Wasserkühlung oder Luftkühlung im Rechenzentrum?

Die Wasserkühlung nutzt die höhere Wärmekapazität von Flüssigkeiten, im Gegensatz zur Luftkühlung, die Luftschläuche zur Kühlung des Rechenzentrums nutzt.

Die Wasserkühlung im Rechenzentrum funktioniert, indem warmes Wasser von den Servern zu einem Rückkühler geleitet wird und das abgekühlte Wasser wieder zurück zu den Servern fließt. 

Die Wasserkühlung gehört neben der Immersionskühlung und der direkten Flüssigkeitskühlung zu den Flüssigkeitskühlungen (Liquid Cooling). Bei der Wasserkühlung wird Wasser als Kühlmittel verwendet. Das Wasser fließt durch Kühlblöcke, die mit Servern und anderen Wärme erzeugenden IT-Geräten verbunden sind. Das von den IT-Komponenten erwärmte Wasser wird zu Wärmetauschern geleitet, wo es abgekühlt und wieder zu den Servern zurückgeführt wird.  

Es gibt 2 Arten von Wasserkühlungen, die sich in ihrer Funktionsweise unterscheiden: Custom Loops und die All-in-one-Kühlung (AiO). 

Eine Custom Loop Wasserkühlung ist eine eigens zusammengestellte Wasserkühlung aus Einzelkomponenten. Ein Custom Loop lässt sich flexibel erweitern und anpassen. 

Eine All-in-one-Kühlung (AiO) ist ein System, das Flüssigkeit zur Kühlung über die CPU und andere Komponenten pumpt und nicht aus Einzelkomponenten selbst zusammengesetzt werden muss.

Die Luftkühlung im Rechenzentrum funktioniert durch luftumwälzende Systeme, die die warme Luft aus der Umgebung ansaugen, kühlen und zu den heißen IT-Komponenten leiten.  

Bei der Luftkühlung im Rechenzentrum wird Luft als Kühlmedium durch Lüfter, Klimaanlagen und Belüftungssysteme genutzt. Die warme Abluft der IT-Geräte wird abgeführt, durch Kühlgeräte gekühlt und wieder zurückgeführt. Die Luftführung erfolgt meistens über einen Doppelboden oder eine Doppeldecke. 

Für eine effiziente Funktionsweise der Luftkühlung werden Lüfter gezielt an den IT-Komponenten positioniert. Bei der Positionierung der Lüfter und der Anordnung der IT-Geräte ist darauf zu achten, dass der Luftstrom nicht blockiert wird. Die Server Racks werden für eine effektive Luftkühlung im Kalt- oder Warmgangsystem angeordnet. Bei einer Anordnung im Kalt- oder Warmgangsystem stehen sich jeweils entweder die Rückseiten oder die Vorderseiten der Server Racks gegenüber. Die warme Abluft der Server und die gekühlte Luft werden voneinander getrennt, was die Kühleffizienz verbessert. 

Die unterschiedliche Funktionsweise von Luftkühlung und Wasserkühlung bringt verschiedene Vor- und Nachteile in Bezug auf Effizienz mit sich.

Ist eine Wasserkühlung oder eine Luftkühlung im Rechenzentrum effizienter?

Ob eine Wasserkühlung oder eine Luftkühlung im Rechenzentrum effizienter ist, hängt von den individuellen Gegebenheiten im Rechenzentrum ab, wobei die Flüssigkeitskühlung derzeit an Bedeutung gewinnt.

Die Wasserkühlung bietet für Rechenzentren mit IT-Racks mit hoher Dichte eine effizientere und effektivere Kühlung als die Luftkühlung. Eine PUE-Analyse der American Society of Mechanical Engineers (ASME) untersuchte ein Rechenzentrum, das von 100 % Luftkühlung auf 25 % Luftkühlung und 75 % Flüssigkeitskühlung umstellte. War die Kühlung zu 75 % aus Flüssigkeitskühlung und zu 25 % aus Luftkühlung zusammengesetzt, sank der Stromverbrauch um 27 % in der untersuchten Anlage. 

Der Leistungsbedarf von Server Racks in Rechenzentren ist in den letzten Jahren von 5-7 kW auf bis zu 50 kW gestiegen. Die Wärmemenge, die von Servern und anderen IT-Geräten erzeugt wird, hat sich proportional dazu erhöht, sodass eine herkömmliche Luftkühlung manchmal nicht ausreicht. Die Wasserkühlung ist effektiver als die Luftkühlung, da Wasser durch seine eng beieinander liegenden Moleküle eine größere Kühlkapazität aufweist.

Vorteile Wasserkühlung vs Vorteile Luftkühlung

Die Vorteile der Luftkühlung sind ihre Langlebigkeit und dass sie flexibler und kostengünstiger ist als die Wasserkühlung. Die Vorteile der Wasserkühlung sind im Wesentlichen ihre hohe Kühlleistung und ihr geräuscharmer Betrieb.

Die Luftkühlung bietet den Vorteil, dass sie durch ihren einfachen Aufbau und geringe Fehleranfälligkeit sehr langlebig ist. In Lüftungseinheiten sind wenige bewegliche Teile verbaut, die anfällig für Defekte sind. Hochwertige Luftkühler halten mindestens 10 Jahre. Der Wartungsaufwand für Luftkühlungssysteme ist insgesamt gering, da keine Flüssigkeiten zirkulieren. 

Die Luftkühlung bringt eine hohe Flexibilität bei Austausch und Wartung mit sich. Eine defekte Komponente der Luftkühlung lässt sich in der Regel problemlos durch ein Ersatzteil austauschen. 

Ein großer Vorteil der Luftkühlung ist, dass ihre Anschaffungskosten geringer sind. Die Luftkühlung ist meistens kostengünstiger als die Wasserkühlung. CPU Lüfter, Lüfter an der Frontseite der Server und ein Lüfter an der Rückseite des Servers kosten etwa 100 Euro. Mobile Split Klimageräte verursachen Kosten zwischen 600 und 2000 Euro. 

Die Wasserkühlung verfügt über eine höhere Kühlleistung als die Luftkühlung, da Wasser eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die höhere Wärmeleitfähigkeit der Wasserkühlung führt dazu, dass die Wärme der IT-Geräte effektiver abgeführt wird als bei der Luftkühlung. Die Temperaturen der IT-Komponenten werden durch die Wasserkühlung schneller gesenkt und das Überhitzungsrisiko minimiert. 

Ein weiterer Vorteil der Wasserkühlung ist ihr geräuscharmer Betrieb. Die Temperatur der IT-Geräte steigt nicht so schnell an, weshalb die Lüfter der IT-Komponenten sich langsamer und daher leiser drehen. Die einzige Geräuschquelle bei der Wasserkühlung ist die Pumpe.

Die Wasserkühlung und die Luftkühlung haben unterschiedliche Stärken und Schwächen. Die wichtigsten Nachteile werden im folgenden Abschnitt erklärt.

Nachteile Wasserkühlung vs Nachteile Luftkühlung

Der größte Nachteil der Wasserkühlung sind die höheren Kosten im Vergleich zur Luftkühlung, wohingegen die Luftkühlung eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist und weniger effektiv bei der Bewältigung hoher Wärmelasten ist.  

Der finanzielle und technische Aufwand für die Anschaffung einer Wasserkühlung ist insgesamt höher als für die Luftkühlung. Eine Wasserkühlung besteht aus komplexen Komponenten wie einer Pumpe und Flüssigkeitsleitungen. Die Installation der Wasserkühlung erfordert mehr technisches Wissen und bringt einen höheren Zeitaufwand mit sich. 

Die Luftkühlung ist weniger wärmeleitfähig als die Wasserkühlung. Wasser leitet die Wärme bei 20 °C ca. 23-mal besser als Luft und weist eine höhere Dichte auf. Die höhere Dichte von Wasser führt dazu, dass Wasser eine höhere Wärmespeicherkapazität hat als Luft. Die Luftkühlung nimmt weniger Wärme auf und transportiert weniger Wärme als die Wasserkühlung.

Die Luftkühlung ist weniger effektiv bei der Bewältigung hoher Wärmelasten, da sie weniger Wärme aufnimmt und transportiert als die Wasserkühlung. Bei hohen Wärmelasten in leistungsdichten IT-Umgebungen stößt die Luftkühlung schnell an ihre Grenzen.   

Ein weiterer Nachteil der Luftkühlung ist die Lautstärke aufgrund der eingesetzten Lüfter. Die Rotation der Ventilatoren der Lüftungsgeräte im Serverraum erzeugt Lärm im Bereich von 70 bis 85 dB(A). Ein Geräuschpegel zwischen 70 bis 85 dB(A) entspricht ungefähr dem Geräuschpegel einer stark befahrenen Straße.  

Die Wasserkühlung und die Luftkühlung sind mit unterschiedlich hohen Kosten verbunden, die im nächsten Abschnitt beschrieben werden.

Wasserkühlung vs Luftkühlung Kosten Vergleich

Die Luftkühlung ist meist kostengünstiger als die Wasserkühlung.

Die Wasserkühlung besteht aus speziellen Komponenten wie Kühlblöcken, Radiatoren, Pumpen und Schläuchen, die teuer in der Anschaffung sind. Die Höhe der Anschaffungskosten für eine Flüssigkeitskühlung mit Wasser hängt vom Modell ab. AiO Lösungen liegen preislich nah an der Luftkühlung und sind weniger wartungsintensiv als speziell angepasste Custom Loops. Eine maßgeschneiderte Custom Loop Wasserkühlung kostet in der Anschaffung wesentlich mehr als ein Luftkühlungssystem.   

Die Luftkühlung ist aus Standardkomponenten zusammengesetzt, beispielsweise Wärmeleitplatten und Kühlkörper, die niedrigere Anschaffungskosten verursachen. Der unkomplizierte und wartungsarme Betrieb der Luftkühlung gewährleistet geringe Wartungskosten. 

Die bessere Energieeffizienz der Wasserkühlung wirkt sich positiv auf die Betriebskosten des Rechenzentrums aus. Wassergekühlte Systeme sind in der Lage, optimale Temperaturen zwischen 20 und 25 °C mit weniger Energie aufrechtzuerhalten als luftgekühlte Systeme. Der geringere Energieverbrauch führt zu niedrigeren Stromkosten. Zu beachten ist, dass die Wasserkühlung neben Strom auch Wasser verbraucht, was zusätzliche Kosten verursacht. 

Die Wartungskosten für die Wasserkühlung sind höher als bei der Luftkühlung. Wasserkühlsysteme sind regelmäßig auf Dichtheit zu überprüfen und Kühlmittel sind regelmäßig auszutauschen. Die Wartungsanforderungen an die Luftkühlung sind vergleichsweise geringer. Die Wartung der Wasserkühlung und der Luftkühlung unterscheidet sich im Aufwand, was im nächsten Abschnitt thematisiert wird.

Wasserkühlung vs Luftkühlung Wartung Vergleich

Die Luftkühlung erfordert weniger Wartung als die Wasserkühlung. 

Die Wasserkühlung ist wartungsintensiver als die Luftkühlung, da sie mehr bewegliche Bauteile und mögliche Fehlerquellen enthält als die Luftkühlung. Bei der Wasserkühlung ist sowohl bei AiO Modellen als auch bei Custom Loops der Kühlmittelstand regelmäßig zu prüfen und gegebenenfalls ist Kühlmittel nachzufüllen.

Das Wasser in den Flüssigkeitsleitungen der Wasserkühlung verdampft mit der Zeit und ist anfällig für Ablagerungen. Daher empfiehlt es sich bei der Wasserkühlung je nach Modell, mindestens einmal im Jahr die Flüssigkeit und die Schläuche zu kontrollieren und gegebenenfalls auszutauschen. 

Im Gegensatz zur Luftkühlung ist bei der Wasserkühlung ein gewisses Leckage Risiko vorhanden. Da die Wasserkühlung über flüssigkeitsführende Leitungen verfügt, führen undichte Stellen schnell zu Kurzschlüssen und Hardwareschäden. 

Ein weiterer Faktor bei der Wartung der Wasserkühlung ist die Pumpe. Die Pumpe bewegt die Flüssigkeit durch die Leitungen. Bei Defekten oder einem kompletten Ausfall leitet die Pumpe das Wasser nicht mehr durch die Schläuche und die IT-Komponenten überhitzen. 

Die Wartung bei der Luftkühlung ist einfacher als bei der Wasserkühlung. An Lüftungsanlagen sammelt sich Staub, der lokal entfernbar ist, ohne das gesamte System in Mitleidenschaft zu ziehen. Lüftungseinheiten lassen sich mit Druckluft und Pinsel leicht reinigen.

Luftkühler verfügen über weniger empfindliche Bauteile und sind daher weniger fehleranfällig. Bei defekten Einzelkomponenten ist nicht immer eine komplette Erneuerung des Systems notwendig. Die einzelnen Bauteile, die nicht mehr funktionieren, lassen sich in der Regel leicht austauschen.  

Die Wartung wirkt sich auf die Nachhaltigkeit aus, da wartungsintensive Systeme einen höheren Ressourcenaufwand fordern. Im nächsten Abschnitt wird die Frage geklärt, ob eine Wasserkühlung oder eine Luftkühlung nachhaltiger ist. 

Ist eine Wasserkühlung oder Luftkühlung nachhaltiger?

Eine Luftkühlung ist in Bezug auf Langlebigkeit sowie Wartungs- und Installationsaufwand nachhaltiger als eine Wasserkühlung.

Die Wasserkühlung ist effizienter als eine Luftkühlung, was sich positiv auf die Nachhaltigkeit auswirkt. Insbesondere bei Serverräumen und Rechenzentren mit hoher Leistungsdichte ist die Wasserkühlung in Bezug auf Energieeffizienz eine nachhaltige Option.

In der Herstellung und Entsorgung ist die Luftkühlung nachhaltiger. Die Luftkühlung besteht aus Metallkomponenten und weniger Einzelteilen. Systeme zur Luftkühlung sind leichter zu recyclen, da keine Pumpen und Flüssigkeitsleitungen verbaut sind. 

Die Wasserkühlung erfordert einen höheren Ressourcen- und Energieeinsatz in der Herstellung. Ein wasserkühlendes System umfasst komplexe Komponenten wie Kühlblöcke und Pumpen, die mehr Materialien in der Herstellung beinhalten und sich schwieriger entsorgen lassen. 

Die Luftkühlung verbraucht lediglich Strom durch die Lüftereinheiten. Die Wasserkühlung verbraucht durch die Pumpe und die Lüfter an den IT-Geräten Strom, hält die Hardware aber bei hoher Last lange effizient kühl.

Fazit: Wann sollten sich Rechenzentren für eine Wasserkühlung oder Luftkühlung entscheiden?

Rechenzentren sollten sich für eine Wasserkühlung entscheiden, wenn das Rechenzentrum eine sehr hohe Leistungsdichte aufweist. Für eine Luftkühlung sollten sich Rechenzentren entscheiden, wenn sie eine wartungsarme und kostengünstige Lösung zur Kühlung suchen.

Die Wasserkühlung ist für Rechenzentren die bessere Option, wenn eine hohe Kühlleistung benötigt wird und der höhere technische und zeitliche Aufwand für das RZ umsetzbar ist. Insbesondere für Rechenzentren mit hoher Leistungsdichte eignet sich die Wasserkühlung, da sie hohe Wärmelasten > 15 kW pro Rack bewältigt. 

Eine Luftkühlung für Rechenzentren bietet sich an, wenn eine wartungsarme, einfach installierbare und kostengünstige Kühllösung gesucht wird.

Die Luftkühlung verursacht geringere Anschaffungs- und Installationskosten als die Wasserkühlung. Für die Luftkühlung ist kein komplexes Rohrleitungssystem notwendig. Die Komponenten von Lüftungseinheiten sind standardisiert und leicht austauschbar. 

Ob eine Wasserkühlung oder eine Luftkühlung besser ist, hängt von der Leistungsdichte des Rechenzentrums, der angestrebten Nachhaltigkeit und dem technischen Know-how zur Wartung ab. 

Eine Wasserkühlung verfügt über eine höhere Kühlleistung als eine Luftkühlung, verursacht dafür höhere Kosten und erfordert höheres technisches Know-how und mehr Zeit zur Wartung. Eine Luftkühlung hat eine geringere Kühlleistung als eine Wasserkühlung, ist in der Regel kostengünstiger in der Anschaffung und ist weniger wartungsintensiv.