freie Luftkühlung

Eine freie Luftkühlung ist ein kostengünstiges Kühlsystem, das die Außenluft zur Kühlung eines Gebäudes nutzt, ohne zusätzlichen Energieaufwand durch z.B. Wärmepumpen. Die freie Kühlung reduziert die Laufzeit der mechanischen Kühlung, wodurch sich Energiekosten einsparen lassen. Ein großer Nachteil der freien Kühlung ist, dass ihre Effizienz von den Außentemperaturen und der Luftfeuchtigkeit abhängt. Ist es beispielsweise sehr heiß draußen, strömt statt der gewünschten kalten Luft warme Luft in den Serverraum hinein. Die warme Luft erhöht das Überhitzungsrisiko der IT-Geräte und verringert ihre Effizienz.    

Kühlung mit Klimaanlage

Bei der Kühlung eines Rechenzentrums mit einer Klimaanlage gibt es einen geschlossenen Kältekreislauf, der die Temperatur durch den Transport von Wärmeenergie regelt und mittels eines Kältemittels funktioniert. Klimaanlagen benötigen durch die Verwendung des Kältemittels und Komponenten wie z.B. Ventilator, Kompressor etc. vergleichsweise viel Strom.

Adiabate Kühlung

Die adiabate Kühlung (auch Verdunstungskühlung genannt) ist eine natürliche Alternative zu Klimaanlagen im Rechenzentrum und beruht auf dem Prinzip der Wasserverdunstung, wodurch die Luft mithilfe von Wasser als Kältemittel heruntergekühlt wird. Die adiabate Kühlung ist eine nachhaltige und energieeffiziente Kühlmethode und verbraucht nur etwa 10% der Energie, die eine durchschnittliche Klimaanlage braucht. Der Hauptnachteil einer adiabaten Kühlung ist, dass die Kühlleistung von der Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Raum abhängt, da beispielsweise bei feuchter Raumluft nur wenig Feuchtigkeit verdunstet und daher die adiabate Kühlung nicht effizient arbeitet. Ein weiterer Nachteil der adiabaten Kühlung ist, dass die Luftfeuchtigkeit im Raum steigt und sie deswegen nur in Räumen mit Belüftung einsetzbar ist.

Immersionskühlung - Tauchkühlung

Die Immersionskühlung oder Tauchkühlung ist ein Kühlungssystem für IT-Hardware, bei dem die IT-Geräte in eine dielektrische Flüssigkeit (z.B. Mineralöl) getaucht werden, die thermisch leitfähig ist und somit einen kühlenden Effekt hat. Die Immersionskühlung hat den Vorteil, dass sie bis zu 99% weniger elektrische Energie verbraucht als eine Kühlung mit Klima-oder Kühlgeräten. Der Nachteil der Immersionskühlung ist, dass zu ihrer Integration in ein bestehendes Rechenzentrum i.d.R. aufwändige Umbaumaßnahmen anfallen.  Bestehende Luft- oder Wasserkühlungssysteme sind mit der Immersionskühlung inkompatibel, da die Wärme nicht mehr über die Luft, sondern an die dielektrische Flüssigkeit abgegeben wird und somit neue Pumpensysteme anstatt Lüfter erforderlich werden.

Rechenzentrum mit Warmgangeinhausungen

Ein Rechenzentrum mit Warmgangeinhausung (auch Hot Aisle Containment) weist eine optimierte Kühlung auf, da sie die warme Abluft der IT-Geräte in die Einhausung einschließt und von der kalten Luft im Serverraum bzw. Rechenzentrum trennt. Insbesondere für ein Rechenzentrum mit vielen wärme erzeugenden Servern ist ein Warmgangsystem etwas effizienter als ein Kaltgangsystem, weil Warmgangsysteme die Abwärme gezielt für Wärmerückgewinnung nutzen und die Kälteerzeugung effizienter funktioniert.

Rechenzentrum mit Kaltgangeinhausungen

Ein Rechenzentrum mit Kaltgangeinhausungen (auch Cold Aisle Containment) trennt gekühlte und warme Abluft, wobei die gekühlte Luft in der Kaltgangeinhausung eingeschlossen wird. Der Vorteil ist, dass die Kaltgangeinhausung im Vergleich zur Warmgangeinhausung die etwas kostengünstigere Option ist, da der bauliche Aufwand geringer ist.

Worauf sollte man bei der Kühlung eines Rechenzentrums achten?

Bei der Kühlung eines Rechenzentrums sollte man darauf achten, dass die gewünschte Verfügbarkeitsklasse nach BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik) sowie die Energieeffizienz der IT-Geräte und der technischen Anlagen gewährleistet ist. 

Die Kühlung eines Rechenzentrums spielt zur Gewährleistung einer bestimmten Verfügbarkeitsklasse eine zentrale Rolle. Die Kühlung stellt sicher, dass die Temperatur auf einem stabilen Niveau gehalten wird, sodass das Ausfallrisiko aufgrund von Überhitzung oder anderen raumklimatisch bedingten Sicherheitsrisiken minimiert wird. Die 5 Verfügbarkeitsklassen nach BSI beschreiben die Zuverlässigkeit einer IT-Infrastruktur im Rechenzentrum. Eine hohe Verfügbarkeitsklasse bedeutet, dass die Ausfallzeit des Systems pro Jahr sehr gering ist. Verfügbarkeitsklasse 4 bietet z.B. eine Verfügbarkeit von 99,999% und eine maximale Ausfallzeit von 6 Minuten pro Jahr. Verfügbarkeitsklasse 5 ist die höchste Verfügbarkeitsklasse und besitzt eine garantierte Verfügbarkeit ohne Ausfallzeiten.

Die angestrebte Energieeffizienz hat großen Einfluss auf die Planung der Rechenzentrum Kühlung. Entscheidet man sich für ein bestimmtes Kühlungssystem, ist zu überprüfen, ob die gewünschte Energieeffizienz damit umsetzbar ist. Insbesondere bei der Verwendung von Kältemittel gibt es verschiedene Optionen, die sich in ihrer Nachhaltigkeit unterscheiden. Z.B. sind HFKW (Hydrofluorcarbon)-Kältemittel laut Umweltbundesamt bis zu mehrere Tausend Mal schädlicher als CO2. Die EU schränkt die Verfügbarkeit von HFKW-Kältemitteln bis 2030 ein.

Die Verfügbarkeitsklasse des Rechenzentrums und seine angestrebte Energieeffizienz wirken sich auf die Wahl des jeweiligen Kühlungssystems aus und bestimmen ggf. die Dimensionierung der Klima- oder Kühlgeräte. Das Kühlsystem hat eine entsprechende Leistung aufzuweisen, um eine bestimmte Anzahl an Servern zu kühlen und dazu beizutragen, die gewünschte Verfügbarkeitsklasse sicherzustellen. Die Kühlung macht daher einen sehr großen Teil der Energiekosten eines Rechenzentrums aus. Eine ineffiziente Kühlung verringert die Gesamteffizienz des Rechenzentrums in erheblichem Maß.

Es gibt verschiedene Faktoren, die dazu beitragen, dass sich die Kühlung in Rechenzentren verbessert und effizienter arbeitet.

Wie lässt sich die Kühlung in Rechenzentren verbessern?

Die Kühlung in Rechenzentren lässt sich verbessern, indem das Luftstrommanagement effizient gestaltet wird. Ziel einer effektiven Kühlung im Rechenzentrum ist es, optimale Bedingungen mit Temperaturen zwischen 18° und 27° sicherzustellen. 

Eine effiziente Luftführung ist so beschaffen, dass die kalte Zuluft von den Servern angesogen und die warme Abluft ohne Vermischung der beiden Luftströme abgeführt wird. Um das Luftstrommanagement zu unterstützen, eignen sich am besten Kalt- und Warmgangeinhausungen, da sie eine strikte physische Trennung von kalter und warmer Luft vornehmen.

Im Rechenzentrum ist für eine effiziente Kühlung und Lüftung sogenannte Bypass-Luft zu vermeiden. Bypass-Luft ist ein gekühlter Luftstrom, der für IT-Geräte im Rechenzentrum vorgesehen ist, aber an diesen vorbei strömt und in andere Bereiche des Rechenzentrums gelangt. D.h., die gekühlte Luft kommt nicht da an, wo sie gebraucht wird, sondern gelangt zurück in die Kühleinheit, ohne durch die IT-Geräte zu strömen. Kalt- und Warmgangeinhausungen sind ein wirkungsvolles Instrument, um Bypass-Luftströme zu verringern. Eliminieren lassen sich Bypass-Luftströme nur, wenn die Luftmenge insgesamt abnimmt oder die IT-Geräte eine größere Luftmenge benötigen und somit mehr Luft ansaugen.  

Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Kühlung in Rechenzentren ist der Einsatz smarter und mit künstlicher Intelligenz (KI) gesteuerter Regelungstechniken im Rahmen des Data Center Infrastructure Managements (DCIM). Sensoren in Racks messen beispielsweise die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur, sodass eine Steuereinheit die Klimaanlage auf Grundlage der Messungen je nach Bedarf hoch oder runter regelt. Mithilfe von KI-Systemen lassen sich Luftströme und Temperaturen in Echtzeit analysieren und prognostizieren. So ist z.B. eine automatische Anpassung der Lüfterdrehzahl möglich.

SCS FACO ist ein etablierter Anbieter von Kalt- und Warmgangeinhausungen, die das Luftstrommanagement im Rechenzentrum optimieren und sich durch ihren modularen Aufbau flexibel in bestehende Räumlichkeiten integrieren lassen.