Rechenzentrums-Klimatisierung Warmwasserkühlung spart viel Energie in Rechenzentren

Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Tino Born und Rasim Cubukcu / Stéphane Itasse

Die klassische Klimatisierung von Rechenzentren benötigt viel Energie. Eine Warmwasserkühlung mit Vorlauftemperaturen bis 40 °C bietet große Einsparpotenziale. Dank überlegener Kühlleistung ermöglicht sie die Realisierung immer schnellerer Hochleistungsrechenzentren.

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Bild 1: Rechenzentren sind große Energieverbraucher, vor allem wegen der notwendigen Kühlung.
Bild 1: Rechenzentren sind große Energieverbraucher, vor allem wegen der notwendigen Kühlung.
(Bild: svedoliver - Fotolia.com)

Die Leistungsfähigkeit aktueller Rechenzentren liegt gerade noch für drei bis vier Jahre auf einem international konkurrenzfähigen Niveau. Neben der exponentiell steigenden Rechenleistung im Bereich mehrerer Petaflops – Billiarden Rechenschritte pro Sekunde – wird die Energieinfrastruktur der Rechenzentren immer mehr zur Herausforderung.

Rechenzentren brauchen viel Kühlung mit möglichst wenig Energie

Es gilt zugleich, die elektrische Energie für den Serverbetrieb dauerhaft und unterbrechungsfrei zu gewährleisten und die Serverwärme sicher abzuführen. Insbesondere die Art der Kühlung beeinflusst die Effizienz erheblich. Weitere maßgebliche Faktoren sind die Verluste durch ungünstige Wirkungsgrade von Komponenten wie der Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) oder der Transformatoren.

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Kenngröße für die Energieeffizienz von Rechenzentren ist die Power Usage Effectiveness (PUE), die Leistungsaufnahme der IT-Komponenten in Relation mit der des gesamten Rechenzentrums. Das Ziel ist ein möglichst niedriger Wert. Der PUE-Faktor eines zeitgemäßen Rechenzentrums in Deutschland liegt bei kleiner oder gleich 1,3. Das heißt, dass mindestens der 1,3-fache Energiebedarf der IT zusätzlich für die Energieversorgung und Klimatisierung benötigt wird.

Der PUE-Wert alleine lässt jedoch keinen verlässlichen Vergleich zu, denn Messungen im Winter ergeben durch den geringeren Kühlbedarf ein besseres Ergebnis als eine Messung im Sommer. Darum wurde seitens des Bitkom der PUE-Faktor mit den Kategorien PUE0 bis PUE3 eingeführt. Dabei stellt der PUE3 die genaueste Bewertung dar.

Klassische Luftkühlung benötigt mechanisch erzeugte Kälte und damit einen hohen Energieaufwand

Zur Kühlung von Servern stehen grundsätzlich drei Möglichkeiten zur Verfügung: Luftkühlung, Kaltwasserkühlung und Warmwasserkühlung. Klassische, luftgekühlte Rechenzentren benötigen für die Kühlung circa 50 % ihres Energiebedarfs zusätzlich, weil die Kälte mechanisch erzeugt werden muss. Einen Vorteil bieten warmwassergekühlte Serverracks. Bei ihnen wird für die Wärmeabfuhr keine mechanische Kälte eingesetzt. Der Trend bei Hochleistungsrechnern geht daher zu vollständig warmwassergekühlten Servern.

Die Warmwasserkühlung erfolgt direkt am Serverblade. Die Vorlauftemperatur beträgt dabei 40 °C, die Rücklauftemperatur 45 °C. Dieses Temperaturniveau eignet sich für die indirekte freie Kühlung in klimatisch gemäßigten Regionen, in denen die Außentemperatur nicht über 39 °C steigt.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur Abwärmenutzung. Die als Abfallprodukt verfügbare Wärme wird dann genutzt, um beispielsweise in anderen Gebäudeteilen Heizenergie einzusparen. Ähnlich der Kaltwasserkühlung wird bei der Konzeption größerer Rechenzentren auch dieses System häufig mit luftgekühlten Servern kombiniert, um mehr Flexibilität zu erreichen.

Das nachfolgende Beispiel zeigt exemplarisch eine Gegenüberstellung von Kalt- und Warmwasserkühlung sowie jeweils geeignete Rückkühlvarianten. Beide Varianten gehen von einem Rechenzentrum mit einer installierten Rechenleistung von 1 MW aus. Für diese Rechenleistung ist eine Kühlung vorzusehen.

Außerdem wird unterstellt, dass ein zusätzlicher Kältebedarf für die Kühlung der peripheren technischen Einrichtungen, wie Batterieräumen oder Nieder- und Mittelspannungshauptverteilungsräumen, erforderlich ist. Dieser wird über eine dynamische Luftkühlung, die erfahrungsgemäß circa 25 % der installierten Rechnerleistung ausmacht, angesetzt.

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