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Heft 1-2, Januar-Februar 2012
10. Jahrgang
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IT - S t r a t e g i e n
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10 Tipps für eine
intelligente Klimatisierung
Energieeffizientes
Rechenzentrum
Sonderdruck für
L ö s u n g e n
Bilder: Rittal; Shutterstock.com/Oleksiy Mark
Top-Thema: Moderne Rechenzentren
10 Tipps für eine energieeffiziente Klimatisierung
Energieeffizientes
Rechenzentrum
Jedes Rechenzentrum lässt sich durch gezielte Maßnahmen klimatechnisch optimieren.
Die Einsparungen bei den Stromkosten lohnen den Aufwand allemal. Eine sorgfältige
thermische Analyse ist jedoch Voraussetzung für eine optimale Klimatisierung.
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Top-Thema: Moderne Rechenzentren
n vielen Unternehmen lautet die Devise »Kosten reduzieren«. So gilt es in diesem Zusammenhang, große Energiefresser zu eliminieren. Wie energieeffizient ein Rechenzentrum arbeitet, gibt der sogenannte PUE-Wert (Power
Usage Effectiveness) an. Dieser setzt die insgesamt zum Betrieb des Rechenzentrums erforderliche Leistung ins Verhältnis zur Leistungsaufnahme der Server-Hardware. Würde die
technische Infrastruktur genauso viel Energie verbrauchen
wie die angeschlossenen Server, ergäbe sich ein PUE von 2,0.
Leider sind in älteren Data Centern Beträge in dieser
Höhe durchaus üblich. Im Gegensatz dazu erreichen besonders energieeffiziente Rechenzentren Werte um 1,3. Vielfach
werden für die PUE sogar Beträge von bis zu 1,1 genannt.
Dies erfordert jedoch besondere Projektierungen im Bereich
der Kälteerzeugung.
mäßig bestückt werden. Die übergeordnete Zielsetzung energieeffizienter Kühlkonzepte liegt darin, die Abwärmeleistung
aller Serverracks einer Rackreihe zu vereinheitlichen.
Thermische Analyse. Klimatische Mängel von Rechenzentren lassen sich durch eine thermische Analyse identifizieren. Diese umfasst eine Messung der Kühllufttemperaturen am Lufteintritt jedes Servers. Zudem werden die RackOberflächentemperaturen mittels einer IR-Thermografie bestimmt. Nach Aufbereitung aller Messwerte erhält der Kunde einen ausführlichen Messbericht. Damit lassen sich Temperaturprobleme leicht erkennen. Auf Basis der Messwerte
können anschließend gezielte Maßnahmen zur Optimierung
der Klimatisierung eingeleitet werden.
Grundsätzlich gilt es aber schon bei der Auswahl der geeigneten Klimatisierungslösung verschiedene Aspekte in Betracht zu ziehen. Für eine energieeffiziente Klimatisierung
empfehlen sich die folgenden Tipps:
Im Betrieb unterliegt der Kühlleistungsbedarf ständigen Änderungen – beispielsweise, wenn am Wochenende die Hardware weniger belastet ist. Hier können Klimasysteme, die abhängig von der Wärmelast die Drehzahl der Ventilatoren variieren, die Stromverbrauchskosten beträchtlich senken.
Speziell bei der EC-Technologie entspricht die elektrische Leistungsaufnahme der Antriebsmotoren der Lüfter
immer nur dem Betrag der jeweiligen Drehzahl. Deshalb
sind EC-Antriebe besonders gut für Teillastbetrieb geeignet.
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Tipp 1: Sauberer Konzeptaufbau
Die Definition der erforderlichen Leistungsparameter eines
Rechenzentrums sollte nicht nur die Performance der Server
sowie die mögliche Redundanzdarstellung der Hardware unter Einsatz zweier IT-Standorte umfassen, sondern ebenfalls
grundlegende versorgungstechnische Einrichtungen wie die
Klimatisierung und die Stromversorgung einbeziehen. Maßgeblich sind hinsichtlich Performance und Verfügbarkeit die
Ansprüche der Anwender. Bei der Projektierung der Klimatisierung ist es wichtig, für jedes Server-Rack die elektrische
Leistungsaufnahme und die Abwärmeleistung zu ermitteln.
Bei der Entwicklung des Kühlkonzeptes kommt es aufs
Detail an:Wer beispielsweise die Umluft-Kühlgeräte weit von
den Racks mit der größten Leistungsdichte entfernt vorsieht
oder die Doppelbodenhöhe zu niedrig dimensioniert, darf
sich über überhitzte Rechner nicht wundern – die gekühlte
Zuluft wird diese Racks unter Umständen nicht mit dem nötigen Volumenstrom erreichen.
Tipp 2: Für gleichmäßige Auslastung sorgen
Volle Racks, aber auch solche mit großen Lücken in der Bestückung der 19-Zoll-Rahmen, erschweren die optimale
Kühlung. Speziell Serverracks sollten daher möglichst gleichmanage it 1-2 I 2012
Tipp 3: Konzeption der Luftführung
Bei Einsatz eines Doppelbodenhohlraumes zur Luftführung
muss dafür gesorgt werden, dass die gekühlte Zuluft an den
Ort gelangen kann, wo sie gebraucht wird. Datenleitungen
und Kabel der Betriebsstromversorgung dürfen nicht die
Lüftungswege verstopfen. Es ist daher bereits in der Konzeptionsphase zu erwägen, zumindest die Datenleitungen unter
der Decke des Serverraumes zu führen.
Tipp 4: Einsatz von Klimageräten mit EC-Lüftern
Tipp 5: Trennung von Kalt- und Warmluft
In Rechenzentren mit einer Wärmeentwicklung der einzelnen Serverracks im Medium-Density-Bereich (bis 6 kW) erfüllen in der Regel Umluft-Klimageräte mit Verteilung der
Zuluft per Doppelbodenhohlraum die Anforderungen an eine effiziente Kühlung. Diese saugen frei aus dem Serverraum erwärmte Luft an, kühlen diese bei Durchströmen des
integrierten Wärmetauschers und bringen die gekühlte Luft
unter Einsatz von Ventilatoren in den Doppelboden ein.
Energieeffizient können solche Systeme nur dann arbeiten, wenn die erwärmte Rückluft mit so hoher Temperatur
wie möglich angesaugt wird. Dazu muss vermieden werden,
dass sich gekühlte Zuluft mit warmer Serverabluft vermischt.
Trennung von Luftqualitäten bedeutet, dass sich die
Rack-Vorderseiten der Hardwareracks in einem Gang direkt
gegenüberstehen. Dieser Gang stellt den Kaltgang zur Versorgung der Hardware mit gekühlter Luft dar. An den jeweiligen Rückseiten der Server-Schränke strömt die Warmluft
frei in den umgebenden Raum ab. Leere Höheneinheiten
müssen geschlossen werden, da diese zu Luftkurzschlüssen
zwischen kalter und warmer Seite führen.
Diese mechanischen Maßnahmen sorgen für einen maximal möglichen Temperaturunterschied zwischen Warmund Kaltgang von 10 bis 15 Kelvin und führen dazu, dass die
Luftmenge der Umluftkühlgeräte reduziert werden kann und
kleinere Umluftkühlgeräte eingesetzt werden können. Weniger Luftmenge bedeutet weniger elektrische Leistungsaufnahme und damit Energie-Einsparung.
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Top-Thema: Moderne Rechenzentren
Tipp 6: Höhere Vorlauftemperaturen
Durch die beschriebene konsequente Trennung von Luftqualitäten können die Umluftkühlsysteme mit höheren Vorlauftemperaturen betrieben werden, der wichtigste Faktor
überhaupt bei der Einsparung von Energie.
Bei der Klimatisierung mit Umluftkühlsystem können
heute Wassertemperaturen von 15 Grad Celsius realisiert
werden, hingegen reichen bei Einsatz der Rack-basierten Direktkühlung oft 20-21 Grad Celsius aus, um ein ausreichendes Kühlergebnis zu erzielen.
Tipp 7: Außenluft zur indirekten Freikühlung
Egal, ob die Hardware-Abwärme über konventionelle Umluftkühlsysteme oder Direktkühlsysteme abgeführt wird – in
jedem Fall muss das Kühlmedium innerhalb des Kältekreislaufs zurück gekühlt werden. Dies erfolgt bei hohen Außentemperaturen zwangsläufig mit Chillern, das heißt Kältemaschinen. Die energieeffiziente Methode zur Rückkühlung ist
hingegen die freie Kühlung. Diese nutzt eine Ressource, die
im Winter und in den Übergangszeiten ausreichend vorhanden ist: Kühle Außenluft. Nur wenn die Außentemperatur
die Vorlauftemperatur erreicht, werden die herkömmlichen
Kältemaschinen in Betrieb genommen.
Technische Basis der indirekten Freikühlung ist ein leistungsstarker Luft-Wasser-Wärmetauscher, der außerhalb des
Gebäudes steht und dort die Rückkühlung übernimmt. Dafür ist normalerweise eine Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Kaltwasser von drei Grad Celsius nötig. Mit leistungsfähigen Kälteregistern lässt sich der notwendige Unterschied auf 1,5 bis 1,0 Kelvin reduzieren. Ein Freikühlkreislauf mit 21 °C Vorlauftemperatur funktioniert dann beispielsweise bis zu einer Außentemperatur von 19,5 Grad
Celsius. (In Berlin liegt zu ca. 90 Prozent des Jahres die Außenlufttemperatur unterhalb von 19,5 °C.)
Tipp 8: Vorsicht bei der Nutzung von Außenluft
Wird die kalte Außenluft direkt zur Kühlung eines Serverraumes verwendet, spricht man von der direkten Freikühlung. Durch die Mischung mit der warmen Rückluft des Serverraums mit Hilfe eines Luftklappensystems wird hierbei
die Temperatur der Zuluftmenge auf den gewünschten Wert
geregelt. Bis zirka 24 °C Außentemperatur kann frei gekühlt
werden. Bei der direkten Freikühlung muss allerdings der
Aufwand für die Filtrierung der Außenluft sowie die erforderliche Befeuchtung der, je nach Wetterlage, trockenen Außenluft berücksichtigt werden.
Der Aufwand für die Befeuchtung – in der Regel wird
mit elektrischem Strom Dampf erzeugt, um die Mindest-
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Luftfeuchte im RZ aufrecht zu erhalten – verschlechtert wieder die PUE.
Tipp 9: Wärmebilanz entlasten
Blade-Server-Systeme erzeugen bis zu 25 kW Abwärme pro
Schrank. Aufgrund der hohen Leistungsdichte stellen solche
Racks oftmals »Wärmenester« dar, deren Kühlung das Effizienzkonzept in Frage stellt. Hier kommt es schnell zur
Überhitzung, etwa wenn die Höhe des Doppelbodens und
die Luftauslassplatten es nicht erlauben genügend Luft zu
solchen Aufstellbereichen zu bringen.
Die Erhöhung der Luftmenge erfordert die Erhöhung des
statischen Überdrucks im Doppelboden, verbunden mit einem
exponentiellen Anstieg der elektrischen Leistungsaufnahme
der Ventilatoren. Die Absenkung der Vorlauftemperatur führt
zur Verminderung der Freikühlung und damit einem starken
Anstieg des Stromverbrauchs durch die Kältemaschinen.
Sind Hot-Spot-Racks nicht vermeidbar, so müssen diese
durch den Einsatz von Direktkühlsystemen aus der Gesamtwärmebilanz herausgenommen werden. Dabei wird an einem Rack jeweils ein Direktkühlsystem seitlich angeflanscht.
Die gekühlte Luft wird seitlich in das Rack vor die Serverfront eingeblasen, an der Rückseite wird die warme Luft wieder aufgenommen. Der umgebende Raum »spürt nichts« von
der hohen Wärmelast und kann weiter im Sinne der Energieeffizienz betrieben werden.
Tipp 10: Neue Technologien in Betracht ziehen
Eine weitere Alternative bietet die Geothermie. Dabei wird
die im Data Center aufgenommene Wärme durch ein Erdsondensystem ins Erdreich abgeleitet, dort abgekühlt und anschließend wieder zurück zum Rechenzentrum geführt. Bei
dieser Form der Nutzung von regenerativen Energien müssen die Bodengegebenheiten berücksichtigt werden. Überschlägig kann man aus einer Erdsonde mit 100 m Bohrtiefe
ca. 2,5 kW an Kälteleistung beziehen.
Resümee. Jedes Rechenzentrum stellt individuelle Anforderungen an die Klimatisierung. Diese ergeben sich aus der Abwärmeleistung der einzelnen Schränke, der Raumgeometrie
sowie der Nutzung des Gebäudes. Daher sollte jedes Kühlsystem speziell an das jeweilige Data Center angepasst werden.
Nach einer Untersuchung des Bundesministeriums für
Umwelt kann der Stromverbrauch eines durchschnittlichen
Bestands-Rechenzentrums durch gezielte Maßnahmen um
bis zu 35 Prozent reduziert werden.
Bernd Hanstein
Bernd Hanstein, Hauptabteilungsleiter Produktmanagement
System Solutions bei Rittal in Herborn, www.rittal.de
Der Stromverbrauch eines durchschnittlichen Bestands-Rechenzentrums kann
durch gezielte Maßnahmen um bis zu 35 Prozent reduziert werden.
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