Computer Room Air Conditioning (CRAC)

Was ist Computer Room Air Conditioning (CRAC)?

Eine Anlage für Computer Room Air Conditioning (CRAC) ist ein System, das die Temperatur, Luftverteilung und Luftfeuchtigkeit in einem Rechenzentrum, Netzwerk oder Serverraum überwacht und aufrechterhält. CRAC-Geräte ersetzen die früher zur Kühlung von Rechenzentren verwendeten Klimaanlagen (AC). Im Vergleich dazu verfügen CRAC-Systeme über bessere Luftfilterung, bessere Feuchtigkeitsregelungsmechanismen und einen höheren Luftdurchsatz als herkömmliche Klimaanlagen.

CRAC-Geräte, die zu den Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) gehören, tragen dazu bei, niedrige Luftfeuchtigkeit und die Bildung von Wasserdampf zu verhindern. Niedrige Luftfeuchtigkeit kann zu statischer Aufladung führen, die elektrostatische Entladungen (ESD, Electrostatic Discharge) verursachen kann, welche die Elektronik in Computergeräten beschädigen können. Bei falscher Konfiguration wird Wasserdampfbildung begünstigt, die Kurzschlüsse verursachen und Geräte korrodieren lassen kann. CRAC-Geräte sind in der Regel effizienter als Klimaanlagen und für mittlere bis große Rechenzentren ausgelegt. Es ist jedoch ratsam, tragbare Klimageräte für den Fall eines Ausfalls des CRAC-Systems oder für geplante Downtime bereitzuhalten.

CRAC-Systeme nutzen einen geschlossenen mechanischen Kühlkreislauf: Warme Luft wird über eine mit Kältemittel gefüllte Kühlschlange geleitet, wobei die Wärme entzogen wird. Das Kältemittel wird anschließend durch einen Kompressor abgekühlt und der Zyklus beginnt von vorn.

Überschüssige Wärme wird als Luft, Wasser oder eine Glykolmischung abgegeben. Ältere CRAC-Systeme können nur ein- und ausgeschaltet werden, während neuere Geräte verschiedene Luftstromvarianten ermöglichen und eine höhere Energieeffizienz und Kühlleistung aufweisen.

CRAC-Geräte leiten die gekühlte Luft in einen Doppelboden. Durch perforierte Platten gelangt die Kaltluft gezielt in die Kaltgänge, wo sie von den Servern angesaugt und als Warmluft hinten aus den Racks wieder abgegeben wird. Anschließend wird die Warmluft zurück zum CRAC geführt, erneut gekühlt und der Kreislauf geschlossen.

Diese Methode ist energieeffizienter als die ungerichtete Raumkühlung und reduziert Hotspots. Allerdings muss die Luftführung gut geplant sein, um eine Luftvermischung (Bypass/Luftkurzschluss) zu vermeiden.

Komponenten einer CRAC-Einheit

CRAC-Einheiten umfassen die folgenden Komponenten:

• Kältemittel: Chemische Substanzen (zum Beipiel R-134a oder R-410A), die in einem geschlossenen Kreislauf Wärme durch Verdampfung und Kondensation transportieren.
• Kühlschlangen (Verdampferspulen): Rohrleitungen, in denen das Kältemittel verdampft und dabei Wärme aus der vorbeiströmenden Luft aufnimmt.
• Kompressor: Verdichtet das gasförmige Kältemittel und erhöht dessen Temperatur für den Kondensationsprozess.
• Kondensatorspulen: Wärmetauscher, in denen das heiße Kältemittel Wärme an die Umgebung abgibt und verflüssigt wird.
• Expansionsventil: Reduziert den Druck des Kältemittels vor dem Eintritt in die Verdampferspule.
• Luftfilter: Fangen Staub und Partikel aus der Luft ab, um die Luftqualität zu erhalten.
• Elektronisch kommutierte Lüfter (EC-Lüfter): Energieeffiziente Ventilatoren mit stufenloser Drehzahlregelung für eine optimale Luftströmung.
• Befeuchter: Erhöhen bei Bedarf die Luftfeuchtigkeit (meist durch Dampf- oder Ultraschalltechnik) auf den optimalen Bereich von 40–60 Prozent relative Luftfeuchtigkeit.
• Entfeuchter: Nutzen den Kühlprozess der CRAC-Einheit, um die Luft unter den Taupunkt zu kühlen. Dabei kondensiert die überschüssige Feuchtigkeit an den kalten Verdampferflächen und wird über ein Drainagesystem abgeleitet.
• Steuerungseinheit: Überwacht und regelt Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Systemleistung und verfügt oft über Fernüberwachungsfunktionen.

Was sind die Unterschiede zwischen CRAC- und CRAH-Geräten?

Computer Room Air Handler (CRAH) sind eine weitere Art von Kühlgeräten für Rechenzentren. Der Hauptunterschied zwischen CRAH- und CRAC-Geräten besteht in der Art und Weise, wie sie ihre Umgebung kühlen. CRAC-Geräte verwenden sowohl Kältemittel als auch Kompressoren, während CRAH-Geräte gekühltes Wasser und Regelventile nutzen.

CRAH-Geräte verwenden Ventilatoren, um Luft über Kühlschlangen zu blasen. Anstelle von Kältemittel sind die Schlangen jedoch mit gekühltem Wasser gefüllt. Warme Luft aus dem Rechenzentrumsraum wird in das CRAH-Gerät zurückgesaugt und strömt über die gekühlten Wasserschlangen. Die Wärme wird aus der Luft an das Wasser abgegeben, das dann zu einem Kühler zurückgeführt wird.

Da CRAH-Geräte keinen Kompressor benötigen, verbrauchen sie weniger Energie und sind effizienter als CRAC-Geräte. Dadurch eignen sie sich besser für nachhaltige Rechenzentren.

CRAC-Geräte sind ideal für Rechenzentren mit einer elektrischen Last von 200 Kilowatt oder weniger. CRAH-Geräte hingegen sind für Rechenzentren mit einer elektrischen Last von 200 Kilowatt oder mehr ausgelegt. CRAH-Geräte eignen sich auch ideal für Umgebungen mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit.

Vor- und Nachteile von CRAC-Systemen

Da die in Rechenzentren üblicherweise verwendeten Geräte viel Wärme erzeugen, ist eine Kühlung unerlässlich, um die richtige Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufrechtzuerhalten. Wie bereits erwähnt, schaffen CRAC-Geräte durch die empfohlene Luftfilterung, Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung sowie Luftströmung ein geeignetes Umfeld für die IT-Geräte. Dadurch werden statische Aufladungen und die Bildung von Wasserdampf minimiert, die beide zu Schäden an der Hardware führen können.

Zu den Herausforderungen zählen die Kosten für ein CRAC-System, beispielsweise für:

• Entwurf, Installation, Test und Wartung
• Verwaltung des Systembetriebs, um sicherzustellen, dass die richtige Betriebsumgebung aufrechterhalten werden kann
• Ressourcen für die regelmäßige Überprüfung der Umgebungsbedingungen, um eine optimale CRAC-Leistung sicherzustellen

Fortschrittliche Technologie für die Kühlung von Rechenzentren

Heutige Rechenzentren profitieren von den zahlreichen Fortschritten im Bereich der Rechenzentrumsumgebung und des Betriebsmanagements. Dazu gehören intelligente Assistenten, die mit KI und maschinellem Lernen (ML) die Anlagen effizient überwachen und Anpassungen an den HLK-Systemen vornehmen, um Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf einem konstanten Niveau zu halten. Ein KI-basiertes HLK-Management der Wärmeabgabe und des Kühlungsbedarfs kann zu Energieeinsparungen führen.

Die Echtzeitüberwachung der Temperatur und Luftfeuchtigkeit kann durch Roboter unterstützt werden, die sich systematisch durch das Rechenzentrum bewegen und die Temperaturen und Luftfeuchtigkeit in den Geräteschränken und Racks erfassen.

Überlegungen zur Planung eines CRAC-Systems

Der Bau oder die Modernisierung eines Rechenzentrums ist eine komplexe Aufgabe. In Bezug auf Heizung und Kühlung sollten die folgenden Schritte Teil des Planungsprozesses sein:

• Überprüfen Sie bestehende Systeme mit dem PUE-Wert, um festzustellen, ob ihre Energieeffizienz für die derzeit installierten und neuen Geräte angemessen ist.
• Bei neuen Rechenzentren müssen die Anforderungen an Heizung und Kühlung bereits in der Planungsphase festgelegt werden.
• Identifizieren Sie Situationen, in denen vorhandene Komponenten wie beispielsweise Thermostate nicht ordnungsgemäß funktionieren.
• Beziehen Sie erfahrene HLK-Ingenieure in die Planung eines neuen Rechenzentrums oder die Modernisierung eines bestehenden Rechenzentrums ein.
• Wenn eine Kaltwasseranlage erforderlich ist, kann der HLK-Ingenieur Sie bei der Auswahl eines geeigneten Standorts beraten.
• Ziehen Sie Anbieter mit Erfahrung im Bereich Rechenzentrumsplanung in Betracht, insbesondere bei der Konfiguration der Unterflurluftführung und der Rohrleitungen für die Wasser- und/oder Kühlmittelzufuhr.
• Die HLK-Anlage sollte skalierbar sein, um Änderungen im Betrieb des Rechenzentrums Rechnung zu tragen.
• Stellen Sie sicher, dass das primäre CRAC-System über geeignete Backups einschließlich Notstromversorgung verfügt, um einen unterbrechungsfreien Betrieb zu gewährleisten.

Hersteller von CRAC-Einheiten

Im Folgenden finden Sie eine Liste von Herstellern von CRAC-Systemen:

• Airedale by Modine
• Daikin
• Green Revolution Cooling
• Hitachi
• Liebert/Vertiv
• Mee Industries
• Mitsubishi Electric
• Nortek Air Solutions
• Rittal
• Schneider Electric
• Silent-Aire
• Stulz

Die Zukunft der Kühlsystemtechnologien für Rechenzentren

Da Rechenzentren immer komplexer und größer werden, müssen HLK-Technologien Schritt halten, um die Leistung von Rechenzentren zu optimieren. Flüssigkeitskühlsysteme mit Wasser oder anderen Kühlmitteln sind heute weit verbreitet. Moderne Alternativen zu CRAC-Systemen umfassen unter anderem Direkt-Flüssigkeitskühlung (Direct-to-Chip Cooling), bei der Wärme effizienter direkt an der Wärmequelle abgeführt wird, sowie Immersionskühlung, bei der IT-Komponenten vollständig in nichtleitende Kühlflüssigkeit eingetaucht werden. Auch Rear Door Heat Exchanger (RDHx)-Systeme, die die warme Abluft direkt an der Rückseite von Server-Racks kühlen, gewinnen an Bedeutung. Diese Technologien bieten höhere Energieeffizienz und eignen sich besonders für Hochleistungsrechenzentren (HPC) und Umgebungen mit hoher Leistungsdichte.

In den kommenden Jahren werden wahrscheinlich neue Kühltechnologien für Rechenzentren auf den Markt kommen. Dazu können geothermische Kühlung und intelligente Technologien gehören, die KI einsetzen, um Kühlungsaktivitäten effizienter und umweltfreundlicher zu überwachen und zu steuern.