Kühlung von Rechenzentren: die Bedeutung der Wärmeableitung im Sekundärkreislauf

Das Rechenzentrum, der materielle Dreh- und Angelpunkt unseres digitalen Zeitalters, ist wie ein ständig arbeitendes Gehirn: Es verarbeitet jede Sekunde Milliarden von Informationen, und jeder Klick, jedes Streaming-Video, jede Online-Transaktion hängt von dieser Infrastruktur ab. Dahinter verbirgt sich eine entscheidende Herausforderung: Jede Sekunde werden Milliarden von Berechnungen durchgeführt, die eine enorme und ununterbrochene Wärmemenge erzeugen. Deshalb ist eine effiziente Kühlung von Rechenzentren so wichtig.

Zu verschiedenen Zeiten wurden verschiedene Lösungen für die Bewältigung dieser Wärme entwickelt: Luftkühlsysteme und Wasserkühlsysteme, die die Wärme an eine Wärmeträgerflüssigkeit abgeben. Und hier kommt auch die Kühlung des Sekundärkreislaufs von Rechenzentren ins Spiel, für die Ableitung der Wärme aus eben dieser Flüssigkeit durch verschiedene Lösungen: Wärmetauscher, Kühltürme, adiabatische Kühler, Trockenkühler und Kältemaschinen.

1. Die Bedeutung einer effizienten Kühlung in Rechenzentren: ein Überblick

Rechenzentren sind physische Einrichtungen, in denen große Server, Datenverarbeitungsmaschinen und Hilfsgeräte untergebracht sind, die rund um die Uhr in Betrieb sind. Diese kontinuierliche Tätigkeit erzeugt enorme Wärmemengen, die effektiv verwaltet werden müssen, um die Geschäftskontinuität zu gewährleisten. Daher ist eine effiziente Kühlung von Rechenzentren ein entscheidender Aspekt, um eine optimale Leistung zu gewährleisten und gleichzeitig die Umweltbelastung zu verringern.

Der mit der Kühlung von Rechenzentren verbundene Verbrauch ist auf jeden Fall beträchtlich: bis zu 40 Prozent der internen Energieressourcen, so einige aktuelle Schätzungen. Dies macht deutlich, wie wichtig es ist, immer effizientere Klimatisierungslösungen zu entwickeln, sowohl in funktioneller als auch in wirtschaftlicher Hinsicht.

Die umsichtigsten Unternehmen versuchen, die Kosten zu optimieren und die umweltschädlichen Emissionen zu reduzieren, indem sie sich auf die Planung von Rechenzentren konzentrieren, die auf strengen Effizienzkriterien basieren und sowohl die ökologische als auch die wirtschaftliche Nachhaltigkeit berücksichtigen.

Es gibt verschiedene Kühlsysteme für Rechenzentren, jedes mit seinen eigenen Vorteilen.

Die europäischen Vorschriften spielen eine wichtige Rolle bei der Einführung effizienterer Kühlsysteme.

2. Kühlung im Rechenzentrum: der sekundäre Kreislauf

In diesem Zusammenhang ist der sekundäre Kreislauf eines Rechenzentrums der Teil eines Kühlsystems, der die Wärme von IT-Geräten (Server, Speicher, Netzwerke) an eine Wärmeübertragungsflüssigkeit überträgt.

Die Aufrechterhaltung der optimalen Temperatur der Kühlflüssigkeit ist aus mehreren Gründen entscheidend.

• Erhalten Sie die Ausrüstung. Unzureichende Kühlung kann Server, Speicher und andere Komponenten des Rechenzentrums beschädigen und hohe Ersatzkosten verursachen. Hohe Temperaturen können sogar die Lebensdauer von IT-Geräten verkürzen. Eine ordnungsgemäße Kühlung schützt die Hardware vor einem vorzeitigen Ausfall und senkt die Kosten für Wartung und Austausch.
• Energieeffizienz. Ein gut konzipiertes und gewartetes System kann den Energieverbrauch von Rechenzentren erheblich senken. Je weniger Energie für die Kühlung verbraucht wird, desto mehr steht für die Datenverarbeitung zur Verfügung. Ökologische Nachhaltigkeit ist gleichbedeutend mit wirtschaftlicher Nachhaltigkeit.
• Verfügbarkeit. Ein zuverlässiges Kühlsystem gewährleistet die Geschäftskontinuität für alle Geräte, bei denen Überhitzung zu Fehlfunktionen und Betriebsunterbrechungen führen kann.

3. Luftkühlsysteme: Vorteile und Grenzen

Bevor wir die Methoden zur Wärmeableitung in den Sekundärkreisläufen aufzählen, sollten wir einen Schritt zurücktreten und uns mit der für die Kühlung von Rechenzentren am häufigsten verwendeten Technologie befassen: Luftkühlsysteme. Diese Geräte nutzen Luft als Mittel zur Ableitung der von IT-Geräten erzeugten Wärme.

Es handelt sich um einfache Geräte, die oft einen sekundären Kreislauf überflüssig machen.

In der Zwischenzeit wollen wir uns die beiden Optionen in diesem Bereich ansehen: direkte Raumkühlung und Kühlung in der Reihe.

3.1 Raumkühlung

Primäres Kühlmedium: Luft.

Kühlmodus des Sekundärkreislaufs: nicht anwendbar (Luftkreislauf).

Beschreibung: Die Wärme wird über Kühlkörper, Ventilatoren und Trockenkühler direkt an die Umgebungsluft abgeführt.

Anwendungen

Rechenzentren mit mäßiger Wärmelast.
Kühle und trockene Klimazonen, in denen die Außenluft zur Kühlung ausreicht.

Vorteile

• Niedrige Installations- und Wartungskosten.
• Keine Verwendung von Wasser.

Nachteile

• Begrenzte Effizienz in heißen Klimazonen.
• Empfindlich gegenüber Umweltschwankungen.

Bei diesem Ansatz werden Computerraum-Klimaanlagen (CRAC) zur Kühlung der gesamten Umgebung eingesetzt.

Zu bewerten sind:

1. die Energieeffizienz dieser Lösung,
2. die Vermischung von warmer und kalter Luft,
3. die mögliche Bildung von Hot Spots.

Um die Effizienz der Raumkühlung zu optimieren, ist es wichtig, die ASHRAE TC 9.9-Richtlinien zu befolgen, die Empfehlungen für akzeptable Temperaturen und Luftfeuchtigkeit für Rechenzentren enthalten. Darüber hinaus kann der Einsatz von Jalousiepaneelen verhindern, dass sich heiße Luft mit kalter Luft vermischt, was die Gesamteffizienz des Systems verbessert.

3.2. Kühlung in der Reihe

Die Kühlung in den Reihen stellt eine Weiterentwicklung der traditionellen Raumkühlung dar. Bei diesem Ansatz werden die Kühleinheiten direkt in den Reihen der Server-Racks (d. h. der schrankartigen Struktur zur Unterbringung und Organisation der Hardware-Geräte) installiert, wodurch die Kühlquelle näher an die wärmeerzeugende IT-Ausrüstung gebracht wird.

Zu den Vorteilen der In-Row-Kühlung gehören:

1. Erhöhte Effizienz: Reihenklimageräte folgen kurzen, linearen Pfaden, wodurch der Strombedarf für den Antrieb der Lüfter reduziert und die Energieeffizienz erhöht wird.
2. Flexibilität: Die Kühlung kann auf die spezifischen Anforderungen bestimmter Reihen oder Bereiche des Rechenzentrums zugeschnitten werden.
3. Hot-Spot-Management: Die reiheninterne Kühlung ist effektiver bei der Behandlung von Bereichen mit hoher Wärmedichte und reduziert das Risiko einer Überhitzung der Geräte.

Zu analysierende Aspekte.

1. Anfangskosten: Die Implementierung eines In-Row-Kühlsystems kann höhere Anfangsinvestitionen erfordern als die herkömmliche Raumkühlung.
2. Platz: In-Row-Kühleinheiten benötigen Platz in den Rack-Reihen und können daher den für IT-Geräte verfügbaren Platz verringern.

4. Flüssigkeitskühlung

Die Flüssigkeitskühlung ist eine Lösung für die Kühlung des Primärkreislaufs von Rechenzentren.

Diese Technologie macht sich die überlegenen Eigenschaften von Flüssigkeiten zunutze, um Wärme effizienter als andere Kühlsysteme abzuleiten.

Das Interesse ergibt sich auch aus der höheren Energiedichte und Leistung, die für Anwendungen in den Bereichen künstliche Intelligenz, Supercomputing und andere Hochleistungsrechner erforderlich sind.

4.1. Direkte Flüssigkeitskühlung

Primäre Kühlflüssigkeit: Wasser oder Wasser + Glykol

Kühlmodus des Sekundärkreislaufs:

• Verdunstungstürme,
• Trockenkühler,
• Kältemaschine.

Beschreibung

Flüssigkeit wird über Wärmetauscher oder spezielle Rohrleitungen direkt durch elektronische Komponenten (z. B. CPU, GPU) geleitet.

Anwendungen

• Rechenzentren mit Hochleistungsgeräten.
• Hybridlösungen mit Luftkühlung für sekundäre Komponenten.

Vorteile

• Gezielte Kühlung für kritische Komponenten.
• Höhere Energieeffizienz als Luftkühlung.

Nachteile

• Risiko von Wasserleckagen.
• Größere Komplexität bei der Wartung.

Bei der direkten Flüssigkeitskühlung, die auch als direkte On-Chip-Kühlung bezeichnet wird, werden Kühlplatten direkt auf den Komponenten angebracht, die die meiste Wärme erzeugen, wie CPUs und GPUs.

Einigen Schätzungen zufolge kann diese Methode bis zu 70-75 % der von den Geräten im Rack erzeugten Wärme ableiten. Das Kühlmittel, bei dem es sich um Wasser oder eine spezielle Flüssigkeit handeln kann, zirkuliert durch diese Platten, nimmt die Wärme auf und leitet sie an einen externen Wärmetauscher weiter.

Einer der Hauptvorteile dieser Technologie ist ihre Fähigkeit, sehr hohe Leistungsdichten zu bewältigen und Prozessoren und GPUs mit hohen thermischen Anforderungen zu unterstützen. Dadurch lässt sich die Rechendichte von Rechenzentren erheblich steigern, da mehrere Server auf kleinem Raum untergebracht werden können, ohne dass die Gefahr einer Überhitzung besteht.

Betrachten wir nun die beiden Hauptformen der Flüssigkeitskühlung (und der sekundären Kreislaufkühlung): die Eintauchkühlung und die indirekte Flüssigkeitskühlung.

4.2. Eintauchkühlung

Primäre Kühlflüssigkeit: „dielektrische Flüssigkeit“.
Kühlungsart des Sekundärkreislaufs:

• Plattenwärmetauscher,
• Sekundärkreisläufe mit Wasser oder Wasser + Glykol, gekühlt durch Verdampfungstürme, Trockenkühler oder Kältemaschinen.

Beschreibung

Elektronische Bauteile werden in eine „dielektrische Flüssigkeit“ getaucht, die Wärme absorbiert und an einen Sekundärkreislauf weiterleitet.

Anwendungen

• Rechenzentren mit hoher Datendichte.
• Kritische Anwendungen wie wissenschaftliches Rechnen oder KI.

Vorteile

• Maximale thermische Effizienz.
• Geringere Geräuschentwicklung und weniger Energieverbrauch durch Belüftung.
• Fortschrittlicher Schutz vor Staub und Feuchtigkeit.

Nachteile

• Hohe Anschaffungskosten.
• Erfordert Flüssigkeitsüberwachung zur Aufrechterhaltung der dielektrischen Eigenschaften.

Bei der Immersionskühlung werden Server und andere elektronische Komponenten vollständig in eine wärmeleitende dielektrische Flüssigkeit getaucht. Diese Lösung macht Belüftungssysteme überflüssig und senkt die Lärm- und Wartungskosten erheblich.

Es gibt zwei Hauptvarianten der Eintauchkühlung:

• Einphasig: Die Kühlflüssigkeit wird kontinuierlich umgewälzt und gekühlt, um die Wärme abzuführen.
• Zweiphasig: Es wird eine Flüssigkeit mit einem niedrigen Siedepunkt verwendet. Durch die Wärme verdampft die Flüssigkeit, die dann kondensiert und in das System zurückgeführt wird.

Die Eintauchkühlung bietet zahlreiche Vorteile. Einige davon sind: eine höhere thermische Effizienz und die Fähigkeit, extrem hohe Wärmelasten zu bewältigen. Darüber hinaus kann diese Technologie zu erheblichen Energieeinsparungen führen, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Luftkühlsystemen weniger Energie und Wasser verbraucht.

Trotz ihrer Vorteile bringt die Flüssigkeitskühlung auch einige Herausforderungen mit sich. Die anfänglichen Implementierungskosten können hoch sein, insbesondere bei bestehenden Rechenzentren, die erhebliche Änderungen an der Infrastruktur erfordern. Darüber hinaus erfordert die Verwaltung von Flüssigkeiten im Rechenzentrum spezielles Fachwissen und angemessene Sicherheitsmaßnahmen, um Verluste und Schäden an der Ausrüstung zu vermeiden.

Die langfristigen Vorteile in Bezug auf Energieeffizienz, Rechendichte und Nachhaltigkeit veranlassen jedoch immer mehr Betreiber von Rechenzentren, den Einsatz von Flüssigkeitskühltechnologien ernsthaft in Betracht zu ziehen. Große Technologieunternehmen wie Google, Microsoft und Facebook experimentieren bereits mit diesen Lösungen und setzen sie in ihren Rechenzentren ein, was das Potenzial dieser Technologie für die Zukunft der Branche verdeutlicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Flüssigkeitskühlung im Allgemeinen und die Immersionskühlung im Besonderen eine vielversprechende Lösung für die wachsenden thermischen und energetischen Herausforderungen moderner Rechenzentren darstellt. Angesichts der weiter steigenden Anforderungen an die Rechenleistung und der zunehmenden Bedeutung der Nachhaltigkeit ist es wahrscheinlich, dass diese Technologie den Löwenanteil an der Zukunft der Kühlung von Rechenzentren ausmachen wird.

4.3. Indirekte Flüssigkeitskühlung

Primäre Kühlflüssigkeit: Wasser oder Wasser + Glykol

Kühlung des Sekundärkreislaufs:

• Kühltürme
• Trockenkühler
• Kühler

Beschreibung. Wärme wird von elektronischen Komponenten über Wärmetauscher an ein primäres Kältemittel übertragen.

Anwendungen

• Mittlere und große Rechenzentren.
• Bereiche mit begrenzter Wasserverfügbarkeit.

Vorteile

• Größere Flexibilität bei der Verwendung von Sekundärflüssigkeiten.
• Möglichkeit der Verwendung geschlossener Kreisläufe zur Reduzierung des Wasserverbrauchs.

Nachteile

• Geringerer Wirkungsgrad als bei der direkten Flüssigkeitskühlung.
• Höhere Betriebskosten in heißen Umgebungen.

Die indirekte Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren ist eine Lösung, bei der eine Flüssigkeit, in der Regel Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch, zur Ableitung der von Servern erzeugten Wärme verwendet wird. Im Gegensatz zur direkten Kühlung, bei der die Flüssigkeit mit den IT-Komponenten in Kontakt kommt, wird die Wärme beim indirekten System über einen Wärmetauscher übertragen. Bei diesem Ansatz bleiben die Geräte von der Flüssigkeit isoliert, was das Risiko einer versehentlichen Beschädigung verringert.

Dieses System bietet mehrere Vorteile, darunter eine hohe Energieeffizienz. Die Trennung der Flüssigkeit von den IT-Komponenten bietet mehr Sicherheit und verringert die Betriebsgeräusche. Die indirekte Flüssigkeitskühlung hat jedoch auch einige kritische Aspekte. Einige Beispiele: hohe Anschaffungskosten, komplexere Wartung und Platzbedarf für Außenanlagen. Außerdem kann in heißen Klimazonen die Effizienz sinken, was die Abhängigkeit von Kältemaschinen erhöht.

Die indirekte Flüssigkeitskühlung ist daher eine vielseitige und zuverlässige Wahl für moderne Rechenzentren, ideal für Anwendungen mit hoher Dichte und in Umgebungen, in denen Effizienz und Sicherheit erforderlich sind, vorausgesetzt, die Installationsflächen sind nicht zu klein.

5. Schlussfolgerung

Die Auswahl des optimalen Kühlsystems für ein Rechenzentrum ist ein komplexer Prozess, der eine sorgfältige Bewertung mehrerer Faktoren und die Einbeziehung spezialisierter Unternehmen erfordert, und zwar sowohl für die Kühlung des Primärkreislaufs (Luft, direktes Wasser, indirektes Wasser) als auch für die Kühlung des Sekundärkreislaufs (Verdunstungstürme, adiabatische Kühler, Trockenkühler, Kältemaschinen).

Wie in jedem anderen Bereich der Prozesskühlung und der zivilen Klimatisierung ist es für eine fundierte Entscheidung unerlässlich, mehrere Schlüsselaspekte zu berücksichtigen, die die Effizienz und Wirksamkeit der Kühlung beeinflussen.