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Serverkühlung: das Rückgrat der Digitalisierung

Ob im Homeoffice oder beim Streaming: Die weltweite COVID-19-Pandemie und damit verbundene Kontaktbeschränkungen führen zu einer deutlichen Zunahme der privaten und geschäftlichen Nutzung von digitalen Anwendungen. Die Folge ist eine starke Auslastung des gesamten Datennetzwerks. Technologische Entwicklungen wie Cloud-Computing, Big Data oder KI befeuern dabei den Bedarf nach Rechenleistung auch zukünftig. Damit Rechenzentren und Serverräume überhaupt funktionieren, müssen sie rund um die Uhr gekühlt werden. Als Experte auf dem Gebiet erläutert Ingo Gdanitz, Business Development Manager bei der technotrans SE, die Herausforderungen und Potenziale effizienter Serverkühlung.

„Jeder Server braucht Kühlung. Um den hohen Bedürfnissen an Rechenzentrumskapazitäten gerecht zu werden, wächst demnach auch der Kühl- und Energiebedarf stetig an“, erklärt Gdanitz. Das Sassenberger Technologieunternehmen technotrans ist Spezialist für branchenübergreifende Kühl- und Temperierlösungen und rechnet auch nach der Corona-Krise mit einer erhöhten Nachfrage. Die Auswahl eines effizienten Kühlsystems, das auf die individuellen Kundenanforderungen zugeschnitten ist, sei dabei die wichtigste Maßnahme, so Gdanitz.

Serverkühler gibt es in der Branche in sämtlichen Größen und Leistungskategorien, die je nach Wärmelast zum Einsatz kommen. Mittelständische Technologie- und Forschungsunternehmen nutzen vergleichsweise kleine Rechenzentren, die allerdings bereits eine Wärmelast von bis zu 100 kW erzeugen. Bei großen Co-Location-Rechenzentren können sogar Wärmelasten im Megawatt-Bereich entstehen.

Worauf es bei der Serverkühlung ankommt

Gdanitz weist in diesem Zusammenhang besonders auf die Energieeffizienz der Kühltechnik hin: „Fast die Hälfte der Energie, die ein Rechenzentrum insgesamt benötigt, entfällt auf die Kühlung. Dabei können Optimierungsmaßnahmen die Energieeffizienz der Kühlung signifikant verbessern“. Ein noch wichtigerer Punkt ist dabei auch die Zuverlässigkeit der Technologie. Denn für Anwender mit hochsensiblen Daten, die eine 100-prozentige Verfügbarkeit erfordern, wäre ein Ausfall der Kühlung fatal, sodass diesem in jedem Fall vorzubeugen ist. Darüber hinaus ist das Monitoring, speziell für sogenannte Co-Location-Server-Zentren, in denen Server oder deren Infrastruktur vermietet werden, von großer Bedeutung. Grund dafür ist, dass die Betreiber hier oft verpflichtet sind, die Rahmenbedingungen im Serverraum, wie zum Beispiel Lufttemperatur oder Feuchtigkeit, zu dokumentieren. Für den Fall, dass ein Rechenzentrum in mehreren Ausbaustufen geplant wird, ist schließlich auch die Erweiterbarkeit essenziell. Das ermöglicht den nachträglichen Ausbau der Kühlleistung.

„Aus jahrelanger Erfahrung wissen wir heute, dass beim Auslegen der Kühltechnik mehrere Faktoren berücksichtigt und bedarfsgerecht gewichtet werden müssen“, sagt Gdanitz. Hierfür sind einige kundenspezifische Rahmenbedingungen zu beachten:

  • Wärmelast: Die von Servern abgegebene Wärme ist im wesentlich abhängig von der Rechenleistung. Je größer die Rechenleistung, desto höher ist die daraus entstehende Wärmelast. Diese muss von der Kühltechnik aus dem Rechenzentrum abgeführt werden.
  • Klimatische Bedingungen: Die Außentemperatur an den Server-Standorten entscheidet häufig über die Art der Kühltechnik. Während zum Beispiel kühlere bis gemäßigte Klimazonen aufgrund ihrer niedrigen Lufttemperaturen sehr gut für den Einsatz einer energetisch vorteilhaften Freikühlung geeignet sind, gestaltet sich das in wärmeren Regionen Südeuropas deutlich schwieriger.
  • Investitionsbudget: Ziel der Auslegung von Kühltechnik ist es, Anwendern möglichst wirtschaftliche und kosteneffiziente Lösungen anzubieten.
  • Anwender-Modell: Abhängig von den Anforderungen des Anwenders, müssen Serverkühler bestimmte Leistungsansprüche wie Verfügbarkeit oder Erweiterbarkeit erfüllen. Angesichts der zahlreichen unterschiedlichen Modelle ist dieser Faktor besonders wichtig, um die Kühltechnik präzise und bedarfsgerecht auszulegen.

In-Row-Wärmetauscher für den modularen Aufbau

„Für eine klassische Serverkühlung werden häufig Systeme der In-Row-Kühlung eingesetzt, die den Serverraum mit kalter Luft versorgen“, sagt Gdanitz. In-Row-Wärmetauscher werden mit geringem bauseitigem Aufwand direkt zwischen die einzelnen Server-Racks platziert. Sie nehmen die Abwärme der Server auf, geben sie ans Kühlwasser ab und drücken kühle Luft zurück. Ein Beispiel dafür ist der in-row Wärmetauscher für optimierte Kühlung aus der technotrans - Gruppe. Die einzelnen Lüfter einer Kühleinheit sind modular auf- oder abbaubar und können sogar im laufenden Betrieb ausgetauscht werden.

Zuverlässige Kühlung mit aktiver Kaltwassererzeugung

Für die Kühlung ganzer Räume eignen sich Lösungen mit aktiver Kaltwassererzeugung. Kaltwassersätze, oder auch Chiller genannt, sind Kältemaschinen, die mittels eines Flüssigkeitskreislaufs Serverräume aktiv hinunterkühlen. „Dabei nutzen wir die guten thermodynamischen Eigenschaften von wasserbasierten Flüssigkeiten als Wärmeträger, um auch große Wärmemengen wirtschaftlich aus dem Gebäude abführen zu können“, erläutert Gdanitz.

Die Kaltwassererzeuger aus der technotrans - Gruppe sind atmosphärisch geschlossene Systeme, die in mehreren modularen Einheiten parallel betrieben werden können. „Das hat den Vorteil, dass einerseits die Kälteerzeugung erweiterbar ist und andererseits eine hohe Verfügbarkeit aufgrund der redundanten Struktur gewährleistet wird“, sagt Gdanitz. Er rät dazu, den gesamten Kühlleistungsbedarf in kleinere Einheiten aufzuteilen. So könne man beispielsweise vier Einheiten mit je 30% der gesamten Kühlleistung installieren. Sollte eine Einheit ausfallen, sind immer noch 90 Prozent des maximalen Kühlbedarfs verfügbar.

Hohe Energieeffizienz durch freie Kühlung

Die freie Kühlung bei Kaltwassersätzen ist ein erheblicher Faktor zur Reduzierung der Betriebskosten einer Kälteanlage. Sie sind für den Außenbereich der Serverzentren gedacht, wo das warme Wasser ankommt und dessen Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. technotrans setzt dazu auf eine indirekte Freikühlung. „Da wir die Wärmeabfuhr über wasserbasierte Flüssigkeitskühlung praktizieren, ist es möglich, die Freikühlung auch noch nachträglich in das Kühlwassernetz einzubinden“, sagt Gdanitz. Die Freikühlung nutzt die niedrige Außenluft-Temperaturen, um den Zentralkühlkreis zu kühlen. Diese Funktion wird nutzbar bei Außenlufttemperaturen etwas unterhalb der gewünschten Server-Raum Temperatur und übernimmt mit weiter sinkender Außenlufttemperatur immer mehr Anteile der Kompressor-Kälteerzeugung, bis hin zu einer kompletten Abschaltung der Kompressoren.

Durch die Kombination aus aktiver und freier Kühlung lassen sich enorme Energieeinsparungen erzielen und die sogenannte Power Usage Effectiveness (PUE) von Rechenzentren deutlich steigern. Der PUE-Messwert ist der Quotient aus der insgesamt in einem Rechenzentrum verbrauchten Energie und dem Energieeinsatz zum Betrieb der IT-Infrastruktur. Er dient dazu, den Wirkungsgrad eines einzelnen Rechenzentrums über einen bestimmten Zeitraum zu messen. „Im Vergleich zur herkömmlichen Kompressor-Kühlung können bis zu 50 Prozent des Energiebedarfs für die Serverkühlung eingespart werden“, sagt Gdanitz.

In Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Außentemperatur und zulässiger Temperatur im Serverbereich gibt es unterschiedliche Möglichkeiten der Kühlung. Im Optimalfall ist die Außentemperatur niedrig genug, um allein über Freikühlung den Serverbereich hinunter zu kühlen. In den wärmeren Perioden kann eine aktive Flüssigkeitskühlung mit Verdichterkälte nachgeschaltet werden, um auch in dieser Zeit eine zuverlässige Kühlung zu ermöglichen.

Nachhaltige Kühlung von Serverräumen

„Nachhaltigkeit ist für die meisten Anwender ein sehr wichtiger Aspekt. Auch wir möchten zusammen mit unseren Partnern die Technologien der Branche nachhaltig gestalten und legen deshalb einen Entwicklungsschwerpunkt auf die Steigerung von Energieeffizienz“, sagt Gdanitz. Dabei kommt es vor allem auf den Dreiklang der Kühlsysteme an: Konzept, Komponenten und Regelegung. technotrans trägt auf konzeptioneller Ebene, wo immer es klimatisch sinnvoll ist, zu einer höheren Nachhaltigkeit durch den Einsatz von freier Kühlung bei. Alle aktiven Komponenten sind zudem in der Drehzahl anpassbar, um die Kälteerzeugung zu regulieren und unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden.

Die Sassenberger Spezialisten für Anwendungen im Bereich der Flüssigkeiten-Technologie verfolgen dabei einen ganzheitlichen Ansatz. Technotrans liefert nicht nur alle notwendigen Komponenten aus einer Hand, sondern übernimmt auch die komplette Projektierung mit Installation und Inbetriebnahme. Für die unterschiedlichen Projektanforderungen steht eine bewährte Palette an Serverkühlsystemen in diversen Leistungskategorien und Industriestandards zur Verfügung.