Adiabatisch, Kyoto-Rad und Aisle Containment: Grundlagen der Data-Center-Kühlung

Kyoto-Rad, adiabatische Kühlung und Aisle Containment: Eine effiziente Kühlung im Data Center birgt Sparpotenzial bei Energieverbrauch und Kosten.

Zur Kühlung der Infrastruktur in Rechenzentren bestehen inzwischen unterschiedlichste Ansätze. In diesem ersten Teil zu den Grundlagen der Data-Center-Kühlung stellen wir Ihnen Konzepte der Luftkühlung wie das Kyoto-Rad, die Kalt- bzw. Warmgang-Einhausung oder auch die In-Row-Kühlung vor. Der zweite Teil wird sich dann um die indirekte und direkte Wasserkühlung drehen.

Die steigende Nachfrage nach Rechenzentrums-Kapazitäten führt zu einem immer größeren Energiehunger, der wiederum nach besseren Kühloptionen im Data Center verlangt. Gleichzeitig steht natürlich auch immer mehr das Einsparen von Kosten im Vordergrund, so dass im Idealfall ein ausgeglichener Ansatz aus Energieeffizienz, Kostensenkung und optimaler Server-Umgebung verfolgt wird.

Die gestiegene Wärmeleistung in hochverdichteten Serverschränken erreicht dabei langsam aber sicher die Grenzen klassischer Kühlsysteme im Data Center. Demgegenüber stehen neue Kühloptionen, die von hochentwickelten und inzwischen gut erprobten Ansätzen bis hin zu ersten Pilotprojekten reichen. Allen gemeinsam ist das Ziel, die Kühlung im Rechenzentrum zu verbessern und so Energiekosten zu senken.

Neue Konzepte bei Einhausung und Aisle Containment

Die Einhausung (engl. Containment) von Server-Racks ist eine Erweiterung des Warmgang-/Kaltgang-Konzepts. Hierbei schließen Türen oder Plastikvorhänge die Gänge ab, um die Vermischung von Kalt- und warmer Abluft zu vermeiden. Da Kühlsysteme meist sehr viel Energie verbrauchen, sollte sich jeder Data-Center-Betreiber Gedanken über Kalt- oder Warmgang-Einhausung machen, um die Kühlluft nicht unnötig durch die Abluft zu erwärmen. Alleine dadurch besteht bereits ein großes Potenzial für Kosteneinsparungen.

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Die teilweise Einhausung, bei der nur die Enden des Warm- oder Kaltgangs abgeschlossen werden, kann bereits bis zu 80 Prozent so effektiv sein wie das vollständige Aisle Containment, bei dem auch zur Decke hin eine Abtrennung der unterschiedlichen Luftströme vorgenommen wird. Beide Methoden eigenen sich sowohl für neue als auch für bereits existierende Rechenzentren, reduzieren den Energieverbrauch und helfen so, Kosten einzusparen.

Bei bestehenden Serverräumen gilt es aber, den Brandschutz nicht außer Acht zu lassen. Gerade die vollständige Einhausung  kann im Fall der Fälle wasser- oder gasbasierte Löschmittel abblocken, was extrem gefährlich und daher ohne Brandschutzmaßnahmen auch gesetzlich verboten ist. Als Lösung hierfür bieten sich drei Maßnahmen an:

Am offensichtlichsten ist es natürlich, einfach auch innerhalb der Einhausung Sprinkleranlagen zu installieren. Dies dürfte gerade bei neuen Serverräumen die einfachste Lösung sein, da hier der komplette Brandschutz von Anfang an für das gesamte Data Center neu geplant wird. Eine Alternative hierzu sind elektronisch verstellbare Einhausungen, die über einen Rauchmelder automatisch geöffnet werden können. Die dritte Möglichkeit wäre ganz einfach nur die teilweise Einhausung ohne Barriere nach oben, der Wirkungsgrad lässt sich hierbei zum Beispiel durch die schräge statt gerade Zuführung der Kühlluft erhöhen.

Kyoto-Rad und adiabatische Kühlung

Das Kyoto-Rad ist ein großes, langsam rotierendes Kühlrad mit verschiedenen Luftkammern. Durch die Drehung bringt das Kyoto-Rad kühle Außenluft in das Rechenzentrum und befördert gleichzeitig warme Abluft nach draußen.

Kyoto-Räder dienen während der langsamen Rotation als Wärmetauscher zwischen den einzelnen Luftkammern und befördern gleichzeitig nur sehr wenig Außenluft ins Data Center. Da das Kyoto-Rad für die Rotation nur wenig Energie verbraucht und in den meisten Klimazonen ausreichend effizient arbeitet, gilt es unter allen Formen der Freikühlung als eine der effizientesten Methoden.

Adiabatische Kühlung dagegen basiert auf der Kühlleistung durch Wasserverdunstung. Damit ist die adiabatische Kühlung eine sehr energieeffiziente Möglichkeit, Warmluft abzuführen. Wenn Wasser verdunstet wird hierfür Wärme als Energiequelle für den Wechsel des Aggregatszustandes benötigt.

Wenn also in einem warmen und trockenen Klima Wasser auf eine Luftkammer im Freien gesprüht wird und verdunstet, wird die Luftkammer automatisch gekühlt. Wird nun gleichzeitig warme Luft durch diese Kammer geleitet, wird auch diese Luft gekühlt. Die Menge an Wasser, die hierfür benötigt wird, ist meist sehr viel geringer als bei der klassischen Wasserkühlung im Rechenzentrum.

Data-Center-Kühlung rückt immer näher an die Wärmequelle

Bei der In-Row-Kühlung wandert das Kühlsystem direkt in die Reihe der Serverschränke, entweder ganz ans Ende oder sogar zwischen die einzelnen Schränke. Die In-Row-Kühlung liefert die Kühlluft direkt in den Kaltgang und zieht die Abluft aus dem Warmgang, wodurch die warme Abluft kaum zirkuliert und es wenig bis gar keine Vermischung von Warm- und Kühlluft gibt – selbst beispielsweise bei nur einer teilweisen Einhausung. Da die Wege sowohl für Warm- als auch für Kühlluft gering sind, wird auch nur eine im Vergleich zu herkömmlichen Kühlanlagen geringere Energieleistung für die Lüfter und Ventilatoren benötigt.

Manche In-Row-Kühlanlagen bieten auch die Möglichkeit, Richtung und Intensität der Lüfter zu steuern, um die Kühlluft automatisch immer direkt an die derzeit heißeste Wärmequelle zu befördern. Auch dies trägt natürlich zu einem geringeren Energieverbrauch bei. Am häufigsten werden hierbei Sensoren am Serverschrank genutzt, die konstant für verschiedene Regionen am Rack Lufttemperatur und –feuchtigkeit messen.

Einer der größten Nachteile der „In-Row“-Kühlung ist der hierfür benötigte Platzbedarf, für den pro Kühleinheit gut und gerne zwischen 30 bis 70 Zentimeter zwischen den Serverschränken veranschlagt werden müssen. Während die Fläche im Serverraum normalerweise von herkömmlichen Kühlsystemen kaum beeinflusst wird, unterbricht die In-Row-Kühlung also die Serverreihe und kann zu enormen Platzeinbußen führen.

Kühleinheiten direkt über den Serverschränken können zudem das reguläre Kühlsystem unterstützen, um bei sehr dichten Serverkonfigurationen im Rack zusätzliche Kühlkapazitäten bereitzustellen. Diese Systeme benötigen allerdings über den Server-Racks ausreichend Platz, zudem muss deren Einsatz schon beim Design des Rechenzentrums sorgfältig überlegt werden, um andere Infrastruktur oberhalb der Serverschränke nicht zu beeinträchtigen. Diese Kühllösung basiert meist auf spezieller Kühlflüssigkeit, was diese Art der Kühlung besonders effizient macht und zudem keine rare Rechenzentrumsfläche belegt.

Robert McFarlane

Robert McFarlane ist Leiter des Data-Center-Designs bei Shen Milsom und Wilke LLC. Er bringt mehr als 35 Jahre Erfahrung mit sich und ist Experte für Data-Center-Stromversorgung und -Kühlung. Er war Pionier beim Kabel-Design und ist ein Vorstandsmitglied bei ASHRAE TC9.9. McFarlane unterrichtet auch beim Marist College's Institute for Data Center Professionals.

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Artikel wurde zuletzt im April 2015 aktualisiert

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