Technologien wie das Internet of Things (IoT), der kommende 5G-Mobilfunkstandard sowie Big Data-Analysen, aber auch die digitale Transformation generell, führen zu steigenden Anforderungen an die eigene IT-Infrastruktur. Somit müssen sich IT-Manager künftig mit Themen auseinandersetzen, die sonst eher Betreiber von HPC-Datacentern betreffen. Dazu zählt eine höhere Leistungsdichte in Serverschränken 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 kommen bestehende Kühlsysteme oftmals an ihre Kapazitätsgrenzen oder müssen in wirtschaftlich unrentablen Leistungsfenstern betrieben werden. Die folgenden Punkte helfen IT-Managern dabei, leistungsstarke Rechenzentren auf Optimierungspotenziale zu überprüfen.
Effiziente Kühlung mit Wasser
Wer die laufenden IT-Betriebskosten optimieren möchte, findet dafür mit der Wasserkühlung ein Konzept mit hohem Einsparpotenzial bei mittleren und hohen Leistungsklassen. In unseren Breitengraden wird die Wasserkühlung meist in Verbindung mit dem Konzept der indirekten Freikühlung 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 4000-mal besser als Luft. Ein weiterer Vorteil: Es wird keine Luftfeuchtigkeit von außen in das Gebäude getragen. Da keine Kühl-Luft von außen in das Rechenzentrum geblasen wird, sind zudem weniger Filtersysteme notwendig. Allerdings müssen mindestens zwei Luft-/Wasser-Wärmetauscher sowie Pumpen im Kaltwassersystem vorhanden sein, die zum Betrieb elektrische Energie benötigen.
„Viele Unternehmen bevorzugen eine Lösung mit indirekter Freikühlung, da diese stabil sowie vorhersagbar arbeitet. Schwankende Wetterbedingungen und durch die Jahreszeiten ausgelöste Temperaturänderungen fängt dieses Betriebskonzept gut auf. Gerade für europäische Standorte ist das Konzept der Freikühlung aus betriebswirtschaftlicher Sicht sehr rentabel“, sagt Bernd Hanstein, Hauptabteilungsleiter Produktmanagement IT bei Rittal.
Unterschiede der Rack-, Reihen- und Raumkühlung
Generell gilt, dass die Rack-basierte Kühlung die bestmögliche Energieeffizienz aufweist, da nur ein 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.
Wie effizient kühlt meine 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 WUE (Water Usage Effectiveness) und EER (Energy Efficiency Ratio).
Der Verband „The Green Grid“ definierte die Kennzahl WUE (Water Usage Effectiveness), 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 an heißen Sommertagen die Kühleffizienz zu verbessern. Dieses Konzept nutzt das Prinzip der Verdunstungswärme, um einströmende Luft zu kühlen, bevor sie auf die Wärmetauscher trifft.
Kennzahlen für Kältemaschinen
In HPC-Umgebungen ist es ebenfalls wichtig, die Kühleffizienz zu bewerten. Hier hilft die zweite Kennzahl EER (Energy Efficiency Ratio). Sie definiert das Verhältnis der Kühlleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung. Je größer der EER-Wert ausfällt, desto effizienter wird die elektrische Energie genutzt, um Kälte zu erzeugen. Darüber hinaus wird die Metrik COP (Coefficient of Performance) 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 ESEER / SEER (European / Seasonal Energy Efficiency Ratio) eine Kennzahl, um die Temperaturschwankungen der Jahreszeiten zu berücksichtigen. Damit lässt sich der EER an äußere Temperatureinflüsse anpassen.
So gelingt die Umsetzung
Wie sich eine effiziente HPC-Reihenklimatisierung mit einem kompakten wasserbasierten Kühlgerät realisieren lässt, zeigt das folgende Beispiel anhand der Lösung Liquid Cooling Package (LCP) 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 vorne in den Kaltgang ausgeblasen. In Kombination mit einer Gangschottung wird die größtmögliche Effizienz und somit die Senkung von Betriebskosten erreicht. LCP Inline Geräte mit Wasser als Kühlmedium ermöglichen eine Kühlleistung von bis zu 55 kW und eignen sich damit ideal für HPC-Umgebungen. Einheiten mit Kältemittel wie R410a als Kühlmedium, beispielsweise das LCP DX von Rittal, sind bis 35 kW Kühlleistung einsetzbar.
Fazit
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 externe Umgebungsbedingungen aus der Gleichung streicht, bekommt eine stabile, leicht beherrschbare und damit ausfallsichere IT-Infrastruktur. Je nach Leistungsfähigkeit des eigenen Rechenzentrums wählen Unternehmen zwischen kältemittelbasierten Geräten oder setzen in HPC-Umgebungen auf eine effiziente Wasserkühlung. ■
Luftstromsimulation für HPC-Umgebung
Nicht immer gibt die theoretische Planung klare Antworten darüber, wie sich neue Kühlsysteme in bestehenden IT-Infrastrukturen verhalten. Für mehr Planungssicherheit sorgt eine Simulierung der Luftströme im Rechenzentrum mithilfe von Computational Fluid Dynamics-Software (CFD). Hiermit erhalten Kunden eine präzise Angabe zum thermodynamischen Verhalten und der Wärmeverteilung auf Basis einer maßgeschneiderten 3D-Simulation. So können IT-Manager im HPC-Rechenzentrum vorhandene Wärmenester sicher identifizieren und sehen auch die Auswirkungen von Ausfällen einzelner Klimasysteme. Eine CFD-Simulation ist besonders dann wertvoll, wenn in gewachsenen IT-Infrastrukturen Veränderungen stattfinden sollen, weil die Anforderungen an die IT gestiegen sind. Als Faustformel gilt: Je komplexer das Rechenzentrum aufgebaut ist, desto wertvoller sind die Ergebnisse der Strömungssimulation. Die damit erreichte Planungssicherheit reduziert jedoch das Risiko erheblich und hilft dabei, die Entscheidung für ein IT-Projekt bei der Geschäftsführung argumentativ abzusichern.
Verhalten und zur Wärmeverteilung auf Basis einer maßgeschneiderten 3D-Simulation. Eine CFD-Simulation ist
besonders dann wertvoll, wenn in gewachsenen IT-Infrastrukturen Veränderungen anstehen. Als Faustformel gilt:
Je komplexer das Rechenzentrum aufgebaut ist, desto wertvoller sind die Ergebnisse der Strömungssimulation.
Video: Rittal IT-Cooling – Raumkühlung, Reihenkühlung, Rack-Kühlung: Einen Überblick über effiziente und individuelle IT-Klimakonzepte gibt es im Video:
