Die richtige Klimatisierung senkt Energiekosten

Mit den steigenden Anforderungen an die Server-Leistung wächst in den Unternehmen auch der Energieverbrauch, den die Klimatisierung von Serverräumen oder Rechenzentren verursacht. Der hohe Strombedarf von Klimaanlagen treibt die Kosten für die IT-Infrastruktur insgesamt in die Höhe. Schon heute übersteigen die Energiekosten für den Betrieb und die Kühlung von Rechnern in vielen Fällen die Anschaffungskosten der Systeme.

Ein Problem für viele Unternehmen ist etwa, dass die Leistungsverdichtung von Rack- oder Blade-Servern auf engem Raum enorme Anforderungen an die Klimatisierung der entsprechenden Räume stellt. So hat sich die Wärmebilanz in Rack-Servern in den vergangenen Jahren dramatisch entwickelt. Laut Analysen von Gartner soll sich die Energieaufnahme eines komplett mit Blade-Servern bestückten Racks von 15 kW im Jahr 2005 auf annähernd 52 kW in 2011 erhöhen. Die durch die Rechensysteme erzeugte Abwärme muss aufwendig abgeleitet und gekühlte Zuluft hingeleitet werden.

Mittelfristig werden die Themen Energieversorgung und Klimatisierung von Server- und Storage-Systemen im Data Center immer wichtiger, prognostizieren Marktforscher. Nach Erhebungen von IDC ist Energie heute schon mit steigender Tendenz der zweitgrößte Kostenfaktor neben dem Wartungs- und Administrationsaufwand bei den Betriebskosten eines Serverraumes. Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken, bieten sich eine Reihe von Infrastrukturmaßnahmen an, die hier beschrieben werden.

Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit in Serverräumen

Der stetige Druck der Rechenzentren, die Serverleistung zu steigern, hat dazu geführt, dass zusätzliche Racks in den Räumen aufgestellt wurden. Dabei haben sich die IT-Abteilungen kaum darüber Gedanken gemacht, welche Auswirkungen die zusätzlichen Server auf das Raumklima haben und damit thermische Prinzipien außer Acht gelassen.

Die Entwicklung hin zu immer größerer Rechnerdichte im Rack wird sich laut Marktanalysen fortsetzen. Die Klimatisierung wird damit zu einem Thema, mit dem sich immer mehr Rechenzentrumsleiter auseinandersetzen müssen. Dabei kann durch eine Reihe einfacher Maßnahmen die Effizienz der Klimatisierung deutlich gesteigert werden. Dazu gehört zum Beispiel das Anheben der Raumtemperatur in den Serverräumen.

Viele Server lassen heute Umgebungstemperaturen von 30 bis 35 Grad Celsius zu, während die Luftansaugtemperatur in den meisten Rechenzentren zwischen 20 und 25 Grad Celsius liegt. Muss die Ansaugluft weniger stark abgekühlt werden, so verringert dies den Energiebedarf der Klimaanlage. Wichtig ist, dass die Erhöhung der Raumtemperatur mit dem Hersteller der betriebenen IT-Hardware abgesprochen und von diesem freigegeben ist, damit Garantieansprüche des Geräts nicht verloren gehen.

Die Erhöhung der Raumtemperatur im Rechenzentrum ist eine einfache und kostengünstige Maßnahme, um Strom zu sparen. Zu beachten ist allerdings auch die Luftfeuchtigkeit: Damit es nicht zu statischen Aufladungen kommt, darf die relative Luftfeuchtigkeit die Marke von 30 Prozent nicht unterschreiten. Zu feucht darf es allerdings auch nicht sein. Mehr als 55 Prozent relative Luftfeuchtigkeit kann zu Korrosion der Geräte und somit zum Ausfall dieser führen.

Klassische Kühlung der Serverräume

Rechenzentren werden heute vorwiegend noch luftgekühlt. In der Regel werden die IT-Komponenten so in Racks eingebaut, dass sie an der Vorderseite kühle Luft aus dem Raum ansaugen und warme Luft an der Rückseite ausblasen. Mit dieser Klimatisierungstechnik sind auch Blade-Server kühlbar, wenn genügend Kühlluft zur Verfügung steht und der Abtransport der Abwärme aus dem Serverraum gewährleistet ist. Den internen Aufbau der Rack- und Blade-Server haben die Hersteller so optimiert, dass die durchströmende Kaltluft auf einen möglichst geringen Widerstand trifft und somit die Bauteile effizient kühlt.

Die technisch maximale Kühlleistung pro Rack wird begrenzt durch die Fähigkeit des umgebenden Raums, ausreichend Kühlluft zu den Frontseiten der Racks zu bringen und die Warmluft von den Rückseiten abzuführen. Die Warmluft wird dabei aus dem Serverraum zu den meist an der Peripherie der Rechenzentrumsfläche aufgestellten Umluftkühlsystemen zurückgeführt.

Bewährt hat sich in Rechenzentren die Aufstellung der Server-Racks in der Kaltgang-Warmgang-Anordnung mit Doppelboden. Dabei wird die gekühlte Luft von den Umluftkühlaggregaten unter den Doppelboden gepumpt, dort durch Luftführungen verteilt und über gelochte Bodenplatten in die kalten Gänge der Racks geblasen. Mit dieser Anordnung lassen sich maximal 3 bis 5 Kilowatt Kühlleistung pro Serverschrank abführen. In betagten Rechnerräumen liegt dieser Wert aufgrund der räumlichen Gegebenheiten aber oft nur bei 1 bis 2 Kilowatt. Für einen höheren Kühlleistungsbedarf reicht die herangeführte Kühlluftmenge nicht mehr aus.

Ein häufig auftretendes Problem dieser Klimatisierung ist, dass Warmluft über die Schränke hinweg auf die kalte Seite zurückgelangt. So kann die Lufttemperatur im oberen Bereich der Serverschränke unzulässig hohe Temperaturwerte erreichen und es zu sogenannten Wärmenestern kommen.

Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, wird oft die Ausblastemperatur der „Kaltluft“ auf niedrigere Werte eingestellt. Damit wird zwar die Temperatur im oberen Bereich der Schränke abgesenkt, jedoch kostet diese Maßnahme enorm viel Energie und ist damit wenig effizient. Zudem ist dabei die relative Luftfeuchtigkeit zu beachten, eventuell ist eine zusätzliche Trocknung der Luft notwendig, da kältere Luft weniger Feuchtigkeit bindet und somit die Gefahr von Wasserniederschlägen in Bodennähe besteht.

Effiziente Serverraumkühlung durch Abschottung

Ein weiterer häufig auftretender Fehler in Serverräumen ist die Erhöhung der Luftmenge durch eine stärkere Ventilation. Ein erhöhter Luftstrom kann zur Folge haben, dass der Luftstrom so schnell ist, dass die kalte Luft nicht aus den perforierten Bodenplatten (hoher Luftwiderstand) nach oben zu den Racks steigt.

Sogar das Gegenteil kann der Fall sein: Der Sog der schnellen Luft im Doppelboden kann warme Luft durch die Bodenöffnungen in den Doppelboden ziehen und damit die Effizienz der Klimaanlage deutlich verschlechtern.

Dieser Missstand lässt sich sehr einfach testen, indem man ein Blatt Papier über die perforierten Platten des Bodens legt. Wird das Papier nach unten gesogen, muss diese Platte geschlossen werden. Ein Server kann an dieser Stelle nicht gekühlt werden.

Kühlaggregate effizient einsetzen

In Umluftkühlgeräten befindet sich ein Wärmetauscher, der von den außerhalb des Gebäudes aufgestellten Kühlaggregaten (Chillern) mit Kaltwasser oder Kühlmittel versorgt wird. Im Kühlaggregat hebt eine Kompressionskältemaschine die Temperatur des Kühlmittels so weit an, dass es mit Umgebungsluft heruntergekühlt werden kann. Selbst in Mitteleuropa muss dies auch bei Außentemperaturen bis zu 40 Grad Celsius gewährleistet sein, was bedeutet, dass das Kühlmedium auf 45 bis 50 Grad Celsius erwärmt werden muss, um eine effektive Wärmeabfuhr zu gewährleisten.

Bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann das Kühlmittel direkt, ohne Einsatz der Kältemaschine, mit der Außenluft heruntergekühlt werden. Dieses Verfahren wird freie Kühlung genannt. Ein Nachteil diese Konzepts: Die Kompressionskältemaschinen benötigen für den Antrieb relativ viel Energie.

Der Energiebedarf ist umso geringer, je höher die Temperatur des Kühlmediums und je niedriger die Außentemperatur ist. Der Wirkungsgrad der Chiller steigt mit jedem Grad Raumtemperatur. Der Energiebedarf wird unter anderem auch durch den Wirkungsgrad der eingesetzten Komponenten bestimmt. So sollten Kompressoren und Elektroantriebe sowie deren Regelung in Bezug auf Energiebedarf überprüft beziehungsweise optimiert werden.

Energie sparen durch Umbaumaßnahmen einer klassischen Serverraumkühlung

Einfache bauliche Maßnahmen wie eine sorgfältige Führung der Kühlluft können bei klassischen Kühllösungen einen deutlichen Effizienzgewinn bringen:

• Räumliche Abtrennung des Warmluftstroms durch eine abgehängte Raumdecke.

• Räumliche Abtrennung des Kaltluftstroms durch einen Doppelboden.

• Räumliche Abtrennung der kalten und warmen Gänge: Die Vermischung der warmen und der kalten Luft im oberen Bereich der Schränke kann erfolgreich durch das Anbringen von seitlichen Wänden in den warmen Gängen vermieden werden.

• Offene Zwischenräume in den Racks, die durch nicht benutzte Slots entstehen, und auch kleine, offene Zwischenräume, die zwischen den einzelnen eingeschobenen Servern vorhanden sein können, sollten mit entsprechenden Blenden verschlossen werden, um ein Ansaugen von Warmluft zu verhindern. Das Gleiche gilt für die Räume zwischen den verschiedenen Racks.

• Lecks im Doppelboden sollten abgedichtet werden. Oft können Löcher im Boden des Rechenzentrums, die zum Beispiel als Kabeldurchgang dienen, das ganze Luftstrommanagement durcheinanderbringen. Diese ungeplanten Bodenöffnungen sind unbedingt zu vermeiden. Das Gleiche gilt für Spalten zwischen einzelnen Bodenplatten.

• Perforierte Doppelbodenplatten sollten so platziert sein, dass alle Serverschränke möglichst die gleiche Kühlluftmenge erhalten.

• Die Größe der Perforation der Doppelbodenplatten muss optimal sein. Dabei spielen zwei Faktoren eine Rolle: die nötige Luftmenge und die Geschwindigkeit der Luft nach dem Austritt aus dem Boden. Ist die Perforation der Platte zu klein, ist die Geschwindigkeit der austretenden Luft so groß, dass sie an den Servern vorbeiströmt, ohne dass diese in ausreichendem Maße gekühlt werden. Ist die Perforation zu groß, sinkt die Luftgeschwindigkeit, und die oberen Server erhalten keine ausreichende Kühlung.

• Die Kabelführung im Doppelboden darf den Luftstrom nicht behindern, weil ansonsten das Gebläse stärker arbeiten muss und entsprechend mehr Energie verbraucht.

• Die Gebläse in den Umluftkühlgeräten sollten über Referenztemperatursensoren im Raum drehzahlgeregelt werden. So kann der Energiebedarf der Luftumwälzung minimiert werden.

Mit der strikten Trennung von Kalt- und Warmluft in Verbindung mit einem gleichmäßigen Druckverhältnis können Rechenzentren eine deutlich höhere Rechnerdichte bei gleichem Energieaufwand verkraften. Pro Rack sind somit bis zu 15 Kilowatt Kühlleistung möglich. Dies vermeidet unter Umständen die Beschaffung von speziellen wassergekühlten Racks.

Direkt gekühlte Server-Racks

Für sehr hohe Kühlleistungen sind heute schon geschlossene, direkt gekühlte Racks auf dem Markt. In solchen Racks ist ein Luft-Wasser-Wärmetauscher integriert, der sich ganz unten im Schrank befindet, um somit jedes Leckagerisiko für die IT-Komponenten auszuschließen.

Das Server-Rack ist luftseitig geschlossen, die Kühlluft wird in einem geschlossenen Kreislauf mit einem festen Temperatursollwert vor die Luftansaugung der IT-Komponenten geführt. Durch eine strikte Trennung der warmen von der kalten Seite ist die Kühllufttemperatur von unten bis oben gleich. Damit wird die Entstehung von Wärmenestern auch bei höchsten Kühlleistungen vermieden.

Durch die strukturierte Führung der Kühlluft, den sehr kurzen Luftweg und die in den Schrank integrierten Lüfter wird eine sehr hohe Kühlleistung erreicht. Diese kann stufenlos geregelt werd, sodass immer genau die Kühlleistung zur Verfügung steht, die gerade gebraucht wird. Mit diesem Konzept ist der Energiebedarf für die Luftumwälzung bereits energieoptimiert, sodass außerhalb der Schränke keine speziellen Maßnahmen erforderlich sind.

Allerdings sollte darauf geachtet werden, dass die innerhalb der Serverschränke befindlichen Kühlsysteme räumlich vom Serverbereich abgetrennt und separat zugänglich sind. Denn dadurch ist es gewährleistet, dass der Serverbetrieb bei Störungen oder Wartungsarbeiten nicht beeinträchtigt wird.

Die Rack-Kühlung sollte unbedingt redundant ausgelegt sein, denn die empfindlichen Serverleiterplatten und -mainboards können durch Überhitzung sehr schnell irreparable Schäden davontragen. Außerdem ist es dann möglich, Wartungsarbeiten durchzuführen, ohne dass alle Server im Rack heruntergefahren werden müssen. Ideal ist es, wenn die Kühllösung über eine automatische Systemregelung verfügt, die bei Ausfall eines Kühlgeräts das andere hochfährt.

Optimierung herkömmlicher Klimageräte

Große Probleme mit der Klimatisierung haben oft kleinere und mittelständische Unternehmen, denn dort hängen Klimageräte noch an den Wänden und an der Decke. Sie drücken auf der einen Seite Kaltluft nach unten und saugen auf der anderen Seite Warmluft an. Dies führt zu Luftverwirbelungen, die nur schwer zu kontrollieren sind.

Oft sind die technischen Anforderungen der Klimageräte unzureichend. So steht die angegebene Wattzahl nicht immer allein der Kühlung zur Verfügung, sondern ein Teil wird auch von einem Trockner benötigt, der die Regulierung der Luftfeuchtigkeit übernimmt. Deckengeräte gelten als besonders ineffektiv, weil sie einen Teil der Kühlluft gleich wieder ansaugen.

Doch auch bei solchen Geräten kann durch das Beachten einiger Regeln die Energieeffizienz gesteigert werden. Deckengeräte sollten die Vorderseite des Servers, also die Stelle, an der die Luft angesaugt wird, mit kalter Luft bestreichen und nicht die heiße Geräterückseite.

Der Abstand zwischen den Serverschränken ist bei diesen Gerätetypen besonders wichtig. Idealerweise sollten die Racks einzeln stehen. Darüber hinaus sollten auf keinen Fall besonders heiße Server in einem Teil des Rechenraums konzentriert werden, sondern gleichmäßig auf den Raum verteilt sein.

Außerdem ist auf eine saubere seitliche Kabelführung an der Rückseite der Racks zu achten, denn der oft ausufernde Kabelwildwuchs an der Geräterückseite kann zu einem sogenannten Kabelschleier führen, der die Luftabführung stört.

Praktische Maßnahmen für eine effiziente Klimatisierung von Serverräumen

Sind größere Umbauten oder gar ein Neubau geplant, gibt es eine Reihe von weiteren Möglichkeiten, wie die Klimatisierung eines Serverraumes effizient gestaltet werden kann:

• Die Abwärme des Rechenzentrums kann zum Heizen der Büroräume genutzt werden.

• Die Stromerzeugung für den Betrieb der Klimaanlage des Rechenzentrums kann durch regenerative Energien erfolgen, wie zum Beispiel Fotovoltaik oder Windenergie.

• Durch die Nutzung von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung können die Kosten für die Klimatisierung des Rechenzentrums gesenkt werden.

• Ebenso kann die adiabate Kühlung, die mithilfe von Verdunstungskälte Räume klimatisiert, von Vorteil sein.

• Auch der Einsatz der Betonkernkühlung, bei der die Zuluft nicht direkt in den Raum geführt wird, sondern erst durch in die Decke einbetonierte Kühlrohre strömt, kann die Kosten der Klimatisierung des Rechenzentrums dämpfen.

• Rechenzentren müssen heute aufgrund der schnellen und sicheren Datenübertragung nicht zwingend am Unternehmensstandort errichtet werden. Die Verlagerung des Rechenzentrums an einen Standort, der eine kostengünstige und sichere Energieversorgung gewährleistet und zudem noch klimatisch günstige Verhältnisse aufweist, kann auch eine interessante Alternative sein.

Fazit

Der wachsende Kostendruck auf die Betreiber von IT-Anlagen resultiert aus einem weltweit steigenden Bedarf an elektrischer Energie und der damit verbundenen hohen Energiepreise. Auch wenn das Thema Energieeffizienz in Serverräumen beziehungsweise Rechenzentren eine zunehmende Bedeutung gewinnt, werden sich die Prioritäten bei der Auswahl von IT-Systemen für ein Rechenzentrum nur langsam verschieben. Allerdings existieren mittlerweile konkrete Analysen, die die IT-Betreiber zwingen, das Thema Energieeffizienz auch bei bereits bestehenden IT-Anlagen zu berücksichtigen.

Dabei geht es darum, bestehende Rechenkapazität weiterhin nutzen zu können oder sogar zu erweitern, aber teure Investitionen in eine neue Infrastruktur für Energieversorgung und Klimatisierung so lang wie möglich hinauszuschieben. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, reicht es zum Beispiel in vielen Fällen aus, bestimmte Anforderungen an eine optimale Kühlung in Serverräumen zu berücksichtigen beziehungsweise zu überprüfen, um die Energieeffizienz zu erhöhen und Kosten zu senken. (wh)

Dieser Artikel basiert auf einem Beitrag von TecChannel.de