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Alles im grünen Bereich: Moderne Klimatisierungslösungen für Rechenzentren

Die technischen Anforderungen im RZ-Betrieb werden zunehmend komplexer. Speziell der hohe Kühlbedarf stellt die Betreiber im Zuge wachsender Leistungsdichte vor neue Herausforderungen. Eine zentrale Rolle bei der Planung von zukunftsorientierten Rechenzentren spielt deshalb die Klimatisierung.
Allein für die Kälteerzeugung benötigt ein Rechenzentrum bereits 30 bis 40% des gesamten Energieverbrauchs. Mithilfe einer energieeffizienten Klimatisierung könnte dieser Anteil auf bis zu 15% sinken. Richtungsweisende, zukunftsorientierte Klimatisierungskonzepte von Beginn an in die Planung einzubinden, gewinnt somit zunehmend an Bedeutung und gewährleistet einen sicheren und zugleich wirtschaftlichen RZ-Betrieb.

Direkte freie Kühlung sorgt für Energieeffizienz

Eine bedarfsgerechte Klimatisierung gestaltet sich von Projekt zu Projekt sehr unterschiedlich. Hierbei gilt es vor allem, eine zuverlässige und kostengünstige Maßnahme zu ergreifen. Die direkte freie Kühlung mit kalter Außenluft stellt vor diesem Hintergrund eine geeignete Lösung dar. Diese besticht vor allem durch ihre sehr kompakte Bauweise. Ein Rechenzentrum mit direkter Kühlung bedient sich kalter Außenluft und führt diese mittels eines Luftklappensystems unmittelbar in den Raum hinein. Somit wird die Wärmelast der eingesetzten IT direkt an den Luftstrom übergeben und im Zuge dessen wieder nach außen geleitet. Aufgrund dieser Vorgehensweise werden besonders in kalten und gemäßigten Klimazonen deutliche Energieeinsparpotenziale erzielt. Sollte die Außentemperatur ansteigen, wechselt das Klimagerät in den sogenannten Mischbetrieb. Mithilfe dieses Verfahrens wird dem Luftstrom über den Kältekreislauf zusätzliche Wärme entzogen. Um diese durchgängige effiziente Klimatisierung im Rechenzentrum sicherzustellen, ist es unabdingbar, die Luftfilter des Klimageräts regelmäßig zu überprüfen. Denn nur so kann ein ausreichender Kühleffekt garantiert werden. Da sich die direkte freie Kühlung der Außenluft bedient, besteht die Gefahr, dass eine nicht gewünschte Luftverschmutzung in das Rechenzentrum gelangt. Das wiederrum kann negative Auswirkungen auf die empfindlichen Serversysteme haben. Befindet sich ein Rechenzentrum in einer Umgebung mit einem hohen Verschmutzungsgrad der Luft, beispielsweise an Straßen mit mittlerem bis hohem Verkehrsaufkommen oder in einem Industriegebiet, ist die Klimatisierung der IT-Umgebung mittels direkter freier Kühlung nicht optimal geeignet. Ein noch höheres Risiko besteht allerdings, wenn Rauch in das Rechenzentrum gelangt, z.B. durch einen Großbrand in Gebäudenähe. In diesem Fall könnte eine Störmeldung bzw. eine Löschung im Rechenzentrum ausgelöst werden, oder eine Beschädigung der Server durch korrosive Brandgase stattfinden. Auch die eventuell notwendige Konditionierung der Außenluft, je nach Feuchtegehalt, muss berücksichtigt werden.

Indirekte freie Kühlung

Als ein Alternativprinzip zur direkten freien Kühlung prädestiniert sich die Klimatisierung mittels indirekter freier Kühlung. Dieses flexible Anlagensystem für IT-Bereiche bedient sich einer großen Leistungsbandbreite. Zudem bietet diese Variante eine gute Leistungsregelung durch Kaltwassersätze und Klimaschränke. Bei diesem Prinzip werden Luft-Wasser-Wärmeaustauscher, sogenannte Freikühler, in den Kreislauf des Kühlsystems eingebunden, die dann wiederrum die Wärme an die Außenluft abgeben. Der Stromverbrauch, der für die Klimatisierung erforderlich ist, kann bei dieser Maßnahme erheblich reduziert werden. Durch die indirekte freie Kühlung lässt sich vor allem in kalten Klimazonen ein großes Energieeinsparpotenzial erkennen, welches auf den niedrigen Außentemperaturen und somit auf der kürzeren Laufzeit der Kältemaschinen basiert. So können im Freikühlbetrieb und auch durch die Vorkühlung im kombinierten Betrieb die Verdichter abgeschaltet bzw. weniger belastet werden. Dank dieser Form der Klimatisierung können die Betriebskosten im Rechenzentrumsbetrieb um bis zu 80% gesenkt werden, da die Außentemperatur unter die Vorlauftemperatur sinkt und die gesamte Kühlung komplett ohne den Einsatz einer mechanischen Kältemaschine vorgenommen werden kann. Bei einem Ausfall der Maschine funktioniert die freie Kühlung bei niedrigen Temperaturen autark und kann so unterbrechungsfrei fortgesetzt werden.

DCDC: Hightech-Klimatisierung

Das DCDC (Data-Center-Direct-Cooling) ist wiederum eine Möglichkeit, bei einem um 25-30% geringeren Invest (im Vergleich zur Wasserkühlung) eine vollredundante Kühlung bis 35kW zu erhalten. Hierbei handelt es sich um ein zu 100% redundantes System zur Rechenzentrumskühlung. Mithilfe des DCDC können bis zu 30% Energieeinsparungen gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen erreicht werden. Dank einer Leistungsbreite von 5 bis 35kW je Seitenkühler wird das DCDC dem Kühlbedarf professioneller IT-Infrastrukturen voll und ganz gerecht. Zwei voneinander unabhängige Verdampfersysteme mit Lüftereinheiten bilden das Innenteil des DCDC. Das Außengerät setzt sich aus zwei Teilen mit jeweils separater Spannungsversorgung zusammen. Dabei liegt der Betriebsbereich der Außengeräte bei -20°C bis +43°C. Dank dieser Kühllösung sind Wasseranschlüsse sowie Doppelböden nicht mehr unbedingt notwendig. Zudem kann auch ein System zur Wärmerückgewinnung integriert werden, welches die Energieeffizienz zusätzlich steigert.

Umweltschonende Kälteerzeugung

Dabei stellt das DCDC nicht die einzige Neuentwicklung in diesem Bereich dar. Das Adsorptionskältegerät ist eine weitere Variante. Dieses System nimmt eine wahre Vorreiterrolle in Sachen Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit ein: Die Adsorptionskältemaschine reguliert nicht nur rund um die Uhr den Kälte- und Strombedarf der Server im Rechenzentrum, sondern stellt diese Energien auch gleich selbst bereit. Ermöglicht wird dies durch die geschickte Kombination der thermisch angetriebenen Kältemaschine mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW). Anders als bei stromgetriebenen Klimaanlagen nutzt das Gerät die Abwärme des BHKW als Antriebsenergie und spart dabei bis zu 70% der Stromkosten. Gegenüber konventionellen Kältemaschinen liegt ein weiterer Vorteil im deutlich geringeren Wartungsaufwand. Aufgrund der geringen Abmessung kann die Maschine platzsparend aufgestellt werden. Zudem verfügt sie über eine Internetschnittstelle, die eine Überwachung und Optimierung des Betriebs der Kältemaschine ohne direkten Zugang erlaubt. Für den Vakuumbereich, also den inneren Teil des Reaktors, werden keine aktiv bewegten Komponenten benötigt. Daher muss er auch nicht für Inspektions- und Wartungszwecke geöffnet werden und kann immer dicht verschlossen bleiben. Da bei dieser Kühllösung ausschließlich Wasser zum Einsatz kommt, sind keine korrosiven oder leicht flüchtigen Kältemittel notwendig. Auch die sehr geringen Kosten für Instandhaltung und Wartung sprechen für eine Kühlung der IT-Komponenten mittels Adsorptionsmaschine. Da ein Rückkühler zum System gehört, kann die Abwärme des BHKW im Winter zum Heizen der Büros etc. genutzt werden. Die Kühlung des Rechenzentrums erfolgt dann über die indirekte freie Kühlung.

Adiabate Kühlung

Zur Steigerung der Kühlleistung ohne erhöhten Energieaufwand ist in modernen Rechenzentren zudem eine adiabate Kühlmethode geradezu prädestiniert. Der Grund für die Energieeinsparung liegt darin, dass die adiabate Kühlung im Gegensatz zu konventionellen Klimaanlagen keinen Kompressor zur Verdichtung des Kühlmittels und dessen spätere Verdampfung benötigt. Diese Methode bedient sich ausschließlich der Ressource Wasser, um eine wirksame Kühlung herbeizuführen. Gleichzeitig muss im Vorfeld das Wasser aufbereitet werden, damit es keinen Kalk mehr enthält. Diese Form der Klimatechnik basiert auf einem thermodynamischen Vorgang, bei dem die thermische Energie nicht ausgetauscht, sondern lediglich abgegeben wird. Im Zuge dessen verwendet sie das Prinzip der Verdunstungskälte, um damit IT-Räume effektiv zu kühlen. Hierbei wird die Abluft zunächst adiabat mit Feuchtigkeit gesättigt. Im nächsten Schritt gibt die Luft einen Teil ihrer Energie an die Wassermoleküle ab und verliert somit an Temperatur. Zum Schluss durchströmt die gekühlte Abluft einen Wärmetauscher. Dieser kühlt wiederrum die angesaugte, warme Außenluft ab, die dann zur Klimatisierung des Rechenzentrums genutzt wird. Die befeuchtete, verbrauchte Luft gelangt ohne Umluftanteile schadenfrei unmittelbar ins Freie. Die indirekte Verdunstungskühlung erhöht im Zuge dessen jedoch nicht den Wassergehalt der Raumluft, sondern klimatisiert lediglich mit einem Kubikmeter Wasser am Tag ca. 1000m² der zur Verfügung stehenden Fläche. Mit dieser Methode können die Eigenschaften erneuerbarer Energien gut ausgenutzt werden, da zur Kälteerzeugung ausschließlich Luft und Wasser als Energiequellen verwendet werden. Um eine unterbrechungsfreie Klimatisierung mittels adiabater Kühlung sicherzustellen, sollte das Rechenzentrum an einem Standort errichtet werden, der diese kostengünstige Kühlmethode gewährleistet. Neben der Nutzung konventioneller Wasseranschlüsse besteht zudem die Möglichkeit, die Klimatisierung mithilfe von Regenwasser oder Flusswasser zu realisieren.

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