Kaltgang/Warmgang

Was sind Warm- und Kaltgänge?

Warm- und Kaltgänge im Rechenzentrum sind Teil einer energieeffizienten Anordnung von Server-Racks und anderen Computergeräten. Das Ziel einer Warm-/Kaltgangkonfiguration ist es, den Luftstrom so zu steuern, dass Energie gespart und die Kühlkosten gesenkt werden.

Grundlagen der Warm- und Kaltgangtrennung in Rechenzentren

Ein Schlüsselelement bei der Gestaltung von Warm- und Kaltgängen ist oft ein Einhausungssystem, das Warm- und Kaltgänge voneinander trennt und verhindert, dass sich warme und kalte Luft vermischen. In seiner einfachsten Form umfasst die Gestaltung von Rechenzentren mit Warm- und Kaltgängen die Anordnung von Server-Racks in abwechselnden Reihen, wobei die Kaltluftzufuhr in die eine Richtung und die Warmluftabfuhr in die andere Richtung erfolgt.

Die Reihen, die zu den Rack-Vorderseiten zeigen, werden als Kaltgänge bezeichnet. In der Regel sind die Kaltgänge den Auslasskanälen der Klimaanlagen zugewandt und die kalte Luft zirkuliert durch perforierte Bodenplatten, die in einem erhöhten Doppelboden zwischen den Racks angebracht sind. Die Reihen, in die die erwärmte Abluft strömt, werden als Warmgänge bezeichnet. In der Regel sind die Warmgänge den Rückluftkanälen der Klimaanlagen zugewandt. Nachdem die kalte Luft durch die Geräteracks strömt, erwärmt sie sich und tritt an der Rückseite der Racks wieder aus. Diese erwärmte Abluft bildet die Warmgänge hinter den Racks.

Containment-Systeme waren ursprünglich physische Barrieren, die die Warm- und Kaltgänge durch Vinylfolien oder Plexiglasabdeckungen voneinander trennten. Heute bieten Anbieter Plenumräume und andere kommerzielle Optionen an, die Containment mit variablen Lüfterantrieben kombinieren, um eine Vermischung von kalter und warmer Luft zu verhindern. Moderne Containment-Systeme verfügen oft über intelligente Temperatur-/Luftstromregelungen mit Sensorik und KI-gestützten Systemen.

Die Bedeutung der Verwendung von Warm- und Kaltgängen

Der Hauptgrund für die Konfiguration von Rechenzentren mit Warm- und Kaltgängen ist die Steuerung des Luftstroms im Rechenzentrum, um Energie zu sparen und die Energieeffizienz zu verbessern. Rechenzentren, die nicht mit Warm- und Kaltgängen nachgerüstet wurden, verbrauchen wahrscheinlich mehr Energie.

Angesichts der gestiegenen Energiekosten in den letzten Jahren sollten Rechenzentrumsmanager erwägen, ihre alten Rack-Konfigurationen durch Warm- und Kaltgang-Anordnungen zu ersetzen. Diese Anordnungen tragen dazu bei, kalte Luft in einem Bereich zu isolieren. Dadurch wird die Möglichkeit verhindert oder zumindest minimiert, dass sich die kalte Luft mit wärmerer Luft aus anderen Bereichen des Rechenzentrums vermischt. Auf diese Weise wird die Kühleffizienz verbessert und die Bildung von Bypass-Luftströmen und Hotspots an den Geräten verhindert. Dies trägt zu einem energieeffizienteren Rechenzentrum mit höherer Kühlleistung und kontrollierten Kühlkosten bei.

Energieeffizientere Rechenzentren wirken sich nicht nur auf die Kosten auf, sondern sind auch entscheidend im Hinblick auf in der EU herrschende Rechte und Vorschriften wie die Energy Efficiency Directive (EED) oder die Ökodesign-Verordnung. In Deutschland weist DIN EN 50600 für die Planung und den Betrieb von Rechenzentren eine Trennung von Kalt- und Warmluft an und empfiehlt Warm-/Kaltgang-Containment.

Ältere Rechenzentren im Vergleich zu Warm- und Kaltgängen

Geräte-Racks in Rechenzentren dienen zur Sicherung von Servern, Kommunikationsgeräten, Stromversorgungen und Lüftungsanlagen. In der Regel verfügen Rechenzentren über Kühlaggregate, die für einen optimalen Luftstrom strategisch positioniert sein sollten.

Layout eines älteren Rechenzentrums

Eine herkömmliche Rechenzentrumskonfiguration ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Wärme von den Vorderseiten der Server wird als Abluft durch die Lüfter des Kühlsystems abgeleitet. Sie gelangt dann in den nächsten Gang, wo sie durch das nächsten Rack weiter erwärmt wird, bevor sie in den nächsten Gang gelangt und weiter erwärmt wird. Bei einer solchen Anordnung wird die Umgebungstemperatur jedes Gangs etwas wärmer und das Kühlsystem muss mehr leisten, um die Luft im Computerraum auf der richtigen Temperatur zu halten.

Anordnung der Warm- und Kaltgänge

Wenn die Racks hingegen so gruppiert sind, dass sich die Heiz- und Kühlseiten abwechseln, entstehen Warm- und Kaltgänge, wie in Abbildung 2 dargestellt. Diese Anordnung erzeugt weniger Wärme in den Warmgängen, sodass das Klimatisierungssystem weniger arbeiten muss. In den Kaltluftgängen wird die Luft zurück zu den Kaltluftrückführungen geleitet, sodass die Temperaturen niedrig bleiben. Diese Anordnung sorgt für eine effizientere Luftführung und Kühlung.

Implementierung der Warm- und Kaltgang-Einhausung

In modernen Rechenzentren gilt das Warm-/Kaltgang-System als Standardanordnung. Bei dieser Anordnung werden die Serverschränke in der Regel gegenüber voneinander aufgestellt. Die kalte Luft wird durch perforierte Teile im Boden nach oben geleitet, strömt durch die Racks und tritt dann an der Rückseite dieser Racks wieder aus.

Der einfachste Weg zur Implementierung eines Warm- und Kaltgang-Einhausungssystems ist die Bezugnahme auf die Norm ANSI/TIA-942-C (Stand Mai 2024). Diese weltweit anerkannte Norm für Infrastrukturen legt die Mindestanforderungen für Rechenzentren fest, einschließlich der Anforderungen an den Standort, die Architektur, die Topologien, das Design, die physische Sicherheit und die Kühlsysteme.

TIA-942-C empfiehlt den Einsatz von Kühlgeräten und einem Doppelbodensystem, um den Luftstrom zu verbessern und die im Rechenzentrum erzeugte Wärme zu reduzieren. Außerdem wird angeraten, Warm- und Kaltgänge mit perforierten Fliesen im Doppelboden der Kaltgänge zu realisieren. Der Standard gibt eine empfohlene Breite der Kaltgänge von 1,2 Metern an, um die Kühleffizienz zu optimieren. In Deutschland wird TIA-942-C meist in Kombination mit DIN EN 50600 angewandt.

Bewährte Verfahren für die Implementierung einer Warm-/Kaltgang-Einhausung

Die folgenden vier Best Practices sollten bei der Implementierung einer Warm- und Kaltganganordnung beachtet werden:

• Heben Sie den Boden um circa 40 Zentimeter an, damit die Klimaanlagen die Luft durch diesen Raum drücken können.
• Verwenden Sie Rack-Gitter mit einer Luftdurchsatzleistung von 600 CFM (Cubic Feet per Minute).
• Platzieren Sie Geräte mit seitlichen oder oberen Abluftöffnungen in einem eigenen Bereich des Rechenzentrums.
• Installieren Sie automatische Türen im Rechenzentrum.

Zusätzlich zu diesen Richtlinien müssen bei der Planung des Layouts im Rechenzentrum die Investitionskosten sorgfältig abgewogen werden. Dies gilt für alle größeren Änderungen an einem Rechenzentrum. Für ein Rechenzentrum mit weniger Servern ist ein Kaltgang-Einhausungssystem möglicherweise die geeignetere und kostengünstigere Option. Für ein Rechenzentrum mit vielen wärmeentwickelnden Servern ist jedoch ein Warmgang-System möglicherweise besser geeignet, da es eine bessere Kühleffizienz als ein Kaltgang-System bietet. Allerdings ist ein Warmgang-System in der Regel die kostspieligere Option.

Außerdem sollten Erweiterungen von Rechenzentren mit Warm- und Kaltgängen als Teil einer umfassenden Strategie für umweltfreundliche Rechenzentren geplant werden. Ein umweltfreundlicher Ansatz optimiert die Energieeffizienz des Rechenzentrums und minimiert dessen Auswirkungen auf die Umwelt. Warm- und Kaltgänge spielen bei der Umsetzung dieses Ansatzes eine wichtige Rolle.

Umstellung auf Warm-/Kaltgänge

Beim Bau eines neuen Rechenzentrums können Warm- und Kaltgänge von Anfang an in die Rechenzentrumsplanung einbezogen werden. Bei der Umrüstung eines älteren Rechenzentrums auf eine moderne Warm- und Kaltganganordnung ist der Prozess komplizierter.

Planer sollten eine Kosten-Nutzen-Analyse durchführen, um zu ermitteln, ob die Investition ausreichende Einsparungen und eine ausreichende Kapitalrendite bringt. Zu den zu berücksichtigenden Faktoren gehören:

• Beauftragung von Rechenzentrumsarchitekten und spezialisierten Umwelt- und Energieingenieuren
• Kosten für den Umzug von Geräte-Racks und die Neukonfiguration von Gängen
• Kosten für die Neukonfiguration der Verlegung von Elektrokabeln und Stromverteilungseinheiten
• Änderungen oder Austausch von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen
• Systemausfallzeiten während der Verlagerung von Geräten und Racks
• Arbeitskosten für die Durchführung

Vor- und Nachteile der Warm- und Kaltgang-Einhausung

Rechenzentren mit einem Warm-/Kaltgang-System sind in der Regel energieeffizienter als solche ohne. Das System steuert den Luftstrom und minimiert Überhitzung, wodurch die Kühlkosten gesenkt und Geräte und Komponenten vor hitzebedingten Ausfällen geschützt werden. Durch den Einsatz eines Kaltgang-Einhausungssystems können die Kosten weiter gesenkt werden.

Allerdings ist das Warm- und Kaltgangsystem nicht perfekt. Kaltluft und Warmluft können sich aufgrund von Luftlecks im Rechenzentrum vermischen. Solche Lecks sind in der Regel auf Konstruktionsfehler zurückzuführen, wie beispielsweise Lücken im Boden. Durch die Anbringung einer physischen Barriere zwischen den Warm- und Kaltgängen können Lecks minimiert, der Luftstrom verbessert und die Kühlkosten unter Kontrolle gehalten werden.