Energieeffizienz im Rechenzentrum

High-End Rechenzentrum heißt heute auch niedriger Stromverbrauch
Bei der Planung, Errichtung und dem Betrieb eines Rechenzentrums kommt dem Bereich der Kühlung eine besondere Bedeutung zu. Dies liegt daran, dass die Kühlung einen deutlichen Anteil an den Energiekosten darstellt. Dieser Anteil liegt je nach örtlichen Gegebenheiten und Auslegung der Kühlung aktuell üblicherweise zwischen 30 und 70 Prozent der Gesamtenergiekosten. Beim überwiegenden Teil der heute im Betrieb befindlichen Installationen liegt der Anteil der Kühlung am Gesamtstromverbrauch bei über 50 Prozent.

Üblicherweise wird in herkömmlichen Rechenzentren im Rack und im Raum Luft als Kühlmedium verwendet. Die dabei abzuführenden Wärmelasten steigen aufgrund der immer höheren Packungsdichte, insbesondere durch Bladeserver und Server-Virtualisierung, stetig an.

Effektive Kühlung durch Warm-/Kaltgang Aufstellung
Die übliche wirkungsvollste Lösung für die Raumkühlung mit Luft ist die Anordnung mit abwechselnden Warm- und Kaltgängen mit entsprechender Kaltluftzuführung über einen Doppelboden mit entsprechend angeordneten luftdurchlässigen Doppelbodenplatten. Die Mehrheit der heute gefertigten Server zieht die kalte Zuluft vorne ein und bläst die Abwärme an der Rückseite wieder aus. Daraus folgt eine Anordnung der Serverracks in der Art, dass ein Warmgang und ein Kaltgang entstehen.

Bei diesem Lösungsansatz stellt man die Racks Front gegen Front auf, wie auch in der VDI 2054 empfohlen wird. Die gekühlte Zuluft wird so in den Kaltgang durch den Doppelboden eingeblasen, auf beiden Seiten von den Servern eingezogen und auf der Rückseite der Racks in den Warmgang ausgeblasen.

Die Temperaturspreizung Delta T (Differenz zwischen Warmluftaustritt und Kaltlufteintritt in Kelvin) ist durch die maximal erlaubten Luftaustrittstemperaturen der IT-Komponenten begrenzt. Um die wachsenden erforderlichen Kühlleistungen an die Verbraucher zu bringen, wird daher entweder die Vorlauftemperatur sehr weit abgesenkt oder eine immer größere Menge an Kaltluft von den Kühlgeräten zu den Servern gebracht. Die Strömungsgeschwindigkeiten der Luft im Raum werden dabei sehr groß. Diese Maßnahmen sorgen auf der anderen Seite aber für erhöhten Energieaufwand und damit ineffizienterer Kühlung.

Auch das Design des Doppelbodens muss diesen Anforderungen gerecht werden. Die üblichen Höhen von 300-500mm reichen für den Kaltluftstrom bei steigender Energiedichte in den Racks bei weitem nicht mehr aus. Hier sind Höhen von bis zu 1500mm notwendig.

Warm-/Kaltgangeinhausung
Es treten aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten unerwünschte Effekte wie Überströmungen oder Rezirkulationen von Kühlluft zwischen Kaltgang und Warmgang auf. Die Vermeidung dieser Erscheinungen bringt erhebliche Einsparungen in den Betriebskosten. Mit der Kaltgang/Warmgang-Einhausung lassen sich, sorgfältige Planung und Ausführung vorausgesetzt, bis ca. 6-8 kW Kühlleistung pro Rack abführen. In älteren Rechenzentren liegen diese Werte meist erheblich niedriger, etwa bei 1 bis 2 kW pro Rack. Die warme Abluft wird über dem Gang oder über den Racks gesammelt zu den Kühlgeräten zurückgeführt.

Es muss eine vollständige Einhausung vorgenommen werden, d.h. im Falle einer Warmgangeinhausung bedeutet dies neben der Abdichtung des Warmgangs oben mittels Abdeckung auch die Schließung an den Stirnseiten durch Türen.

Durch eine solche Anordnung kann der Temperaturgradient von der Oberkante des Doppelbodens bis zum oberen Bereich des Racks von ca. 4 Kelvin auf ca. 1 Kelvin reduziert werden und dadurch die optimale Kaltluftversorgung der Server über die gesamte Höhe des Luftansaugbereichs der Racks sichergestellt werden.

Leistungsregelung als Ansatz zur Erhöhung der Energieeffizienz
Eine Leistungsregelung ist für den energieeffizienten und energieoptimierten Betrieb eines Rechenzentrums unabdingbar. Für den Wärmetransport vom Server bis aus dem Gebäude mittels Luft und ggf. Wasser sorgen verschiedene klimatechnische Anlagen und Systeme wie Umluftkühlgeräte, Kaltwassersätze, Chiller, Kühltürme, Rückkühler und Kondensatoren. Diese müssen einzeln betrachtet und aufeinander optimal abgestimmt werden.

Großes Einsparpotenzial steckt beispielsweise in der richtigen Wahl der Ventilatoren. Denn diese laufen 24 Stunden am Tag und somit 8760 Stunden im Jahr. Der Leistungsbedarf von drehzahlgeregelten Ventilatoren sinkt erheblich bei reduziertem Luftvolumenstrom. Bei Vorhaltung eines Klimagerätes zur Redundanz kann man erhebliche Energieeinsparungen erreichen, wenn alle Geräte gleichzeitig mit entsprechend reduzierter Drehzahl betrieben und nur bei Ausfall eines Gerätes die anderen auf Nenndrehzahl umgeschaltet werden. Die Komponenten und Systeme müssen möglichst energieeffizient betrieben werden, was in erster Linie dadurch erreicht wird, dass die auf eine Maximallast dimensionierten klimatechnischen Anlagen und Systeme in der Leistung geregelt werden und sich damit auf die jeweils anstehende Wärmelast automatisch einstellen lassen.

Die anfallenden Wärmelasten im Rechenzentrum variieren aber über die Zeit je nach Auslastung der Server, insbesondere sinken sie meist nachts und am Wochenende ab. Bei wechselnden Lasten ist es daher Aufgabe der Regelung, die Klimatechnik entsprechend der variierenden Wärmelasten dynamisch nachzustellen.

Insbesondere durch den Trend zur Servervirtualisierung entstehen hier völlig neue Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung. Anwendungen können innerhalb kurzer Zeit auf andere physische Server umziehen, in Schwachlastzeiten können komplette Racks oder ganze Rackreihen abgeschaltet werden. Die Klimatechnik ist darauf entsprechend anzupassen.

Durch die gezielte Leistungserfassung der Racks sowie der Kalt- und Warmgänge mittels Zu- und Ablufttemperaturfühler besteht die Möglichkeit, direkt auf die Leistungsaufnahme und den Luftvolumenstrom der Klimageräte Einfluss zu nehmen. Es ergeben sich dabei Einsparpotenziale von 30 Prozent bis 60 Prozent der aufgewendeten Klimatisierungsenergie.

Die aktuell empfohlene Ansaugtemperatur für elektronische Komponenten im Rechenzentrum liegt zwischen 20° und 25°C, ein erweiterter erlaubter Bereich reicht von 15° bis 32°C. Diese aus dem Jahr 2004 stammenden Empfehlungen werden zurzeit überarbeitet. Aus Gründen der Energieeffizienz sollte ein möglichst hohes Temperaturniveau für die Energieeffizienz im Rechenzentrum erreicht werden, da dieses sehr deutlichen Einfluss auf den Energiebedarf der Kühlung hat (Siehe Direkte Freikühlung).

Freie Kühlung zur Erhöhung der Energieeffizienz
Bei der Klimatisierung von Rechenzentren kann insbesondere in kalten und gemäßigten Klimazonen die Freie Kühlung eingesetzt werden. Es wird zwischen der direkten Freien Kühlung und der indirekten Freien Kühlung unterschieden. Entsprechende Klimaanlagen werden seit mehr als 30 Jahren mit Freier Kühlung gebaut. Die Ausführung der Anlagen hat sich in den letzten Jahren aufgrund von technologischen Fortschritten (Mikroprozessorregelung, drehzahlgeregelte Komponenten etc.) weiter entwickelt, wodurch immer größere Energieeinsparungspotenziale erschlossen wurden.

Die Klimageräte sind zusätzlich zu dem Kältekreislauf mit einem Luftklappensystem ausgestattet. Die Klappensteuerung ermöglicht es Außenluft in den Raum und Raumluft wieder nach außen zu leiten oder auf einen Umluftbetrieb umzusteuern, d.h. die Luft wird nur im zu klimatisierenden Raum umgewälzt und über den Kältekreislauf gekühlt.

Die Außenbedingungen und die geforderten Raumbedingungen geben die Betriebsweise des Klimagerätes vor. Hierbei ist zwischen dem Freikühlungsbetrieb, dem Mischbetrieb (Freikühlungsbetrieb mit zusätzlicher Kälteerzeugung durch den Kältekreislauf) und dem Umluftbetrieb (Kälteerzeugung nur durch den Kältekreislauf) zu unterscheiden.

Bei der direkten Freien Kühlung wird kalte Außenluft dem Raum zugeführt. Die Wärmelast des IT-Equipments wird an den Luftstrom übergeben und verlässt den Raum mit dem Luftstrom wieder. Die Luftwalze wird über einen Außenluftfilter und einen Ventilator geführt beziehungsweise umgewälzt.

Diese Betriebsweise ermöglicht erhebliche Energieeinsparungspotenziale aufgrund des Jahrestemperaturverlaufs insbesondere in kalten und gemäßigten Klimazonen. Steigt die Außentemperatur an, steuert das Klimagerät in den Mischbetrieb und dem Luftstrom wird zusätzlich Wärme über den Kältekreislauf entzogen.

Im Mischbetrieb ist der Kältekreislauf bei niedrigen Außentemperaturen zunächst nur kurzzeitig in Betrieb. Steigt die Außentemperatur weiter, wird der Kältekreislauf immer häufiger betrieben, bis schließlich das Klimagerät die Zufuhr von Außenluft über das Luftklappensystem ganz unterbindet und das Klimagerät im Umluftbetrieb arbeitet. Im Umluftbetrieb bei hohen Außentemperaturen übernimmt der Kältekreislauf vollständig den Wärmeentzug aus dem Umluftstrom und somit aus der ITK-Ausstattung. In dieser Betriebsweise ist der Energiebedarf des Systems dann auch am höchsten.

Für jede Kilowattstunde Strom (kWh), die IT-Komponenten verbrauchen, werden in herkömmlichen durchschnittlichen Rechenzentren noch einmal bis zu 1,3 kWh für die Klimatisierung und andere Komponenten aufgewendet.

Durch diese direkte Freikühlung kann in über 80 Prozent der Betriebsstunden eines Jahres komplett auf mechanische Kälteerzeugung verzichtet werden und ausschließlich mit vorhandener Außenluft gekühlt werden. Der Jahresenergieverbrauch für die Klimatisierung sinkt damit extrem ab.

Bei dem Einsatz direkter freier Kühlung für das Rechenzentrum kann ein PUE-Wert (PUE: Power Usage Efficency; Das Verhältnis der insgesamt im Rechenzentrum aufgenommenen Energie mit der Energieaufnahme der IT-Komponenten (z.B. Server) von 1,3 bis 1,4 erreicht werden. Das bedeutet, dass für jede verbrauchte Kilowattstunde Strom vom IT-Equipment nur zusätzlich 0,3 bis 0,4 Kilowattstunden Energie in die peripheren Komponenten wie Klimatisierung investiert werden muss.

Dies hat sowohl auf die Kosten für den Betrieb als auch auf die Umwelt einen entscheidenden Einfluss.

Bei der folgenden Betrachtung geht man von einem Serverbetrieb in einem älteren Rechenzentrum oder in einem klassischen Serverraum auf dem Campus eines Unternehmens aus. Die Server selbst haben in diesem Beispiel eine Leistungsaufnahme von 10kW, der PUE hat den Wert 2,00, d.h. aktuell müssen daher weitere 10kW für Klimatisierung, USV und weitere Komponenten investiert werden, um die Server zu betreiben:

Vorhandene Installation:

Energieoptimiertes Rechenzentrum:

Jährliche Einsparungen nur im Bereich Stromkosten im modernen Rechenzentrum:

Reduzierung in	Kilowattstunden	Stromkosten	CO2 Emissionen	Vergleichbar mit
einem Jahr	60.444 kWh	9.671,00 €	36 t	7 Autos weniger
fünf Jahren	302.220 kWh	48.355,00 €	182 t	34 Autos weniger
zehn Jahren	604.440 kWh	96.710,00 €	364 t	69 Autos weniger

Rücklufttemperatur
Ein wesentlicher Faktor beim Energieverbrauch ist bei luftgekühlten Räumen die Rücklufttemperatur. Dabei gilt prinzipiell: Je höher die Rücklufttemperatur ist, desto energieeffizienter arbeitet die Anlage. Allerdings ist hierbei auf die im Rechenzentrum befindliche IT-Ausstattung zu achten, damit keine Schäden oder verkürzte Lebensdauer auftreten.

Mit der Erhöhung der Rücklufttemperatur ist auch gleichzeitig eine Erhöhung der Zuluft- bzw. Raumlufttemperatur verbunden. Untersuchungen der Schweizerischen Bundesanstalt für Energiewirtschaft haben ergeben, dass im Bereich von 22 bis 26°C jedes Grad Raumtemperaturerhöhung zu einer Energieeinsparung von rund 4 Prozent führt.

Für eine Erhöhung der Zulufttemperatur ist es notwendig, dass die Luftführung im Rechenzentrum optimal ausgelegt und ausgeführt wird. Das Kalt-/Warmgang-Prinzip muss zum Beispiel komplett eingehalten werden, damit es zu keinen Luftverwirbelungen kommt, durch die die kalte Luft zum einen nicht an die notwendigen Stellen gelangt und zum anderen die Rücklufttemperatur absenkt.

Ansonsten kann es zur Warmluftrückströmung in den kalten Gang kommen, die zu lokaler Überhitzung und zu sogenannten Hot Spots führt. Typische Gegenmaßnahmen wie die Senkung der Zulufttemperatur und/oder die Erhöhung des Luftvolumenstroms sind dann die Regel, was aber nicht energieeffizient ist.