So kommen Serverräume in Bestform

Wissen Sie eigentlich, was Ihr Serverraum alles kann? Viele Verantwortliche halten diesen Gebäudeteil für ein notwendiges, Kosten verursachendes Übel. Dabei hätte er so viel mehr drauf: Er könnte sich selbst kühlen oder sogar je nach Situation Energie für weitere Abnehmer zur Verfügung stellen. Fakt ist, aktuelle hocheffiziente Technologien zur Klimatisierung von Gebäuden mit Datenzentren bieten ungeahnte Potentiale. Und nicht nur die aktuellen globalen wie nationalen energiepolitischen Koordinaten machen die Suche nach neuen Lösungen für intelligente Energiegewinnung und -nutzung momentan besonders attraktiv.

Viel Energiebedarf zu hohen Kosten

Momentan nutzen nicht einmal fünf Prozent der Datenzentren ihr volles Energiepotential. Dabei sprechen die aktuellen Rahmenbedingungen eine deutliche Sprache: Der Deutsche Industrie- und Handelskammertag (DIHK) erwähnt in einem Fachbeitrag vom März diesen Jahres eine Steigerung der Energiekosten gerade für produzierende Betriebe um mindestens das Fünffache. Die Ukrainekrise hat dabei nach DIHK-Angaben die ohnehin schon hohen Kosten nochmal entschieden nach oben getrieben.

Gleichzeitig ist der Strombedarf für die IT-Branche so groß wie nie. Der Lehrstuhl für technische Informatik an der TU Dresden geht in einer Untersuchung von 2018 davon aus, dass der gesamte Energiebedarf aller Rechenzentren in Deutschland bis 2025 auf insgesamt 16,4 Milliarden KWh ansteigen wird. Allein die Umstellung auf Cloud-Lösungen für Unternehmen machen hierbei einen nicht zu vernachlässigenden Anteil aus.

Die Kühlung macht´s

Ein gewichtiger Anteil des Energiebedarfs der Datenzentren betrifft ihre Klimatisierung: CPUs, GPUs, Switches und Festplatten stellen unter Last einerseits sehr viel Wärmeenergie bereit, arbeiten andererseits jedoch am effizientesten in gleichbleibend trockener und kühler Atmosphäre. Die Wärme muss also raus aus den Räumlichkeiten der Rechner. Da Energie weder vernichtet noch erzeugt, sondern nur verschoben werden kann, bugsieren die meisten Datenzentren die Wärmenergie der Komponenten lediglich aus dem Gebäude, wo sie ungenutzt verloren geht.

Doch muss die Wärme wirklich weg? Bereits ein mittelgroßes Datenzentrum mit 1 MW IT Auslastung stellt 3.700 MWh Wärmenergie pro Jahr zur Verfügung. Dies entspricht dem jährlichen Wärmeenergiebedarf von 165 Einfamilienhäusern. Ein Wert, der sich exzellent weiter nutzen lassen könnte. Ob das Gebäude des Rechenzentrumsbetreibers selbst oder die Liegenschaften in der Nachbarschaft: Der Bedarf für klimatisierte Räume und angenehm warmes Brauchwasser ist konstant vorhanden. Der Rechenzentrumsbetreiber muss die Wärme für eine weitere Nutzung jedoch zunächst zurückgewinnen. Für jedes Nutzungsszenario gibt es dafür unterschiedliche Möglichkeiten.

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Multivalente Energiebereitstellung: Flexibel dank Wärmepumpe

Flexibel bleiben ist auch bei der günstigen Kühlung von Datenzentren oder bei der effizienteren Klimatisierung von gesamten Gebäuden die am besten passende Devise: Denn für optimale Ergebnisse sind unterschiedliche Energiequellen und ihre optimale Nutzung entscheidend. Die Anlagentechnik für diese so genannte multivalente Energiebereitstellung ist vielfältig. Für die speziellen Anforderungen von Datenzentren sind Wärmepumpensysteme am besten geeignet.

Vereinfacht gesagt verdichtet eine Wärmepumpe mit einem vergleichsweise geringen Energieeinsatz ein Medium, um über einen Wärmetauscher Wärme bereitzustellen. Die Wärmepumpe entspannt dasselbe Medium, um Kälte zu liefern. Als Medium werden je nach Anwendung künstliche und natürliche Kältemittel eingesetzt.

Spezialisierte Wärmepumpenanbieter integrieren alle notwendigen hydraulischen Komponenten ab Werk in die Anlagentechnik, damit die Wärmepumpe gleichzeitig kühlen, heizen, Abwärme auskoppeln und gegebenenfalls Geothermie nutzen kann. So wird aus einer einfachen Heizungs- oder Kühlanlage ein mehrwertiges, multivalentes System, das auch hohe Wassertemperaturen bis zu 60 Grad Celsius zur Trinkwasserbereitung aufbereiten kann.

Frei kühlen in allen Variationen: Den Serverraum effizient betreiben

Großes Einsparpotential birgt das Prinzip der freien Kühlung. Dabei kühlt die Außenluft das Datenzentrum direkt oder indirekt. Der große Vorteil: Die Wärmepumpe bzw. der Kaltwassersatz muss nur dann Kälte ins Datenzentrum liefern, wenn die Außentemperatur über einen bestimmten Wert z.B. 20° C steigt. Darunter entfallen keine Stromkosten zur Kälteerzeugung, nur die Ventilatoren und Pumpen bewegen Luft bzw. das Wasser-Glykol-Gemisch.

Direkte freie Kühlung

Dieses Kühlungsprinzip hört sich erst mal einfach an und auch sein Wirkungsgrad von 90% und mehr überzeugt. Aber wer kalte Außenluft dank Lüftungsanlage oder Ventilatoren in den Serverraum holen muss, hat auch entsprechenden Energieaufwand. Die Qualität der Außenluft begrenzt außerdem ihre Einsatzmöglichkeiten: Ist die Luft zu kalt, zu feucht, zu trocken oder zu sehr mit Feinstaub oder anderen Stoffen wie z.B. Salz belastet, muss die Luft vor Eintritt in das Datenzentrum behandelt werden. Solche Investitions- und Betriebskosten für Filteranlagen, Ent- oder Befeuchter sowie die Wartung der zusätzlichen Komponenten verlängern die Amortisation der Anlage.

Nur wer die Luftqualität im Vorfeld prüft und die Aufbereitungskosten in eine Amortisationsrechnung einbezieht, wird entscheiden können, ob sich direkte Kühlung lohnt oder nicht.

Indirekte freie Kühlung

Bei der indirekten Kühlung wird die Außenluft nicht direkt in den Serverraum geleitet, sondern sie überträgt einen Teil ihrer Kälteenergie über einen Wärmetauscher an die Luft im Serverraum. Dadurch ist die Kühlmethode nicht von der Außenluftqualität abhängig.

Diese Methode kennt zwei Varianten: Handelt es sich dabei um einen Luft-Luft-Wärmetauscher, spricht man von einstufiger indirekter freier Kühlung. Transportiert ein Medium, oft ist das ein Wasser-Glykol-Gemisch, die Kälte der Außenluft nach drinnen und die Abwärme nach draußen, spricht man von zweistufiger indirekter freier Kühlung.

Zweistufige indirekte freie Kühlung mit wassergekühltem DX-Klimagerät und Trockenkühler

Hier steht ein Klimaschrank mit Freikühlwärmetauscher im Rechenzentrum. Der Trockenkühler steht außerhalb des Gebäudes und ist per Kühlwasserleitung mit dem Klimagerät verbunden. Ist die Außenluft kälter als die Rücklufttemperatur, stellt dieses System Kälte im Mischbetrieb aus mechanischer und freier Kühlung bereit. Ab welchem Temperaturunterschied die freie Kühlung einsetzt, hängt von der Dimensionierung des Trockenkühlers ab.

Zweistufige indirekte freie Kühlung mit Kaltwasser-Klimagerät und Kaltwassersatz

Hier ist der Freikühlwärmetauscher in den Kaltwassersatz integriert. Wenn nun die Außenlufttemperatur unter die Kaltwassertemperatur sinkt, wechselt die Anlage in den Mischbetrieb und der Kaltwassersatz schaltet die Freikühlung hinzu. 100% freies Kühlen findet dann statt, wenn die Außenlufttemperatur niedrig genug ist, sodass der Freikühler ausreichend kaltes Wasser für das Klimagerät bereitstellen kann.

Eine Frage der Größe

Im Gegensatz zur direkten freien Kühlung mit ihrem Effizienzwert von 90% führen die beiden notwendigen Wärmetauscher innen und außen für die zweistufige Kühlmethode zu einem etwa 20%igen Effizienzverlust

Einstufige Varianten benötigen gegenüber zweistufigen Lösungen vier- bis sechsmal mehr Platz. Sie bewegen vergleichsweise große Luftmengen. Zudem sind oft zusätzliche Öffnungen für Zu- und Abluft nötig, die Statik und Sicherheit eines Gebäudes mitunter beeinflussen.

Adiabate Unterstützung

„Adiabatik“ oder auch „Verdunstungskühlung“ kann die Effizienz der freien Kühlung weiter erhöhen. Der Begriff beschreibt den thermodynamischen Vorgang, den wir vom Schwitzen kennen: Auf unserer Haut bilden sich Schweißtropfen, die verdampfen und von der Umgebungsluft absorbiert werden. Dadurch kühlt die Luft ab - und wir spüren eine angenehme Frische. Nach dem gleichen Prinzip wird bei adiabatischer Unterstützung der freien Kühlung, die (noch zu warme) Außenumgebungsluft gekühlt, indem sie mit Wasser besprüht, befeuchtet oder an befeuchteten Pads entlanggeleitet wird. Die gekühlte Luft gelangt anschließend ins Rechenzentrum (direkte freie Kühlung) oder zuvor in den Wärmetauscher (indirekte Freie Kühlung).

Bei jeder adiabaten Unterstützung gibt es einige wichtige Dinge zu beachten:

Zum einen kann Luft nur begrenzt Wasser aufnehmen: In Regionen mit hoher durchschnittlicher Luftfeuchtigkeit stößt die adiabatische Kühlung an ihre Grenzen. Das verwendete Wasser muss zwingend Hygieneanforderungen wie der Legionellenprüfung entsprechen.

Luft kann außerdem nur bis zu einem bestimmten Feuchtigkeitsgrad in Rechenzentren geleitet werden, ohne eine Gefahr für die Rechner darzustellen. Deshalb kann adiabatische Unterstützung nur bedingt mit direkter freier Kühlung kombiniert werden. Deshalb ist adiabate Unterstützung besonders effektiv in trockenen Regionen, aber natürlich mit dementsprechend hohem Wasserverbrauch verbunden.

Serverräume –Wärmequellen für heute und morgen

Das Potential und die Technik sind vorhanden, um die große Menge an Abwärme aus Datenzentren zu nutzen. Würden wir diese Abwärme flächendeckend für die Beheizung von Wohngebäuden nutzen, sänke der Heizölbedarf für Wohngebäude um beeindruckende 8,8 Prozent. Von realen Einsparungen in dieser Größenordnung träumen wir (noch).

Einzelne Leuchttürme zeigen das Machbare: Systemanbieter erarbeiten mit potentiellen Abwärme-Lieferanten und einem Netzwerk aus fähigen Planern fertige Konzepte. Das Datenzentrum der TU Braunschweig versorgt schon ein ganzes benachbartes Quartier mit Wärme. Neue Anwendungsfälle wie vertical farming, dem Gemüseanbau auf kleinstem Raum in Gewächshäusern in dicht bebauten Ballungsräumen, eröffnen weitere Geschäftsmöglichkeiten. Es ist an der Zeit aus Datenzentren viel mehr (Wärme) herauszuholen.