High Performance Computing

Was tun, wenn Energiekosten explodieren?

Bis zu 30 Prozent der gesamten Energiekosten eines Rechenzentrums können auf die ­Kühlsysteme entfallen. Wer seine IT-Landschaft effizient und nachhaltig ausbauen möchte, sollte demnach bei der Kühlung ansetzen. Insbesondere beim High Performance Computing (HPC) ist die richtige Kühltechnik entscheidend.

Bernd Hanstein, Rittal

Bernd Hanstein, Rittal

Technologien wie das Internet of Things (IoT), der kommende 5G-Mobilfunkstandard und Big-Data-Analysen, aber auch die digitale Transformation generell führen zu steigenden Anforderungen an die eigene IT-Infrastruktur. Somit müssen sich IT-Manager mit Themen auseinandersetzen, die sonst eher Betreiber von HPC-Datacentern betreffen. Dazu zählt eine höhere Leistungsdichte in Server-Schränken und damit veränderte Anforderungen an die IT-Kühlung. Zum Vergleich: In kommerziellen Rechenzentren arbeiten IT-Racks durchschnittlich mit 5 bis 10 kW Leistung, während in HPC-Umgebungen voll bestückte IT-Racks mit bis zu 50 kW laufen. Nach einer IT-Erweiterung stoßen bestehende Kühlsysteme oft an ihre Kapazitätsgrenzen oder müssen in unrentablen Leistungsfenstern betrieben werden. Folgende Punkte helfen IT-Managern dabei, ihre Datacenter auf Optimierungspotentiale zu überprüfen:

1. Effiziente Kühlung mit Wasser


Wer laufende IT-Betriebskosten optimieren möchte, findet dafür mit der Wasserkühlung ein Konzept mit hohem Einsparpotential bei mittleren und hohen Leistungsklassen. In mitteleuropäischen Breitengraden wird die Wasserkühlung meist in Verbindung mit dem Konzept der indirekten Kühlung verwendet. Hierbei kühlt die Außenluft eine Wärmeträgerflüssigkeit wie Wasser, die für die Kühlung verwendet wird. Das Wasser ist also das Medium, mit dem die Kälte in das Rechenzentrum transportiert wird – immerhin leitet Wasser die Wärme bis zu 4.000-mal besser ab als Luft. Ein weiterer Vorteil: Es wird keine Luftfeuchtigkeit von außen in das Gebäude getragen. Da keine Kühlluft von außen in das Rechenzentrum geblasen wird, sind weniger Filtersysteme notwendig. Allerdings müssen mindestens ein Luft-/Wasser-Wärmetauscher und Pumpen im Kaltwassersystem vorhanden sein, die zum Betrieb elektrische Energie benötigen. „Viele Unternehmen bevorzugen eine Lösung mit indirekter Kühlung, da diese stabil sowie vorhersagbar arbeitet. Schwankende Wetterbedingungen und durch die Jahreszeiten ausgelöste Temperaturänderungen fängt dieses Betriebskonzept sehr gut auf“, berichtet Bernd Hanstein, Hauptabteilungsleiter Produktmanagement IT bei Rittal, in diesem Zusammenhang.

2. Unterschiede der Rack-, Reihen- und Raumkühlung


Generell gilt, dass die rack-basierte Kühlung die bestmögliche Energieeffizienz aufweist, da geringes Luftvolumen bewegt wird. Bei dieser Lösung bilden das IT-Rack und das Kühlgerät eine geschlossene Einheit. Hiermit sind auch höchste HPC-Lasten bis zu 50 kW pro Rack kühlbar. Die Anschaffungskosten sind vergleichsweise hoch, da für jedes Rack ein eigenes Kühlgerät notwendig ist.
Mehr Kosteneffizienz verspricht die Reihenkühlung, die mit dem Prinzip der Einhausung von Schrankreihen arbeitet. Hier sind die Bereiche vor und hinter den Racks jeweils in einen Warm- und einen Kaltgang geschottet. Dies hilft dabei, die Energieeffizienz zu steigern, da die kalten und warmen Luftmassen strikt
getrennt sind. Weniger effizient ist die herkömmliche Raumkühlung, da hier große Luftmengen bewegt werden müssen, um punktuell HPC-Systeme dauerhaft zu kühlen.

3. Wie effizient kühlt die HPC-Umgebung?


Eine bekannte Technikerweisheit lautet: Man kann nur das optimieren, was zuvor gemessen wurde. Wer also gezielt die Energiekosten senken möchte, benötigt dafür Vergleichswerte und Kennzahlen. Da bei der HPC-Kühlung häufig Wasser als Kühlmittel verwendet wird, sollte der Verbrauch überwacht und mit Kennzahlen in Relation zur IT-Leistung gesetzt werden. Um die Kosteneffizienz von wasserbasierten Kühlsystemen zu ermitteln, helfen die zwei Kennzahlen Water Usage Effectiveness (WUE) und Energy Efficiency Ratio (EER).

Der Verband „The Green Grid“ definierte die WUE-Kennzahl, mit der die Verwendung von Wasser im Verhältnis zum Stromverbrauch der IT-Komponenten gesetzt wird. Der jährliche Wasserverbrauch steht damit in Relation zur Gesamtleistung der aktiven IT-Komponenten. Die Einheit des WUE ist Liter pro Kilowattstunde (l/kWh). Aber auch bei direkter Freikühlung – hier wird Außenluft durch Filter in das Rechenzentrum geblasen – kann es notwendig sein, bei trockener Luft im Winter die Luftfeuchte anzuheben. Darüber hinaus werden bei der adiabatischen Kühlung die Luft-Luft-Wärmetauscher mit Wasser besprüht, um die Kühleffizienz zu verbessern. Dieses Konzept nutzt das Prinzip der Verdunstungswärme, um einströmende Luft zu kühlen, bevor sie auf die Wärmetauscher trifft.

4. Kennzahlen für Kältemaschinen


In HPC-Umgebungen ist es ebenfalls wichtig, die Kühleffizienz zu bewerten. Hier hilft die zweite Kennzahl EER, die das Verhältnis der Kühlleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung definiert. Je größer der EER-Wert ausfällt, desto effizienter wird die elektrische Energie genutzt, um Kälte zu erzeugen. Zudem wird Metrik Coefficient of Performance (COP) verwendet. Dies gibt bei einer Wärmepumpe oder Kältemaschine das Verhältnis der Änderung der Wärme zu der dazu aufgewandten Arbeit (Kühlleistung/aufgewandte Arbeit) an. Die Normen DIN EN 255 und DIN EN 14511 beschreiben, wie COP und EER zu ermitteln sind, sodass Leistungsdaten zu Kältemaschinen mit­einander vergleichbar werden. Da die Effizienz eines Kältesystems auch von den äußeren klimatischen Bedingungen abhängig ist, gibt es mit der European/Seasonal Energy Efficiency Ratio (ESEER/SEER) eine Kennzahl, um die Temperaturschwankungen der Jahreszeiten zu berücksichtigen. Damit lässt sich der EER auf äußere Temperatureinflüsse anpassen.

Dies ist ein Artikel aus unserer Print-Ausgabe 05/2018. Bestellen Sie ein kostenfreies Probe-Abo.

Wie sich eine HPC-Reihenklimatisierung mit wasserbasierten Kühlgeräten realisieren lässt, zeigt die Liquid Cooling Package Inline CW von Rittal: Das Kühlgerät kann direkt neben den IT-Racks installiert werden. Die warme IT-Abluft wird an der Geräterückseite angesaugt, gekühlt und nach vorn in den Kaltgang ausgeblasen. In Kombination mit einer Gangschottung wird größtmögliche Effizienz erreicht. Die Geräte mit Wasser als Kühlmedium ermöglichen eine Kühlleistung von bis zu 55 kW und eigenen sich damit für HPC-Umgebungen. Einheiten mit Kältemittel wie R410a als Kühlmedium sind bis 35 kW Kühlleistung einsetzbar. Wer auf Nummer sicher gehen will, wählt eine geschlossene indirekte Kühllösung, bei der man selbst die Kontrolle über alle Parameter des Kühlkreislaufs hat. Denn nur wer Unwägbarkeiten wie das Wetter aus der Gleichung streicht, bekommt eine stabile, beherrschbare und damit ausfallsichere IT-Infrastruktur.

Bildquelle: Rittal

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