Effiziente Kühlung

Kühle Brise im Rechenzentrum

Die effiziente Kühlung ist ein Schlüssel zu mehr Energieeffizienz

Ventilator, Bildquelle: © h.lunke@pixelio.de

Um die Temperatur im Rechenzentrum zu senken, wird eine Frischluftkühlung eingesetzt.

Der Energieverbrauch ist ein zentrales Thema in der Computerentwicklung. Laut den Marktanalysten von IDC wurden 2009 weltweit geschätzte 330 Terawatt-Stunden Energie für den Betrieb von Rechenzentren aufgewendet. Auf die Luftkühlung, die heute typischerweise in Rechenzentren eingesetzt wird, entfallen dabei bis zu 50 Prozent des gesamten Strombedarfs. Diese Zahlen zeigen: Der Weg zu einem grüneren Rechenzentrum führt über innovative Kühlsysteme.

Zahlen, die aufhorchen lassen: Ungefähr 80 Prozent der Energie, die die Computer im Rechenzentrum aufnehmen, verwandeln die Rechner und Maschinen in Wärme. Das bedeutet: Wenn der Betrieb eines Rechenzentrums eine Leistung von 1.000 kW benötigt, müssen die Betreiber mindestens 800 kW Wärmeleistung abführen. Diese Wärme reicht aus, um 80 Einfamilienhäuser ein Jahr lang zu beheizen. Es sind Rechnungen wie diese, die in den letzten Jahren zu wichtigen Innovationen im Bereich grüner Rechenzentren geführt haben. Dazu zählen der überlegte Einsatz von Hardware, die Konsolidierung von Ressourcen auf weniger Sys­teme oder Managementtools, die beispielsweise redundante Ressourcen automatisch zeitweise vom Netz nehmen, und vor allem neue Kühltechniken (siehe ­Kasten).

Warmer Gang, kalter Gang

Im Sinne der Energieeffizienz war die Anordnung der Server im Rechenzentrum früher alles andere als ideal: Die rechnenden Server in den Racks saugten die kalte Luft an der Vorderseite an und gaben diese nach erfolgter Kühlung in Form von heißer Luft an der Rack-Rückseite in den Warmgang ab. Dort stieg die Warmluft auf und strömte oben wieder zur Rack-Front in den Kaltgang zurück. Außerdem waren die Racks nicht abgedichtet, so dass die Wärme aus dem Rack entweichen und so wieder in den Kaltgang gelangen konnte. Dadurch schaukelte sich die Temperatur im Kaltgang immer weiter auf, was traditionell durch erhöhte Lüfterleistung abgekühlt wurde – ein extrem energieaufwendiges Verfahren.

Eine Möglichkeit für eine effizientere Kühlung ist die methodische Trennung von Warm- und Kaltgängen: Dies lässt sich einerseits durch die Rücken-an-Rücken-Aufstellung der Server erreichen. Diese Anordnung verhindert, dass der vordere Server dem hinteren seine warme Luft „ins Gesicht“ bläst. So braucht man weniger Energie, um diesen zu kühlen.

Eine Erweiterung dessen ist die sogenannte „Kaltgangeinhausung“: Durch Leitungen oder Trennwände wird verhindert, dass sich die kühle Luft etwa aus dem Boden des Rechenzentrums mit der Abwärme der Server vermischt. Stattdessen wird die Warmluft vom Kaltgang zwischen den Rackfronten abgeschirmt. Messungen haben ergeben, dass bei konstanter Kühlleistung der Unterschied zwischen den Temperaturen im Warm- und Kaltgang zwischen 10 und 15 Grad Celsius liegt. Dank neuer Methoden der Trennung zwischen Warm- und Kaltgängen kann Kälte bzw. Wärme dediziert gesteuert werden, wodurch bis zu 90 Prozent weniger Luft verbraucht wird im Vergleich zu Altanlagen.

Die Methode der Frischluftkühlung wird bereits eingesetzt: Beispielsweise baute IBM für einen Pharmakonzern in der Schweiz ein Rechenzentrum, dessen Server auf diese Art und Weise Frischluft zugefächelt wird. Die Betriebstemperatur dieses Rechenzentrums ist auf 25 Grad Celsius Ansaugtemperatur ausgelegt. Durch den Unterschied zur Außentemperatur gelangt über riesige Luftkanäle Frischluft. Steigt die Außentemperatur im Sommer, steht für den Notbetrieb eine Kühlung auf Basis von Brunnenwasser zur Verfügung. Der Energiebedarf für Kühlzwecke reduziert sich bei dieser Variante auf minimale Werte für die Pumpen.

Aber Luft ist nicht das einzige und schon gar nicht das beste Kühlmittel. Wasser etwa hat eine rund 4.000-mal höhere Wärmekapazität und kann Wärme daher effizient transportieren. Das erlaubt neue Kühlkonzepte – wie etwa das Kühlen mit warmen Wasser –, die sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht nachhaltig sind. Dass die Technik reif für die Praxis ist, zeigt der Supercomputer „Aquasar“, ein Gemeinschaftsprojekt von IBM und der ETH Zürich: Der Computer arbeitet in einem Labor der Abteilung für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich und verbraucht dabei bis zu 40 Prozent weniger Energie als ein vergleichbarer luftgekühlter Rechner. Der Hochleistungsrechner besteht aus speziell für das Projekt angefertigten wassergekühlten Servern: Mit bis zu 60 Grad heißem Wasser werden die Prozessoren und weitere Komponenten in dem neuen Hochleistungsrechner gekühlt. Möglich wird dies durch ein Kühlsystem, dass direkt dort ansetzt, wo am meisten Wärme entsteht: beim Prozessor. Leistungsfähige Mikrokanalkühler sind auf der Rückseite des Chips angebracht. Dank der Kühler können die Chips, die zehnmal mehr Wärmedichte als eine Kochplatte entwickeln, selbst mit bis zu 60 Grad heißem Wasser noch auf ihre maximal erlaubte Betriebstemperatur von 80 bis 85 Grad gekühlt und so wertvolle Abwärme gewonnen werden.

Das gesamte Kühlsystem des Rechners ist ein geschlossener, hermetisch abgedichteter Kreislauf. Mit Hilfe einer Pumpe wird das Wasser im System mit einer Rate von 30 Litern pro Minute durch den Hochleistungsrechner gepumpt. Die Abwärme wird durch einen Wärmetauscher an einen externen, zweiten Wärmekreislauf, das Gebäudeheizsystem der ETH Zürich, weitergegeben.
Diese und andere Beispiele zeigen, dass man heute auf einem guten Weg für eine effizientere Energiehaushaltung in Rechenzentren ist. Die positiven Auswirkungen sind vielfältig: Das Rechenzentrum gewinnt an Leistungsfähigkeit, die Kosten sinken, Ressourcen werden geschont, die Umwelt entlastet.

 

Neue Kühltechniken

Die methodische Trennung von Warm- und Kaltgängen bzw. Kaltgangeinhausung: Früher standen die Server im RZ Rücken an Rücken – mit der Folge, dass die hinteren Server die warmen Ausdünstungen des Vordermanns förmlich ansaugten. ­Daher sehen moderne Designs heute eine Kalt-/Warmgang-Anordnung vor, bei der sich die Rackfronten und Rackrückseiten direkt gegenüberstehen.
Frischluftkühlung: Bei der Frischluftkühlung wird das Temperaturgefälle zwischen Innen- und Außenbereich genutzt, um die Temperatur im Rechenzentrum zu senken. Durch Erhöhung der Raumtemperatur wird mehr Frischluft von außen angesaugt, was die Systeme auf einer zuverlässigen Betriebstemperatur hält. Dadurch entfällt der Energieaufwand für die „künstliche“ Belüftung.   
Warmwasserkühlung: Für die Kühlung unter 85 Grad Celsius werden bisher in der Regel Luft oder auch kaltes Wasser genutzt. Möglich ist die Kühlung allerdings auch mit 60 Grad warmen Wasser. Der große Vorteil daran ist, dass das Kühlwasser als Träger von Wärmeenergie direkt weiter genutzt werden kann, was bei etwa 20 Grad kaltem Wasser nicht so einfach möglich ist.

 

Bildquelle: © h.lunke/pixelio.de

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