Rechenzentrumskühlung

Mit der explosionsartigen Verbreitung datenintensiver Anwendungen wie Künstliche Intelligenz (KI) und IoT sind selbst modernste Rechenzentren, in denen leistungsfähige IT-Geräte in höchster Dichte installiert sind, rein physisch tendenziell immer weniger in der Lage, die anfallenden Arbeitslasten zu bewältigen.

Eine zentrale Rolle kommt in Rechenzentren der Klimatisierung zu. In Datacentern ist es notwendig, die Abwärme der Server abzuführen und die Luftfeuchtigkeit zu regulieren, um eine effektive Datensicherheit zu gewährleisten. Dazu kann man Luft, Wasser oder die Verdunstungskondensation verwenden. Ziel ist es, die Betriebstemperatur in einem definierten Bereich mit möglichst geringen Schwankungen zu halten. Das Optimum liegt in der Regel bei Temperaturen zwischen 22 und 25 Grad Celsius. Bis zu 27 Grad sind ebenfalls möglich.

Die Klimatisierung der Rechenzentren ist weltweit ein Wachstumsmarkt, der laut MarketsandMarkets bis 2025 auf 15,7 Milliarden US-Dollar anschwellen wird.

Das Thema Nachhaltigkeit
Betreiber von Rechenzentren müssen nicht nur die Sicherheit der Daten und Anwendungen gewährleisten, sondern auch die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit im Auge behalten. Bis 2030 werden Rechenzentren voraussichtlich bis zu acht Prozent des weltweiten Stromverbrauchs ausmachen. Stand heute entfallen 22 Prozent des Energieverbrauchs in Rechenzentren auf die Kühlung1. Alleine, wenn man das in »Kosten« denkt, ist es verständlich, dass die Energieeffizienz von Datacentern so ein wichtiges Thema ist, egal ob es sich um Unternehmens-, Hyperscale-, Colocation-, cloudbasierte- oder Edge-Rechenzentren handelt.

Eine der wichtigsten Messgrößen für die Nachhaltigkeit ist die Power Usage Effectiveness (PUE) – deutsch: die Stromverbrauchseffektivität. Dieser Wert ergibt sich aus dem Verhältnis der Energie, die ein Datacenter insgesamt benötigt, zu der Energie, die die IT-Infrastruktur zum Rechnen verbraucht. Je näher der Wert an 1 liegt, desto effizienter arbeitet ein Rechenzentrum. Mit moderner Technik sind inzwischen Werte unter 1,3 erreichbar. Das geht nur mit einem verlässlichen Kühlsystem, das möglichst wenig Energie verbraucht.

Drei Methoden der Kühlung
Es gibt grundsätzlich drei Arten von Kühlung im Rechenzentrum: Freie Kühlung (direkt und indirekt, also mit Wärmetauscher), mechanische Kühlung (mittels Kältemittel) und Verdunstungs- oder adiabatische Kühlung mit Hilfe von Wasser oder Wasserdampf. Dabei sind die Luft- und Flüssigkühlung die beliebtesten Kühlmethoden.

Die Kühlung mittels zirkulierender Luft innerhalb der Räumlichkeiten ist vor allem für kleinere oder ältere Rechenzentren geeignet. Ein zusätzliches Warm- oder Kaltgangkonzept mit Closed Coupled Cooling (CCC) sorgt für eine Maximierung der Kühleffizienz. Dabei zirkuliert die kühle Luft nur in den Geräten oder in den Racks selbst. Letztere Methode kommt zum Beispiel in den Smarten Modulare Datacentern (SMDC) von Dätwyler zum Einsatz. Sie ist in der Regel effizienter als raumbasierte Kühlkonzepte, weil sie die Warm- und Kaltgangeinhausung kombiniert.

Diese Methode lässt sich auch mit Flüssigkühlung realisieren. Flüssigkeit ist ein besserer Wärmeleiter als Luft und eignet sich auch für größere Gerätedichten und Geräte, die überdurchschnittlich viel Wärme erzeugen, zum Beispiel in High-Density-Rechenzentren. Die Flüssigkühlung ist gegenüber der Luftkühlung ein effizienteres und im Betrieb kostengünstigeres Kühlsystem für Hyperscale-Datacenter, vor allem wenn sie direkt an den Geräten im Rechenzentrum installiert wird, die am meisten Kühlung benötigen.

Wachstumsmarkt Flüssigkühlung
Man unterscheidet zwei Hauptarten der Flüssigkühlung: die Immersionskühlung und die Wasserkühlung. Bei der Immersionskühlung ist das gesamte elektrische Gerät in einem geschlossenen System in eine nicht entflammbare dielektrische Flüssigkeit getaucht (auch Tauchkühlung genannt). Oder aber Schläuche führen die dielektrische Flüssigkeit direkt zu den Chips oder Hauptplatinen.

Darüber hinaus gibt es zwei Arten von Immersionskühlsystemen: Bei der einphasigen Immersionskühlung bleibt die dielektrische Flüssigkeit nach der Wärmeaufnahme von den Bauteilen in flüssigem Zustand. Die Wärme wird an einen Wärmetauscher übertragen, dort abgeführt, und die abgekühlte Flüssigkeit wird in den Kreislauf zurückgeführt. Im Gegensatz dazu wird bei der Zweiphasen-Immersionskühlung eine dielektrische Flüssigkeit verwendet, die bei einer relativ niedrigen Temperatur (typischerweise zwischen 50 und 60 Grad Celsius bzw. 122 und 140 Grad Fahrenheit) siedet und sich in Dampf umwandelt. Der Dampf steigt auf, kondensiert auf einer Kühloberfläche (z.B. einer Spule), wird wieder zu Flüssigkeit und kehrt in den Tank zurück. Beide Kühlmethoden sind effektiv; Zweiphasensysteme bieten aufgrund der latenten Verdampfungswärme jedoch im Allgemeinen einen höheren thermischen Wirkungsgrad.

Bei der Wasserkühlung erfolgt die Kühlung ebenfalls direkt auf dem Chip – mit all den genannten Vorteilen. Diese Methode ist laut Marktbeobachtern in den Mega-Rechenzentren auf dem Vormarsch, vor allem bei der Kühlung von Servern, GPUs und Flash-Speichern, denn die Direktkühlung mit Wasser funktioniert bei Komponenten wie Festplatten, Speicherbändern, USVs und Netzwerkkomponenten noch nicht so gut.

Der Markt für Flüssigkeits- und Immersionskühlung soll bis 2030 voraussichtlich ein Volumen von 2,5 Milliarden Dollar erreichen.