Rechenzentrumsklimatisierung

Serverschränke in einem Rechenzentrumzum Vergrößern anklicken
Rechenzentren sind das Rückgrat der Digitalisierung. Die Kühlung sollte klimafreundlich erfolgen.
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  • Blauer Engel für Rechenzentren

    Rechenzentren können seit 2011 mit dem Umweltzeichen Blauer Engel ausgezeichnet werden. Ab 2020 können nun auch Co-Location-Rechenzentren ihre gute Umweltbilanz durch den Blauen Engel bestätigen lassen. Rechenzentren, die ihren Betrieb ab dem 01.01.2013 aufgenommen haben, dürfen für eine erfolgreiche Beantragung des Umweltzeichens nur halogenfreie (natürliche) Kältemittel einsetzen. weiterlesen

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Rechenzentren werden durch das rasant zunehmende Datenvolumen und die Nachfrage nach zentraler Rechenleistung immer zahlreicher und leistungsfähiger. Server, Speichergeräte und Netzwerkkomponenten benötigen Strom. Die entstehende Wärme muss mittels Klimaanlage abgeführt werden. Klimafreundlich geht das mit natürlichen Kältemitteln und, soweit es die Außentemperaturen zulassen, mit freier Kühlung.

Grundsätzlich können zwei Typen der Serverkühlung unterschieden werden: die Luftkühlung und die Flüssigkühlung.

Luftkühlung

Bei der Luftkühlung wird ausreichend kühle Luft, meist über einen Doppelboden, vor die Server geleitet, von den Serverventilatoren angesaugt und als warme Abluft an der Rückseite der Server bzw. Serverschränke (Racks) ausgeblasen. Die Luftführung ist dabei aus Effizienzgründen beispielsweise durch Einhausung so zu gestalten, dass sich kalte und warme Luft nicht vermischen oder es gar zu Luftkurzschlüssen kommt.  Da die Zuluft für ein einwandfreies Funktionieren der Server nicht kühler als 28 °C sein muss, kann über die meiste Zeit des Jahres mittels Außenluft frei gekühlt werden.  Hierfür gibt es unterschiedliche Konzepte, wie zum Beispiel die direkte oder indirekte freie Kühlung. Bei letzterer gibt der interne Luftstrom im Rechenzentrum mittels Wärmeübertrager die Abwärme an die Außenluft ab. Dieses Konzept hat den Vorteil, dass lediglich Energie für den Lufttransport durch Ventilatoren benötigt wird, eine Kältemaschine wird (zunächst) nicht benötigt.

Für den Fall, dass die Zulufttemperatur im Rechenzentrum niedriger eingestellt ist, zum Beispiel auf 26 °C, kann auch dann mit indirekter freier Kühlung auf den Einsatz von Kältemaschinen für die meisten Tage im Jahr verzichtet werden.  Steigt die Außenlufttemperatur auf Werte über ca. 22 °C, müssen weitere Maßnahmen ergriffen werden, um die Zuluftwerte auf maximal 26 °C zu begrenzen. Dies lässt sich mit der adiabaten Verdunstungskühlung erreichen, mit der die Außenluft um bis zu 14 Kelvin abgekühlt werden kann. 26 °C Zulufttemperatur sind somit bis 40 °C Außentemperatur erreichbar. Bei der adiabaten Verdunstungskühlung wird angesaugte Zuluft über einen mit Wasser besprühten Wärmeübertrager abgekühlt, welche dann indirekt im Gegenstrom die Umluft aus dem Rechenzentrum kühlt. Durch die indirekte Kühlung wird die Luft im Rechenzentrum nicht befeuchtet, sondern die befeuchtete Außenluft wieder nach draußen befördert.

Lässt man für wenige Stunden im Jahr auch Zulufttemperaturen von mehr als 26 °C zu, kann die Kühlung des Rechenzentrums ganzjährig mittels freier Kühlung in Kombination mit Verdunstungskühlung ohne den Einsatz von Kältemaschinen gewährleistet werden. Lediglich zur Kühlung der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und der dafür benötigten Batterien, die eine Temperatur von 20 °C benötigen, sind Kältemaschinen erforderlich. Da hier eher kleinere Kälteleistungen benötigt werden, bieten sich Flüssigkeitskühler (Kaltwassersätze) mit dem Kältemittel Propan (R290) als klimafreundliche Alternative zu Kältemaschinen mit teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) an.

Luftkühlung mit Kältemaschine

Soll auch an sehr heißen Tagen die Zulufttemperatur von 26 °C zu keinem Zeitpunkt überschritten werden, muss auf maschinelle Kälteerzeugung zurückgegriffen werden, wenn auch nur für verhältnismäßig wenige Stunden im Jahr. Auf Lösungen mit klimaschädlichen HFKW kann jedoch auch hier verzichtet werden:

Bis zu einem Leistungsbereich von ca. 800 Kilowatt (kW) Kälteleistung sind Kaltwassersätze mit dem Kältemittel R290 verfügbar. Ab ca. 600 kW Kälteleistung sind Ammoniakkältemaschinen wirtschaftlich interessant. Der Vorlauf von etwa 20 °C aus diesen Maschinen nimmt die Serverabwärme aus der Abluft in sogenannten Präzisionsklimageräten (Computer Room Air Conditioning (CRAC)) über einen Wärmeübertrager auf. Dadurch sind Kältekreislauf mit dem darin zirkulierenden Kältemittel und IT-Räume getrennt und nur durch den Kälteträger Wasser miteinander verbunden, so dass selbst bei einer Havarie kein Kältemittel mit den Servern in Kontakt treten kann.

Klimafreundliche Optimierung von luftgekühlten Rechenzentren

In einer Studie der Ecofys GmbH im Auftrag des Umweltbundesamtes konnte gezeigt werden, dass in luftgekühlten Rechenzentren mittels Energieeffizienzmaßnahmen, wie Anhebung der Zulufttemperatur auf 26 °C, kanalisierte Luftführung und Abwärmenutzung, sowie dem Einsatz von gebäudenaher Photovoltaik und natürlichen Kältemitteln die durch die Klimatisierung verursachten Treibhausgasemissionen in erheblichem Umfang vermieden werden konnten. Gegenüber einem Referenzrechenzentrum mit energieeffizienter Klimatisierungstechnik belief sich die Emissionsreduktion bei einem mittelgroßen Rechenzentrum mit 30 kW IT-Leistung auf bis zu 80 %, bei einem großen Rechenzentrum mit 9.000 kW IT-Leistung auf bis zu 68 %.

HFKW phase-down und Verfügbarkeit von Kältemitteln

Gemäß F-Gas-Verordnung (Verordnung (EU) Nr. 517/2014) wird die Verfügbarkeit der HFKW-Kältemittel mit hohem Treibhauspotential, welche auch in Kältemaschinen für die Rechenzentrumsklimatisierung überwiegend eingesetzt werden, aktuell deutlich eingeschränkt. Verglichen mit der HFKW-Ausgangsmenge (Referenzmenge) des Jahres 2015 wird, gemessen in CO2-Äquivalenten, die verfügbare Menge auf dem europäischen Markt stufenweise auf 21 % bis zum Jahr 2030 abgesenkt. Dieser als HFKW phase-down bezeichnete Verknappungsprozess bedeutet, dass bereits heute die Verfügbarkeit der in Rechenzentren üblichen HFKW-Kältemittel R134a, R407C und R410A auch für Wartung und Reparatur von Kälte- und Klimaanlagen nur eingeschränkt gewährleistet ist, insbesondere dann, wenn aufgrund einer Havarie kurzfristig größere Mengen Kältemittel benötigt werden. Das hat entsprechende Konsequenzen für die Ausfallsicherheit und damit Verfügbarkeit von Rechenzentren. Vor der Ausrüstung neuer Rechenzentren mit HFKW-Kältemaschinen ist daher aus Gründen der von vielen Rechenzentrumsbetreibern geforderten Hochverfügbarkeit dringend abzuraten. Daher ist auch aus diesem Grund der Einsatz von Kältemaschinen mit natürlichen Kältemitteln, welche keiner Verknappung unterliegen, sinnvoll.

Flüssigkühlung

Im Gegensatz zur Luftkühlung wird bei der Flüssigkühlung die Abwärme überwiegend direkt von den relevanten Komponenten der Server wie beispielsweise dem Prozessor (CPU) und dem Grafik-Chip (GPU) abgeführt. Üblich ist die Verwendung von Wasser, was sehr umweltverträglich ist. In diesem Fall spricht man auch von Warmwasserkühlung, da die Vorlauftemperatur hier 45 bis 50 °C beträgt. Der Rücklauf von 55 bis 60 °C kann über ein Rückkühlwerk (z.B. ein Hybridrückkühler) gegen die Außenluft gekühlt werden, eine Kältemaschine ist auch hier nicht erforderlich. Anstatt die Wärme an die Umgebung abzugeben, kann diese auch zum Heizen oder die Warmwasserbereitung anliegender Büroräume genutzt werden. Für die Einspeisung in ein Fern- bzw. Nahwärmenetz muss zusätzlich eine Wärmpumpe für ein ausreichendes Temperaturniveau sorgen, da solche Netze in der Regel mit Vorlauftemperaturen von 70 °C bis 130 °C betrieben werden. Weil ein Teil der Wärme auch an die Raumluft im Rechenzentrum abgegeben wird, muss auch diese gekühlt werden, allerdings in viel geringerem Umfang als bei einer reinen Luftkühlung.

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 Klimatisierung  Rechenzentren  natürliche Kältemittel  green IT