Die Kühlsysteme, Kühlmethoden und Kühltechnologien von Rechenzentren

Die Kühltechnik für Rechenzentren strebt derzeit nach dem Idealzustand, um geeignete Umgebungsbedingungen für IT-Ausstattungen zu schaffen. Mit der steigenden Nachfrage nach mehr Betriebseffizienz von Rechenzentren, müssen die Ingenieure der Rechenzentren stets nach fortschrittlicheren Technologien und Methoden zur Kühlung suchen.

Um die Kühlung zu verbessern, müssen sich die Ingenieure im Vorfeld um eine Reihe von Aufgaben kümmern. Dazu gehören die Ableitung der Wärme von der IT-Ausstattung in den Kühlkörper, der unterbrechungsfreie Betrieb des Kühlsystems und die optimale Bauweise, für eine minimale Wärmeübertragung.

Für Maschinenbauingenieure war es bisher sehr schwierig, die Vorstellung der Rechenzentrums-Betreiber von der „komfortablen Kühlung“ zu überwinden. Bei den bisherigen Entwürfen für Rechenzentren lag der Schwerpunkt stets auf den Wohn- und Büroräumen, bevor an die Kühlung des Rechenzentrums gedacht wurde.

Da die Rechenzentren extrem energieintensiv sind, ist es nicht ungewöhnlich, dass die Kühlsysteme genauso viel oder sogar mehr Energie verbrauchen als die Computer selbst. Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über den Markt für Rechenzentrumskühlung gegeben.

Das Wachstum des Marktes für Rechenzentrumskühlungen

Rechenzentren entstanden als effiziente Lösung für die steigenden Kosten, die durch die ununterbrochene Bereitstellung von internen IT-Diensten anfielen. Es ist daher nicht verwunderlich, dass ein typisches Rechenzentrum die gleiche Energie verbrauchen kann wie etwa 25.000 Haushalte.

Aufgrund der steigenden Kosten für Strom sind die Ingenieure von Rechenzentren gezwungen, nach Wegen und Methoden zu suchen, die einen perfektionierten, effizienten Energieverbrauch bieten.

Bis Mitte der 2000er Jahre stellte die Kühlung der immer leistungsintensiveren Server eine große Herausforderung dar. Als die Leistungsdichte den Wert von 5 Kilowatt (kW) überschritt, begannen die Entwickler, aktiv über alternative Kühlmethoden und -technologien nachzudenken.

Seitdem haben sich die Rechenzentrumskühlungen deutlich weiterentwickelt und es wurden neue Methoden wie die In-Row-Kühlung und Wärmetauscher eingeführt.

Warum sind Rechenzentrumskühlungen wichtig?

Die Kühlung von Rechenzentren ist einer der wichtigsten Aspekte für die führenden Unternehmen der Branche, denn wenn es nicht möglich ist, die Kühlung angesichts der zunehmenden Anzahl von Transistoren auf den Chips und der daraus resultierenden Wärme zu verbessern, wird die Bauweise dieser Chips in Zukunft an eine Reihe physikalischer Grenzen stoßen.

Die berühmte Prognose von Ken Brill aus dem Jahr 2007, dass das Mooresche Gesetz nicht ewig gelten wird (Economic Meltdown of Moore's Law proposed by Ken Brill in 2007), erforderte die Umsetzung technologischer Fortschritte, um das potenzielle Problem des übermäßigen Stromverbrauchs durch Kühlanlagen in Rechenzentren anzugehen.

Mit den richtigen Strategien ist es möglich, die Effizienz von Rechenzentren zu steigern, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Im Folgenden finden Sie einige der Methoden und Technologien, die in Rechenzentren zur Steigerung der Kühleffizienz eingesetzt werden.

Wie werden Rechenzentren gekühlt?

In älteren Rechenzentren wurde das Konzept des Doppelbodens für die Zufuhr kalter Luft zu den Servern bekanntlich erfolgreich genutzt. Normalerweise strömt die kalte Luft aus dem CRAC (computer room air conditioner) oder dem Lüftungssystem durch den darunter liegenden Lüftungsschacht und durch ein Gitter in den Hauptraum. Sobald die Luft den Server durchquert hat, wird sie zurück in den Raum der Klimaanlage geleitet, wo sie erneut gekühlt wird.

Obwohl das Konzept der Doppelböden in vielen modernen Rechenzentren immer noch angewandt wird, gibt es inzwischen andere Methoden und Strategien zur Verbesserung der Kühlung.

Methoden und Systeme der Rechenzentrumskühlungen

Rechenzentren können ihre Kühleffizienz leicht optimieren, indem sie die Organisation und Anordnung ihrer Ausstattung verbessern. Für eine hohe Produktivität ist es wichtig für diese Rechenzentren, dass sie sicherstellen die bestmöglichste Temperatur beizubehalten. Im Folgenden werden einige der Methoden und Technologien vorgestellt, die in Rechenzentren zur Steigerung der Kühleffizienz eingesetzt werden.

Die Anordnung von Kalt- und Warmgängen

Die Vermischung von warmer und kalter Luft kann zu einem ineffizienten Energieverbrauch führen. Der Grund dafür ist, dass die Ausstattung nicht die Temperatur hat, die sie für einen optimalen Betrieb benötigt. Durch die Verwendung von Kalt- und Warmgängen wird in Rechenzentren eine Vermischung der Luft vermieden. In der Regel werden die Racks so aufgestellt, dass Warm- und Kaltluft in getrennten Gängen zirkulieren.

Freie Kühlung

Die freie Kühlung ist ein minimalistisches Kühlsystem, das die Gesamtkosten der Rechenzentrumskühlung senkt. Dieses System sorgt dafür, dass der Luftstrom im Rechenzentrum die optimale Temperatur hat. Es gibt im Wesentlichen zwei Arten: Wasser-Economizer und Luft-Economizer. Das auf Luft basierende System ist etwas riskant, da es die Außenluft zur Kühlung der Geräte nutzt. Das auf Wasser basierende System kann hingegen Schadstoffe einbringen.

Kaltwasser-Klimasystem

Ein Kaltwassersystem ist eine weitere kostengünstige und effiziente Methode der Kühlung. Denn im Gegensatz zur Warmluft, die jedem Bereich der Einrichtung zugeführt werden muss, kann das gekühlte Wasser direkt zu dem zu kühlenden Objekt geleitet werden. Bei diesem System fließt kaltes Wasser durch Spiralen, die die heiße Luft an den Kühler leiten. Dieser Kühler ist wiederum mit dem Computerraum-Klimagerät verbunden.

Gangeinhausung

Eine weitere Möglichkeit, die Vermischung von heißer und kalter Luft zu verhindern, ist die Einhausung. Die beiden Luftarten werden isoliert und die Betreiber überwachen ständig die Luft im Warmgang, um sicherzustellen, dass sie nicht zu warm wird. Falls Sie mehr über die Einhausung von Rechenzentren erfahren möchten, lesen Sie gerne diesen Artikel: Eindämmung von Rechenzentren: Arten, Vorteile und Herausforderungen

Rack-Anordnung

Auch die Rack-Anordnung kann eine Rolle bei der Maximierung der Kühlung spielen. Rechenzentren ordnen die Komponenten innerhalb eines Racks gerne so an, dass sich die schwerste Komponenten in den unteren Racks befinden. Der Grund dafür ist, dass die Luftzirkulation bei schwerere Racks am größten ist. Durch die Platzierung in einem der unteren Racks kann weniger heiße Luft entweichen.

Kabel-Organisation

Die Organisation der Kabel ist ein kleiner Schritt in Richtung einer besseren Kühlung, aber einer, der einen kleinen Unterschied machen kann. Rechenzentren müssen sicherstellen, dass die Kabel den Luftstrom nicht behindern. Hier ist ein Leitfaden für die Organisation von Server-Racks.

Technologien der Rechenzentrumskühlungen

In folgendem Abschnitt werden die modernen Technologien für Kühlungen hervorgehoben.

Blindplatten

Blindplatten verhindern, dass heiße Luft in den Raum Ihres Rechenzentrums eindringt und ermöglichen so eine bessere Kühlung. Werden keine Blindplatten verwendet, kann sich überschüssige Wärme in den nicht belegten Raum des Racks stauen und sowohl die Kühlung als auch die Effizienz der Server beeinträchtigen.

Kältemittel-Pumpe

Bei dieser Technik wird gekühltes Wasser durch einen Wärmetauscher gepumpt und die Wärme mit Hilfe eines Kältemittels abgeleitet. Dieses System reduziert effizient die Luftfeuchtigkeit und ermöglicht erhebliche Einsparungen, da die Energie von den Servern übertragen wird.

Indirekte Verdunstungskühlung

Diese Methode wird dort eingesetzt, wo die Außentemperatur niedriger ist als die Innentemperatur. Mit Hilfe eines Luftkanals, der an eine indirekte Verdunstungskühlung angeschlossen ist, wird dem Raum des Rechenzentrums kühlere Luft zugeführt.

Die Bedeutung der Umweltbeobachtung

Des Weiteren werden in Rechenzentren Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Temperatur-Hot-Spots und Luftstrom in Echtzeit mit Umgebungssensoren überwacht und verwaltet. Diese Art der Umgebungsüberwachung ist wichtig, um die optimale Temperatur aufrechtzuerhalten und vermeidbare Kosten, die durch unnötige Wärme entstehen, zu senken.