Rack-, Reihen- oder Raumkühlung?

Energieverbrauch im Rechenzentrum senken

Mit dem richtigen Kühlsystem den Energieverbrauch im Rechenzentrum senken: Rack-, Reihen- oder Raumkühlkonzept im Vergleich.

  • Autor Manfred Willnecker ist RZ-Experten bei Emerson Network Power.

  • Autor Dr. Peter Koch ist RZ-Experten bei Emerson Network Power.

  • TCO-Vergleich für Rack-Reihen-Raumkühlung und jeweils 30/60/90 Prozent Last.

Einer der größten Energiefresser im Rechenzentrum ist die Kühlung; im ungünstigsten Fall entfällt auf sie ein Drittel des gesamten Stromverbrauchs. Ein Blick auf die verfügbaren Kühl­konzepte lohnt sich daher.

Es stehen prinzipiell drei Möglichkeiten zur Verfügung: das Rack-, Reihen- oder Raumkühlkonzept. Alle drei Ansätze unterscheiden sich zunächst einmal hinsichtlich Auslegung und Betrieb. Was aber sind weitere Unterschei­dungsmerkmale der drei Konzepte? Und welche Methode wird gerade bei kleineren Rechenzentren (RZ) im Mittelstand am besten eingesetzt?

Wir haben anhand eines Modell­rechenzentrums untersucht, wie die drei Umluftklimalösungen ausgelegt sind und wie sich die Kosten für Investition, Betrieb und Wartung in einem Zeitraum von zehn Jahren verhalten. Das Modellrechenzentrum befindet sich am Standort Frankfurt und hat eine Nennlast von 1.000 kW. Auch wenn diese Last deutlich über dem liegt, was für ein RZ im Mittelstand üblich ist, gelten die wesentlichen Erkenntnisse auch für die hier deutlich kleineren Lasten.

Alle Systeme und Komponenten der RZ-Infrastruktur (außer Umluft-­klimatechnik) sind in allen drei Szenarien identisch, um für Vergleichbarkeit zu sorgen. Die Gesamtkosten werden für drei Szenarien ermittelt: den Betrieb bei 30, 60 und 90 Prozent der Nennlast. Die maximal erlaubte Zulufttemperatur beträgt 25 Grad – und somit knapp unter dem maximal zulässigen Wert gemäß der Empfeh­lung TC9.9 der „American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers“ (Ashrae).

Im IT-Raum sind 100 Racks (2.200 H x 1.200 T x 800 B) aufgestellt, zehn Reihen mit je zehn Racks. Es wird ein durchgängiges Warmgang-Kaltgang-Prinzip umgesetzt. Die Fläche des Raumes beträgt 262 m2 und hat eine Raumhöhe von 2,7 m. Außerdem wird ein klassisches kühlwasserbasiertes System eingesetzt. Folgende Ergebnisse ergaben sich:

Variante 1: Rack-Kühlung

Bei dieser Kühlmethode wird ein passiver Schrankrücktürkühler in das Rack eingebaut. Dabei handelt es sich in der Regel um Luft-Wasser-Wärmeüberträger in der Rücktür des Serverschranks. Sie dienen zur Abführung von Wärmelasten von bis zu 35 kW. Es sollte immer möglich sein, die Konfiguration so einzustellen, dass keine thermischen Lasten an den Aufstellungsraum abgegeben werden. Bei dieser Art der Kühlung stehen die Racks bevorzugt „back-to-back“ (nach dem Kaltgang-Warmgang-Prinzip) und müssen große Luftvolumenströme aus dem Gang hinter den Racks ohne große Druckverluste vor die Racks bringen.

Die Rack-Kühlung bietet einige Vorteile. Für sie ist weder ein Doppelboden noch eine abgehängte Decke erforderlich. Ebenso müssen keine Zwischenwände oder geschlossenen Zwischendecken eingezogen werden. Allerdings wird etwas mehr Raumhöhe benötigt. Wird erlaubt, dass die Zwischengänge etwas schmaler als üblich gestaltet werden, entsteht kein zusätzlicher Flächenbedarf. Bei hoher Wärmelastdichte erreicht die Rack-Kühlung den besten Wert für die mechanische „Power Usage Effectiveness“ (PUE).

Variante 2: Reihenkühlung

Setzt man im RZ auf die Reihenkühlung, werden Rack-Kühlgeräte zur seitlichen Installation eingesetzt. Die Lüfter ziehen Luft von der Rückseite des Racks, kühlen diese im Wärmetauscher und geben sie dann an die Vorderseite ab.

Durch das Hinzufügen der Reihenkühlungseinheiten werden die Gänge länger, was mehr Platz als Variante 1 erfordert. Da weder Doppelboden noch abgehängte Decken erforderlich sind, gibt es keine Auswirkungen auf die Geschosshöhe. Werden Kühlgeräte auf Basis der konventionellen offenen Reihenkühler eingesetzt, ist die Trennung der warmen und kalten Luft nach dem Kalt- und Warmgang-Prinzip umzusetzen.

Wird ein Rack-Kühlgerät als Hybrid-Version im Rechenzentrum verwendet, ist auch ohne Kalt- und Warmgang das Kaltraumprinzip erfüllt und der gesamte Raum kalt. Allerdings müssen bei der Reihenkühlung mehr Kühleinheiten eingesetzt werden als bei der Rack-Kühlung, da sie redundant pro Schrankreihe vorzuhalten sind. Gegebenenfalls ist zusätzlich ein Air-Handler erforderlich, um die Luft zu filtern und die Feuchtigkeit im erlaubten Bereich zu halten. Bei einer Last von 90 Prozent steigt der PUE (mech) leicht an im Vergleich zu den beiden anderen Varianten.

Variante 3: Klassische Raumkühlung

Bei diesem Kühlprinzip muss im Raum einmal die geforderte Anzahl an Redundanzgeräten vorgehalten werden. Eine weitere Voraussetzung ist ein Doppelboden für die Kaltluftverteilung, was alternativ auch über abgehängte Decken für die Rückluft umgesetzt werden kann. Die Trennung von kalter und warmer Luft wird über Einhausungen der Kaltgänge bzw. einem Warmgangkanal zur Decke erreicht.

Der Flächenbedarf für die Racks bleibt unverändert. Durch die Klimaspange ergibt sich jedoch ein Flächenmehr-bedarf von 60 m2 für das „Facility Management“ gegenüber dem Ausgangsszenario. Anders als bei den ersten beiden Methoden erfordert die klassische Raumkühlung eine größere Geschosshöhe – wegen des Doppelbodens sowie der Einhausungen. Das Kaltraumprinzip wird hier nicht erfüllt, sondern der Großteil des Raums ist ein Warmbereich. Die klassische Raumkühlung erreicht bei geringer Wärmelastdichte den besten Wert für die PUE (mech).

Im Gegensatz zu den anderen beiden Kühlmethoden sind bei der Raumkühlung die höchsten Kühlwasser-temperaturen möglich, wodurch der Energieeinsatz für die Kälteerzeugung im Vergleich am geringsten ist. Ein weiteres Plus: Im IT-Raum selbst ist keine KW-Verrohrung erforderlich und der PUE (mech) erreicht bei geringer Wärmelastdichte den besten Wert.

Während die Rack- und Reihenkühlung die Kalt- und Warmtrennung integriert haben, ist bei der Raumkühlung eine Einhausung erfor­derlich. Die Reihen- und Raumkühlung benötigen zusätzliche Fläche, die Rack- und Raumkühlung größere Geschosshöhen. Unternehmen müssen also im Einzelfall und entsprechend der jeweiligen Gegebenheiten (Fläche und Geschosshöhe, zusätzlich erforderliche Maßnahmen und deren Kosten) entscheiden, welches Modell am besten passt. Gerade für kleinere Rechenzentren mit bis zu 20 Racks eignen sich die Raum- und die Reihen­kühlung.

Bildquelle: Thinkstock / iStock

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