IT-Cooling Wiki

Mit steigenden Leistungsdichten in Rechenzentren gewinnt Liquid Cooling zunehmend an Bedeutung. Vor allem leistungsstarke Systeme für künstliche Intelligenz und High Performance Computing können Wärmelasten erzeugen, die sich mit klassischen luftbasierten Konzepten nur noch mit sehr hohen Luftmengen abführen lassen.

Das bedeutet jedoch nicht, dass die Luftkühlung grundsätzlich durch Flüssigkeitskühlung ersetzt wird. Welches Verfahren geeignet ist, hängt vor allem von der eingesetzten IT-Hardware, der Leistung einzelner Racks, der vorhandenen Infrastruktur und den Anforderungen des jeweiligen Rechenzentrums ab.

Wie unterscheiden sich Luftkühlung und Liquid Cooling?

Bei der Luftkühlung wird die Wärme der IT-Komponenten an einen Luftstrom übertragen. Die erwärmte Luft wird anschließend einem Kühlsystem zugeführt, abgekühlt und wieder in den IT-Bereich zurückgeführt. Entscheidend sind dabei ausreichende Luftmengen und eine kontrollierte Trennung von kalter und warmer Luft.

Beim Liquid Cooling wird Wärme dagegen ganz oder teilweise über eine Flüssigkeit direkt an oder in unmittelbarer Nähe der IT-Komponenten aufgenommen. Ein verbreitetes Verfahren ist Direct-to-Chip Cooling, bei dem beispielsweise Prozessoren oder andere besonders stark belastete Komponenten über Kühlplatten entwärmt werden.

Da Flüssigkeiten Wärme wesentlich kompakter transportieren können als Luft, eignen sich solche Systeme besonders für sehr hohe Leistungsdichten.

Wann ist Luftkühlung weiterhin sinnvoll?

Für viele Serverräume und Rechenzentren bleibt Luftkühlung eine technisch sinnvolle Lösung. Das gilt insbesondere dann, wenn die vorhandenen Wärmelasten mit vertretbaren Luftmengen zuverlässig abgeführt werden können.

Vorteile können sich insbesondere bei klassischer luftgekühlter IT-Hardware ergeben. Die Wärmeabfuhr erfolgt ohne Flüssigkeitsanschlüsse bis unmittelbar an die Server, und vorhandene IT-Infrastrukturen lassen sich häufig ohne grundlegende Änderung des Kühlprinzips weiter nutzen.

Auch bei der Modernisierung bestehender Serverräume kann dies ein wichtiger Vorteil sein. Durch optimierte Luftführung, größere Wärmetauscherflächen oder leistungsfähigere Entwärmungssysteme lässt sich die vorhandene Luftkühlung an steigende Anforderungen anpassen.

Hinzu kommt die Möglichkeit, bei geeigneten Betriebs- und Außenbedingungen freie Kühlung zu nutzen und dadurch den Einsatz mechanischer Kälte zu reduzieren.

Wann spricht mehr für Liquid Cooling?

Je höher die Leistung eines einzelnen Racks wird, desto größer wird bei einer reinen Luftkühlung der erforderliche Luftvolumenstrom. Irgendwann können die notwendigen Luftmengen, Strömungsquerschnitte und Ventilatorleistungen technisch oder wirtschaftlich unpraktisch werden.

Besonders bei sehr hohen Leistungsdichten von AI- und HPC-Systemen kann Liquid Cooling deshalb Vorteile bieten. Die Wärme wird näher an ihrer Entstehungsstelle aufgenommen und muss nicht vollständig über die Raumluft transportiert werden.

Voraussetzung ist allerdings, dass die eingesetzte IT-Hardware für das jeweilige Flüssigkeitskühlsystem ausgelegt ist und die erforderliche Infrastruktur für Verteilung, Wärmeübertragung, Überwachung und Betrieb vorhanden ist.

Die Entscheidung sollte daher nicht allein anhand eines bestimmten Rack-Leistungswertes getroffen werden. Entscheidend ist das Gesamtsystem aus IT-Hardware, Leistungsdichte, Kühltechnik und Infrastruktur.

Warum werden hybride Kühlkonzepte wichtiger?

Luft- und Flüssigkeitskühlung müssen nicht als konkurrierende Systeme betrachtet werden. In modernen Rechenzentren können beide Verfahren miteinander kombiniert werden.

Hoch belastete Prozessoren oder komplette High-Density-Systeme können beispielsweise über Liquid Cooling entwärmt werden, während klassische Server, Speicher- und Netzwerkkomponenten weiterhin luftgekühlt arbeiten.

Auch bei Direct-to-Chip Cooling kann eine Wärmelast im Raum verbleiben. Nicht alle Komponenten eines Servers geben ihre Wärme zwangsläufig an den Flüssigkeitskreislauf ab. Eine ergänzende Luftkühlung kann deshalb weiterhin erforderlich sein.

Hybride Rechenzentren ermöglichen damit, unterschiedliche Leistungsdichten innerhalb derselben Infrastruktur mit jeweils geeigneten Kühlverfahren zu versorgen.

Individuelle Luftkühlung für Serverräume und Rechenzentren

HANSA konzentriert sich bei der IT-Kühlung auf luftbasierte Kühlsysteme und bietet derzeit keine Direct-to-Chip-Flüssigkeitskühlung an. Wo Wärmelasten sinnvoll über Luft abgeführt werden können, lassen sich Kühlsysteme jedoch individuell auf das jeweilige Projekt abstimmen.

Dabei können unter anderem Luftleistung, Wärmetauscherflächen, Geräteabmessungen, Luftführung, Kälteversorgung, Redundanz und Regelung an die Anforderungen des Serverraums oder Rechenzentrums angepasst werden.

Diese individuelle Auslegung ermöglicht auch Lösungen, die über klassische standardisierte Kühlgeräte hinausgehen. Ein Beispiel sind großflächige Kühlwände, bei denen hohe Luftmengen über entsprechend dimensionierte Wärmetauscherflächen gekühlt werden. Dieses Prinzip behandeln wir im Artikel über Kühlwände im Rechenzentrum ausführlicher.

Ob Luftkühlung, Liquid Cooling oder eine Kombination beider Verfahren geeignet ist, sollte deshalb anhand der tatsächlichen IT-Struktur entschieden werden. Luftkühlung bleibt insbesondere dort interessant, wo sie die erforderlichen Wärmelasten zuverlässig, effizient und mit angemessenem technischen Aufwand abführen kann.

Freie Kühlung im Rechenzentrum – Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten

Serverräume und Rechenzentren benötigen über weite Teile des Jahres Kühlung – auch dann, wenn die Außentemperaturen niedrig sind. Genau hier setzt die freie Kühlung an: Geeignete Außenbedingungen werden genutzt, um die Wärme der IT mit möglichst geringem Einsatz mechanischer Kälte abzuführen.

„Freie Kühlung“ bedeutet dabei nicht, dass keine elektrische Energie benötigt wird. Ventilatoren, Pumpen und Regelung benötigen weiterhin Energie. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass die mechanische Kälteanlage bei geeigneten Außenbedingungen vollständig abgeschaltet oder zumindest deutlich entlastet werden kann.

Wie funktioniert freie Kühlung?

Voraussetzung für freie Kühlung ist ein ausreichendes Temperaturgefälle zwischen dem zu kühlenden IT-Bereich und der Umgebung. Sind die Außenbedingungen günstig, kann die Wärme ohne oder mit reduziertem Einsatz einer Kältemaschine an die Umgebung abgegeben werden.

Wie häufig dies im Jahresverlauf möglich ist, hängt unter anderem vom Standort, den Außentemperaturen, der IT-Wärmelast und den erforderlichen Betriebstemperaturen ab. Auch die Dimensionierung von Wärmetauschern, Luftwegen und Ventilatoren beeinflusst die nutzbaren Betriebsstunden der freien Kühlung.

Grundsätzlich lässt sich zwischen direkter und indirekter freier Kühlung unterscheiden. HANSA bietet für beide Verfahren unterschiedliche Gerätekonzepte an.

Was ist direkte freie Kühlung?

Bei der direkten freien Kühlung wird geeignete Außenluft unmittelbar zur Kühlung des Server- oder Technikraums genutzt. Ist die Außenluft kühl genug, wird sie in den zu kühlenden Bereich eingebracht, nimmt dort die Wärme auf und wird anschließend als erwärmte Fortluft wieder nach außen geführt.

Dieses Prinzip ermöglicht eine sehr direkte Nutzung niedriger Außentemperaturen. Gleichzeitig kommt die Außenluft unmittelbar mit dem zu kühlenden Bereich in Kontakt. Luftqualität, Filterung, Feuchtigkeit und andere Umgebungsbedingungen müssen deshalb bei der Planung berücksichtigt werden.

HANSA setzt die direkte freie Kühlung unter anderem bei den Geräteserien Slim Line und Free Line ein.

• Slim Line: kompakte Entwärmungsgeräte insbesondere für kleinere und mittlere Server- und Technikräume.
• Free Line: individuell konfigurierbare Geräte zur direkten freien Kühlung für größere Luftmengen und projektspezifische Anwendungen.

Reichen die Außenbedingungen für die freie Kühlung nicht aus, kann je nach Anlagenkonzept mechanische Kälte ergänzend eingesetzt werden. Dadurch lässt sich die frei verfügbare Außenluft möglichst lange zur Entwärmung nutzen.

Wie funktioniert indirekte freie Kühlung?

Bei der indirekten freien Kühlung bleiben Außenluft und Luft des Rechenzentrums voneinander getrennt. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher an die Außenluft übertragen. Die Luft des IT-Bereichs kann dadurch im Kreislauf geführt werden.

Der Vorteil besteht darin, dass niedrige Außentemperaturen genutzt werden können, ohne die Außenluft direkt in den Serverraum einzubringen. Staub, Verunreinigungen oder andere äußere Umwelteinflüsse gelangen somit nicht unmittelbar in den IT-Bereich.

HANSA nutzt dieses Prinzip bei der Geräteserie Blue Line IT. Die warme Luft aus dem Server- oder Technikraum wird über die integrierte Wärmerückgewinnung durch die kühlere Außenluft abgekühlt und anschließend wieder dem IT-Bereich zugeführt. Außenluft und Umluft bleiben dabei voneinander getrennt.

Je nach Ausführung kann die Wärmeübertragung bei Blue Line IT über einen Rotor oder über einen doppelten Kreuz-Gegenstrom-Plattenwärmetauscher erfolgen. Bei entsprechenden Außenbedingungen kann die Außenluft zusätzlich adiabatisch gekühlt werden. Reicht die so erzielbare Kühlleistung nicht aus, kann ein Kühlregister die notwendige zusätzliche Kühlung übernehmen.

Wann wird zusätzlich mechanische Kälte benötigt?

Die Außenbedingungen reichen nicht an jedem Standort und zu jeder Jahreszeit für eine vollständige freie Kühlung aus. Bei höheren Außentemperaturen kann deshalb zusätzliche mechanische Kälte erforderlich werden.

Besonders interessant sind kombinierte Systeme. Bei niedrigen Außentemperaturen übernimmt die freie Kühlung die Wärmeabfuhr. Steigt die Außentemperatur, kann mechanische Kälte bedarfsgerecht zugeschaltet werden.

Für die Energieeffizienz ist deshalb nicht nur der Auslegungsfall an besonders heißen Tagen entscheidend. Ebenso wichtig ist, mit welchem Energiebedarf das Kühlsystem während der vielen Stunden mit niedrigeren Außentemperaturen arbeitet.

Wie groß kann die Energieeinsparung durch freie Kühlung sein?

Die mögliche Energieeinsparung hängt stark von Standort, Außentemperaturen, Wärmelast, Temperaturniveau und Anlagenkonzept ab. Eine allgemeingültige Prozentangabe ist deshalb nicht möglich.

Eine Berechnung von HANSA für einen Technikraum mit 15 kW Kühlbedarf zeigt jedoch das mögliche Potenzial. Auf Grundlage der Temperaturverteilung nach DIN 4710 für Frankfurt am Main wurde ein Slim Line Q15 mit direkter freier Kühlung einem Umluftkühlgerät mit vergleichbarer mechanischer Kälteleistung gegenübergestellt.

Für das Umluftkühlgerät ergibt sich in dieser Berechnung ein elektrischer Jahresenergiebedarf von rund 40.550 kWh. Beim Slim Line Q15 werden einschließlich mechanischer Kälte und Ventilatoren rund 9.671 kWh benötigt.

Das entspricht in diesem konkreten Rechenbeispiel einer Reduzierung des elektrischen Energiebedarfs um etwa 76 %. Der wesentliche Grund dafür ist, dass die mechanische Kälte während eines großen Teils des Jahres nicht benötigt wird.

Die Ergebnisse lassen sich nicht pauschal auf andere Standorte, Wärmelasten oder Anlagen übertragen. Sie zeigen jedoch, welchen Einfluss die konsequente Nutzung niedriger Außentemperaturen auf den Jahresenergiebedarf der IT-Kühlung haben kann. Die Berechnungsgrundlagen und weitere Details finden Sie auf unserer Seite zur Wirtschaftlichkeit der IT-Kühlung.

Welchen Einfluss haben die Temperaturen im Rechenzentrum?

Wie lange freie Kühlung genutzt werden kann, hängt auch davon ab, welche Temperaturen das Kühlsystem bereitstellen muss. Werden unnötig niedrige Temperaturen gefordert, kann die Außenluft nur während entsprechend kühler Witterungsbedingungen zur vollständigen Wärmeabfuhr genutzt werden.

Werden dagegen die für die eingesetzte IT zulässigen Temperaturbereiche sinnvoll genutzt, können sich die Betriebszeiten der freien Kühlung erhöhen. Die Temperaturstrategie des Rechenzentrums beeinflusst damit unmittelbar die energetischen Möglichkeiten des Kühlsystems.

Warum ist die Regelung für freie Kühlung wichtig?

Außentemperatur und IT-Last verändern sich kontinuierlich. Entsprechend sollte auch die Kühlleistung an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden.

Eine geeignete Regelung steuert Ventilatoren und weitere Komponenten bedarfsgerecht und entscheidet, wann freie Kühlung ausreicht und wann zusätzliche Kälte benötigt wird. Dadurch lässt sich das energetische Potenzial der freien Kühlung nutzen, ohne die erforderlichen Betriebsbedingungen der IT zu gefährden.

Welche HANSA Lösung eignet sich für welche Form der freien Kühlung?

HANSA bietet unterschiedliche Gerätekonzepte für die freie Kühlung von Server-, Technik- und Rechenzentren. Welche Lösung geeignet ist, hängt insbesondere von Wärmelast, benötigter Luftmenge, Platzverhältnissen und den Anforderungen an die Trennung von Außen- und Raumluft ab.

• Slim Line: kompakte Geräte mit direkter freier Kühlung für Server- und Technikräume.
• Free Line: individuell konfigurierbare Geräte mit direkter freier Kühlung für größere und projektspezifische Anwendungen.
• Blue Line IT: individuell ausgelegte Systeme mit indirekter freier Kühlung und Trennung von Außen- und Umluft über Wärmerückgewinnung.

Entscheidend ist dabei nicht nur das einzelne Kühlgerät. Freie Kühlung, mechanische Kälte, Wärmetauscher, Ventilatoren, Luftführung und Regelung sollten als Gesamtsystem betrachtet werden. Ziel ist, die freie Kühlung möglichst lange zu nutzen und zusätzliche Kälteerzeugung nur dann einzusetzen, wenn sie tatsächlich benötigt wird.

Eine Kühlwand ist eine besondere Form der luftbasierten Rechenzentrumskühlung. Statt die erforderlichen Wärmetauscherflächen in vergleichsweise kompakten Umluftkühlgeräten unterzubringen, wird ein großer Teil einer Wandfläche für die Kühlung genutzt.

Dadurch stehen große Wärmetauscherflächen und Strömungsquerschnitte zur Verfügung. Hohe Luftmengen können mit vergleichsweise geringen Strömungswiderständen bewegt werden. Das macht Kühlwände insbesondere für Rechenzentren interessant, in denen größere Wärmelasten weiterhin über Luft abgeführt werden sollen.

Wie funktioniert eine Kühlwand?

Das grundlegende Funktionsprinzip ähnelt einem klassischen Umluftkühlgerät. Die von den Servern erwärmte Luft wird über Ventilatoren zum Kühlsystem geführt und durch großflächige Wärmetauscher geleitet.

Die Wärme der Luft wird dabei in der Regel an einen Wasserkreislauf übertragen. Die abgekühlte Luft wird anschließend wieder auf die Ansaugseite der IT geführt.

Der wesentliche Unterschied liegt in der Bauform. Wärmetauscher und Ventilatoren können über große Wandflächen verteilt werden, anstatt auf den Querschnitt einzelner Kühlgeräte begrenzt zu sein.

Welche Vorteile bietet die große Wärmetauscherfläche?

Eine große Wärmetauscherfläche ermöglicht es, hohe Luftmengen über vergleichsweise große freie Querschnitte zu führen. Dadurch können die luftseitigen Druckverluste reduziert und günstigere Betriebsbedingungen für die Ventilatoren erreicht werden.

Gleichzeitig können große Wärmetauscherflächen bereits bei relativ kleinen Temperaturdifferenzen hohe Wärmeleistungen übertragen. Dies kann höhere Kühlwassertemperaturen ermöglichen und damit auch die Effizienz der vorgelagerten Kälte- oder Rückkühltechnik verbessern.

Wie groß diese Vorteile tatsächlich ausfallen, hängt von der Auslegung des Wärmetauschers, den Luftmengen, den Wassertemperaturen und dem gesamten Anlagenkonzept ab.

Wie wird eine Kühlwand in das Rechenzentrum integriert?

Kühlwände können Bestandteil der räumlichen Trennung zwischen warmem und kaltem Bereich des Rechenzentrums sein. Die warme Serverabluft wird gesammelt, über die Wärmetauscher geführt und anschließend wieder als gekühlte Luft der IT zur Verfügung gestellt.

Abhängig vom Raumkonzept kann die Luft beispielsweise über einen Doppelboden, einen Deckenbereich oder unmittelbar über einen Kalt- beziehungsweise Warmgang geführt werden.

Entscheidend ist eine kontrollierte Luftführung. Je weniger sich gekühlte und erwärmte Luft unkontrolliert vermischen, desto gezielter kann die Kühlleistung genutzt werden.

Wann ist eine Kühlwand interessant?

Kühlwände sind insbesondere dann interessant, wenn größere Wärmelasten über Luft abgeführt werden sollen und ausreichend Fläche für eine großflächige Kühllösung vorhanden ist.

Mögliche Einsatzbereiche sind größere Rechenzentren mit luftgekühlter IT, aber auch Bestandsanlagen, bei denen die vorhandene Kühlleistung erhöht oder die Luftführung neu organisiert werden soll.

Das Konzept kann außerdem eine interessante Lösung zwischen klassischen Umluftkühlgeräten und einer vollständigen Umstellung auf Liquid Cooling darstellen. Solange die eingesetzte IT ihre Wärme überwiegend an die Raumluft abgibt, kann eine großflächige Luftkühlung auch bei steigenden Wärmelasten sinnvoll sein.

Ist eine Kühlwand das Gleiche wie Liquid Cooling?

Nein. Auch wenn der Wärmetauscher einer Kühlwand in der Regel mit Wasser betrieben wird, handelt es sich weiterhin um eine Luftkühlung der IT.

Die Server geben ihre Wärme zunächst an die Luft ab. Erst an der Kühlwand wird diese Wärme von der Luft auf das Kühlwasser übertragen. Es bestehen somit keine Flüssigkeitsanschlüsse an den einzelnen Servern.

Bei Direct-to-Chip Liquid Cooling ist dies anders. Dort wird die Wärme bereits unmittelbar an besonders stark belasteten IT-Komponenten über einen Flüssigkeitskreislauf aufgenommen.

Können Kühlwand und freie Kühlung kombiniert werden?

Eine Kühlwand beschreibt zunächst die Art der Wärmeübertragung innerhalb des Rechenzentrums. Wie die vom Kühlwasser aufgenommene Wärme anschließend an die Umgebung abgegeben wird, ist davon grundsätzlich unabhängig.

Bei geeigneten Außenbedingungen kann beispielsweise ein Rückkühler das erforderliche Kühlwasser ohne oder mit reduziertem Einsatz mechanischer Kälte bereitstellen. Bei höheren Außentemperaturen kann eine Kältemaschine ergänzend eingesetzt werden.

Damit lässt sich auch eine Kühlwand in ein Gesamtkonzept mit freier und mechanischer Kühlung integrieren.

Individuelle Kühlwände von HANSA

HANSA führt Kühlwände derzeit nicht als eigene standardisierte Produktbaureihe. Durch die individuelle Konstruktion und Fertigung von RLT- und IT-Kühlgeräten lässt sich das technische Prinzip jedoch projektspezifisch umsetzen.

Wärmetauscherflächen, Ventilatoren, Luftmengen, Abmessungen und Geräteaufteilung können dabei auf die räumlichen Verhältnisse und die erforderliche Kühlleistung des Rechenzentrums abgestimmt werden. Auch Regelung und Redundanz können entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Projekts ausgelegt werden.

Gerade bei Kühlwänden ist diese individuelle Planung von Vorteil, da verfügbare Wandflächen, Luftwege, Rack-Anordnung und Leistungsdichten von Rechenzentrum zu Rechenzentrum unterschiedlich sind.

Die Kühlwand ist damit weniger als einzelnes Standardgerät zu verstehen, sondern als Teil eines auf das Rechenzentrum abgestimmten Luftkühlkonzepts.

Eine leistungsfähige Kühlung allein stellt noch nicht sicher, dass alle Server ausreichend gekühlt werden. Ebenso wichtig ist, dass die gekühlte Luft tatsächlich an der Ansaugseite der IT-Komponenten ankommt und erwärmte Abluft möglichst direkt zum Kühlsystem zurückgeführt wird.

Das Kaltgang-Warmgang-Prinzip schafft dafür eine geordnete Luftführung. Durch die gezielte Anordnung der Serverracks werden kalte und warme Luftbereiche voneinander getrennt und unerwünschte Vermischungen reduziert.

Wie funktionieren Kaltgang und Warmgang?

Serverracks werden so angeordnet, dass sich jeweils die Ansaugseiten und die Ausblasseiten gegenüberstehen. Zwischen den Ansaugseiten entsteht der Kaltgang, zwischen den Rückseiten der Server der Warmgang.

Die gekühlte Luft wird dem Kaltgang zugeführt und von den Servern angesaugt. Beim Durchströmen der IT nimmt sie Wärme auf und tritt auf der Rückseite mit einer höheren Temperatur wieder aus. Diese erwärmte Luft wird anschließend zum Kühlsystem zurückgeführt.

Auf diese Weise entsteht ein definierter Luftweg: Kühlsystem – Kaltgang – Server – Warmgang – Kühlsystem.

Warum sollten kalte und warme Luft getrennt werden?

Vermischen sich kalte Zuluft und warme Serverabluft unkontrolliert, verschlechtert sich die Effizienz der Kühlung. Ein Teil der bereits gekühlten Luft kann zum Kühlsystem zurückströmen, ohne zuvor einen Server durchströmt zu haben. Gleichzeitig kann warme Abluft erneut auf die Ansaugseite der IT gelangen.

Dadurch können lokale Bereiche mit erhöhten Eintrittstemperaturen entstehen, obwohl im Raum insgesamt ausreichend Kühlleistung vorhanden ist.

Eine kontrollierte Luftführung reduziert solche Luftkurzschlüsse. Die vorhandene Kühlleistung kann dadurch gezielter genutzt werden, anstatt durch eine niedrigere Zulufttemperatur oder größere Luftmengen eine ungünstige Strömung ausgleichen zu müssen.

Was bringt eine Kaltgang- oder Warmgangeinhausung?

Eine einfache Kaltgang-Warmgang-Anordnung reduziert die Vermischung der Luftströme, verhindert sie aber nicht vollständig. Eine zusätzliche Einhausung kann kalte und warme Bereiche noch konsequenter voneinander trennen.

Bei einer Kaltgangeinhausung wird der Bereich mit der gekühlten Zuluft räumlich begrenzt. Bei einer Warmgangeinhausung wird dagegen die erwärmte Serverabluft erfasst und gezielt zum Kühlsystem zurückgeführt.

Welches Konzept geeigneter ist, hängt unter anderem von der Gebäudestruktur, der Luftzuführung, der Rack-Anordnung und dem eingesetzten Kühlsystem ab. Entscheidend ist weniger die Bezeichnung des Systems als eine möglichst vollständige Trennung der beiden Luftströme.

Was sind Bypass-Luft und Rezirkulation?

Zwei typische Probleme einer ungünstigen Luftführung sind Bypass-Luft und Rezirkulation.

• Bypass-Luft: Gekühlte Luft gelangt zurück zum Kühlsystem, ohne zuvor die IT-Komponenten durchströmt und Wärme aufgenommen zu haben.
• Rezirkulation: Bereits erwärmte Serverabluft gelangt erneut auf die Ansaugseite der IT und erhöht dort die Eintrittstemperatur.

Beide Effekte sollten möglichst reduziert werden. Dabei spielen nicht nur Kalt- und Warmgänge eine Rolle. Auch offene Höheneinheiten in Racks, Kabeldurchführungen, Bodenöffnungen und andere unkontrollierte Strömungswege können die Luftführung beeinflussen.

Warum müssen Luftmenge und Serverbedarf zusammenpassen?

Das Kühlsystem muss ausreichend Luft bereitstellen, um die entstehende Wärmelast aufzunehmen. Gleichzeitig sollte die Luft möglichst dort zur Verfügung stehen, wo sie von den Servern benötigt wird.

Eine sehr große Luftmenge allein löst eine ungünstige Verteilung nicht. Werden einzelne Bereiche überversorgt und andere unterversorgt, können trotz ausreichender Gesamtluftmenge lokale Hotspots entstehen.

Bei unterschiedlichen Rack-Leistungen sollte deshalb berücksichtigt werden, dass nicht jeder Bereich des Rechenzentrums den gleichen Luftbedarf besitzt. Sensorik und eine bedarfsgerechte Regelung können helfen, den Betrieb an die tatsächlichen Lastverhältnisse anzupassen.

Welchen Einfluss hat die Luftführung auf die Energieeffizienz?

Eine gute Trennung von kalter und warmer Luft kann die Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Rückluft besser nutzbar machen. Die Luft nimmt auf ihrem Weg durch die IT gezielt Wärme auf und gelangt anschließend mit höherer Temperatur zurück zum Kühlsystem.

Dadurch können Wärmetauscher und Kühlsystem unter günstigeren Bedingungen arbeiten. Gleichzeitig sinkt die Notwendigkeit, unnötig große Luftmengen bereitzustellen oder die Zuluft stärker abzukühlen, nur um Strömungsprobleme zu kompensieren.

Luftführung und Energieeffizienz sollten deshalb bereits bei der Planung des Rechenzentrums gemeinsam betrachtet werden.

Wie hängen Luftführung und Kühlsystem zusammen?

Die optimale Luftführung hängt auch davon ab, wie die gekühlte Luft bereitgestellt und die warme Luft zurückgeführt wird. Eine Luftzuführung über Doppelboden stellt andere Anforderungen als eine direkte Zufuhr in den Kaltgang oder ein System mit großflächiger Kühlwand.

Deshalb sollten Rack-Anordnung, Kalt- und Warmgänge, Kühlsystem und Luftwege nicht unabhängig voneinander geplant werden. Besonders bei hohen Wärmelasten kann eine frühzeitige Abstimmung verhindern, dass später große Luftmengen durch ungünstige oder zu kleine Strömungsquerschnitte geführt werden müssen.

Individuelle Planung der Luftführung mit HANSA

Bei individuell geplanten Rechenzentren muss sich auch das Kühlsystem an die vorhandenen räumlichen Bedingungen anpassen können. HANSA fertigt IT-Kühlgeräte deshalb sowohl in standardisierten als auch in projektspezifischen Bauformen.

Geräteabmessungen, Luftanschlüsse, Luftmengen, Ventilatoranordnung und Regelung können auf das jeweilige Luftführungskonzept abgestimmt werden. Gerade bei großen oder räumlich anspruchsvollen Anlagen kann eine solche individuelle Auslegung dazu beitragen, unnötige Umlenkungen und Druckverluste zu vermeiden.

HANSA unterstützt die Planung dabei auch mit 3D-Modellen. Dies ist insbesondere bei Bestandsgebäuden oder beengten Platzverhältnissen hilfreich, um Gerät, Luftwege und vorhandene Gebäudestrukturen frühzeitig aufeinander abzustimmen.

Freie Kühlung kann den Energiebedarf eines Rechenzentrums deutlich reduzieren. Sie steht jedoch nicht unter allen Außenbedingungen mit ausreichender Leistung zur Verfügung. Steigen Außentemperatur oder Wärmelast, muss die erforderliche Kühlleistung gegebenenfalls durch mechanische Kälte ergänzt werden.

Dabei gibt es unterschiedliche Möglichkeiten: Die Kälteanlage kann direkt in das Kühlgerät integriert sein oder die Kälte wird zentral über einen externen Kaltwassersatz erzeugt. Darüber hinaus können freie und mechanische Kühlung zu einem hybriden Gesamtsystem kombiniert werden.

Integrierte Kälteanlage oder externer Kaltwassersatz?

Die mechanische Kälte muss nicht zwangsläufig direkt im IT-Kühlgerät erzeugt werden. Grundsätzlich lassen sich zwei Anlagenkonzepte unterscheiden.

Bei einer integrierten Kälteanlage befindet sich der wesentliche Kältekreislauf direkt im beziehungsweise am Kühlgerät. Das Gerät kann dadurch als weitgehend abgestimmte Systemeinheit ausgeführt werden. Die aufgenommene Wärme wird über einen Verflüssiger an die Umgebung abgegeben.

Alternativ kann das IT-Kühlgerät mit einem Kaltwasserregister ausgestattet werden. Die eigentliche Kälteerzeugung erfolgt dann außerhalb des Gerätes, beispielsweise über einen zentralen Kaltwassersatz. Das gekühlte Wasser wird zum Wärmetauscher des IT-Kühlgerätes geführt und nimmt dort die Wärme der Umluft auf.

Welche Variante geeigneter ist, hängt unter anderem von der erforderlichen Kühlleistung, der vorhandenen Infrastruktur, Redundanzanforderungen, Platzverhältnissen und dem gewünschten Anlagenkonzept ab.

Welche Vorteile bietet eine externe Kaltwasserversorgung?

Bei einer zentralen Kaltwasserversorgung sind IT-Kühlgerät und Kälteerzeugung hydraulisch miteinander verbunden, der Kältemittelkreislauf befindet sich jedoch im Kaltwassersatz. Dadurch lassen sich Luftkühlung und Kälteerzeugung technisch voneinander trennen.

Das kann insbesondere bei größeren Anlagen interessant sein. Mehrere Kühlgeräte können über ein gemeinsames Kaltwassernetz versorgt werden. Gleichzeitig kann die zentrale Kälteerzeugung entsprechend den Anforderungen des Projekts ausgelegt und bei Bedarf unabhängig von den luftseitigen Kühlgeräten modernisiert werden.

Auch im Hinblick auf die Auswahl des Kältemittels bietet dieses Konzept Flexibilität. Welches Kältemittel im Kaltwassersatz eingesetzt wird, ist nicht unmittelbar durch das luftseitige IT-Kühlgerät vorgegeben. Bei Planung oder späterer Erneuerung der Kälteerzeugung können daher unterschiedliche technische Lösungen berücksichtigt werden.

Welche Bedeutung hat die F-Gase-Verordnung für die Kälteerzeugung?

Die europäische F-Gase-Verordnung verschärft die Anforderungen an fluorierte Kältemittel und führt schrittweise zu einer stärkeren Begrenzung von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial. Die Wahl des Kältemittels gewinnt deshalb bei der Planung und Modernisierung von Kälteanlagen weiter an Bedeutung.

Eine externe Kaltwasserversorgung kann hier zusätzliche Flexibilität schaffen: Das IT-Kühlgerät selbst arbeitet auf der Kälteseite mit Wasser beziehungsweise einem geeigneten Wasser-Glykol-Gemisch, während die Auswahl des Kältemittels auf Ebene des Kaltwassersatzes erfolgt.

Dadurch kann die Kälteerzeugung entsprechend der technischen, gesetzlichen und betrieblichen Anforderungen gewählt oder später erneuert werden, ohne dass zwangsläufig auch die luftseitigen Kühlgeräte ausgetauscht werden müssen.

Welche Kältemittel und Anlagenkonzepte im konkreten Projekt sinnvoll und zulässig sind, muss dabei jeweils anhand der aktuellen gesetzlichen Anforderungen sowie der technischen Randbedingungen bewertet werden.

Was bedeutet hybride Kühlung im Rechenzentrum?

Bei einem hybriden Kühlkonzept werden unterschiedliche Verfahren miteinander kombiniert. Besonders interessant ist die Verbindung von freier und mechanischer Kühlung.

Abhängig von Außenbedingungen und Wärmelast können unterschiedliche Betriebszustände genutzt werden:

• Freie Kühlung: Die Außenbedingungen reichen aus, um die erforderliche Kühlleistung ohne Verdichterbetrieb bereitzustellen.
• Mischbetrieb: Die freie Kühlung übernimmt einen Teil der Wärmelast, während mechanische Kälte die verbleibende Kühlleistung bereitstellt.
• Mechanische Kühlung: Bei ungünstigen Außenbedingungen wird die benötigte Kühlleistung überwiegend oder vollständig über die Kälteanlage bereitgestellt.

Ziel ist es, die energetisch günstigere freie Kühlung möglichst lange zu nutzen und die mechanische Kälte nur bedarfsgerecht zu ergänzen.

Warum ist der Mischbetrieb interessant?

Freie und mechanische Kühlung müssen nicht ausschließlich als zwei getrennte Betriebszustände betrachtet werden. Häufig können niedrige Außentemperaturen bereits einen Teil der erforderlichen Kühlleistung bereitstellen, obwohl sie für eine vollständige freie Kühlung nicht mehr ausreichen.

In diesem Betriebsbereich muss die mechanische Kälte lediglich die verbleibende Kühllast übernehmen. Für die Jahresenergieeffizienz ist deshalb nicht nur der Betrieb an besonders heißen Tagen entscheidend, sondern das Verhalten des Gesamtsystems über den gesamten Jahresverlauf.

Welche Rolle spielt die Regelung?

Die Regelung entscheidet wesentlich darüber, wie effizient ein kombiniertes Kühlsystem arbeitet. Sie muss den aktuellen Kühlbedarf erfassen und die verfügbaren Kühlverfahren entsprechend einsetzen.

Dabei können unter anderem Außen-, Zu- und Rücklufttemperaturen, die aktuelle Wärmelast sowie die Betriebszustände von Ventilatoren und Kälteerzeugung berücksichtigt werden.

Freie Kühlung, Ventilatoren und mechanische Kälte sollten deshalb nicht als voneinander unabhängige Komponenten betrachtet werden, sondern als gemeinsam geregeltes Gesamtsystem.

Welche HANSA Lösung eignet sich für welches Kühlkonzept?

Je nach Anforderungen können unterschiedliche HANSA Gerätekonzepte eingesetzt werden:

• Slim Line: kompakte IT-Kühlgeräte, bei denen freie und mechanische Kühlung miteinander kombiniert werden können.
• Free Line: individuell konfigurierbare Entwärmungsgeräte für größere und projektspezifische Anwendungen mit freier und ergänzender mechanischer Kühlung.
• ReCool Line: Umluftkühlgeräte wahlweise mit eigener Kälteanlage oder Kaltwasserregister zur Einbindung in eine externe Kaltwasserversorgung.
• Blue Line IT: individuell ausgelegte Systeme für größere Rechenzentren, bei denen unterschiedliche Verfahren der Wärmeabfuhr und Kälteversorgung projektspezifisch kombiniert werden können.

Nicht in jedem Projekt kann oder soll Außenluft direkt zur Kühlung eingesetzt werden. Bauliche Bedingungen, Anforderungen an die Luftreinheit oder klimatische Randbedingungen können eine reine Umluftkühlung erforderlich machen.

Für solche Anwendungen bietet HANSA die ReCool Line. Die Umluftkühlgeräte können entweder mit einer integrierten Kälteanlage und externem Verflüssiger oder mit einem Kaltwasserregister zur Einbindung in eine vorhandene beziehungsweise zentrale Kaltwasserversorgung ausgeführt werden.

Dadurch lässt sich das Kühlkonzept an die vorhandene Infrastruktur anpassen. Ist bereits eine zentrale Kälteversorgung vorhanden oder soll die Kälteerzeugung bewusst separat geplant werden, kann die Kaltwasservariante eingesetzt werden. Soll dagegen eine kompakte, aufeinander abgestimmte Lösung entstehen, bietet sich eine Variante mit eigener Kälteanlage an.

Welches System geeignet ist, hängt deshalb nicht allein von der maximal benötigten Kühlleistung ab. Ebenso wichtig sind Standort, IT-Leistungsdichte, vorhandene Kälteversorgung, Redundanz, Energieeffizienz, Platzverhältnisse und die langfristige Anlagenstrategie.