In der Praxis ist ein Rechenzentrum bezüglich der Aufrechterhaltung der täg­lichen Betriebsabläufe als kritischer Bereich zu sehen. Selbstverständlichkeiten, wie Rechnungserstellung, Warenbestellung über das Internet, logistische Abläufe, beispielsweise in der Automobilzulieferindustrie oder der lebenswichtigen Telekommunikation, geschehen heute nicht ohne entsprechende Informations- und Datentechnik. Das bindet Ressourcen und stellt innerhalb der Gebäudetechnik einen Schwerpunkt beim Verbrauch dar. Der Energieanteil für den RZ-Betrieb kann bis zu 60 % des Gesamtstromverbrauches für Büro- und Verwaltungsgebäude ausmachen, wovon allein für die Klimatisierung ein Großteil benötigt wird. Nach Angaben des Bundesumweltamtes wird der Stromverbrauch der deutschen Rechenzentren auf 11 Terawattstunden im Jahr geschätzt. Das entspricht einer Menge, die vier mittelgroße Kohlekraftwerke an Strom erzeugen. Nicht nur wegen der hohen Energiekosten, sondern vor allem wegen der immensen Bedeutung hinsichtlich der Verfügbarkeit von Rechenzentren, rückt daher der gezielte Einsatz von Klimatechnik in den Vordergrund.

Die zentrale Kälteerzeugung für die Klimatisierung des Rechenzentrums hat einen sehr großen Einfluss auf einen ökonomischen und energetisch sinnvollen Betrieb der gesamten Klimatechnik. Beispielsweise kommt der Fest­legung der Systemtemperaturen der Anlage eine wesentliche Rolle zu. Wählt man zu hohe Systemtemperaturen, besteht die Gefahr, die anfallenden Wärmelasten nicht abführen zu können. Setzt man auf zu niedrige Temperaturen, ist bei geeigneter Technik die Nutzung der freien Kühlung stark eingeschränkt.

Bei der Auslegung einer Klimaanlage ist im Vorfeld auf folgende Schwerpunkte zu achten:

1. Festlegung der Temperatur- und Feuchtebereiche in Abhängigkeit der Anforderungen aus der IT-Technik (Nutzer) und den Erfordernissen aus ASHRAE TC 9.9 2008

Durch die Festlegungen der ASHRAE ist der Temperatur- und Feuchtebereich, in dem die IT-Komponenten noch voll funktionsfähig sind, relativ groß. Das Spektrum für die empfohlene relative Luftfeuchte reicht von 40 – 60 %. Die zulässige Zulufttemperatur liegt im Bereich zwischen 18 – 27 °C. Diese Temperaturangaben sind technische Werte. Deshalb sollte dieses Thema zwischen den Service leistenden Mitarbeitern und dem Kunden IT besprochen werden. Der Kunde muss darauf hingewiesen werden, dass mit steigender Zulufttemperatur bei einer höheren System-Betriebstemperatur das System selbst u.U. einen erheblichen Mehrverbrauch an Strom fordert, der die ­Klimaeinsparung schnell aufzehren kann.

Im nebenstehenden Bild ist die Aufweitung der zulässigen Klimabereiche durch die ASHRAE im Laufe der Zeit deutlich zu erkennen. Demnach steht bei der Auslegung der Klimatechnik heute ein wesentlich größerer Spielraum zur Verfügung als es noch vor Jahren der Fall war.

Abb. Klimabereich gem. ASHRAE Gegenüberstellung alter und neuer Vorgaben

2. Zu- und Rücklufttemperaturen für den Umluftbetrieb im Rechnerraum

Aus Punkt 1 sind die entsprechenden Temperaturen abzuleiten. Das bedeutet für die Zuluft eine Spanne von 18 bis 27 °C. Bei der Festlegung der Zulufttemperatur am Klimagerät (Umluftkühler = ULK) ist eine etwa 1°bis 2°K niedrigere Temperatur zu wählen. Grund hierfür ist die Erwärmung der Zuluft vom Erzeugungsort (ULK) bis hin zur betroffenen IT-Komponente im Schrank. Aus energetischen Gründen ist von einer Temperaturspreizung zwischen der Zu- und Rückluft von 10 bis 12 K auszugehen. Je kleiner die Spreizung ausfällt, desto geringer ist die damit erzielte Kühlleistung.

3. Einsatz von Klimaanlagen mit variablen Volumenströmen

Ausgehend von einem konstanten Volumenstrom im Kaltwasserkreislauf muss auf veränderte Lastsituationen im RZ, beispielsweise aufgrund einer Erweiterung der IT-Technik, mit einem variablen Luftvolumenstrom der ULK reagiert werden. Energetisch ist es sinnvoll, eine geringe Zulufttemperatur zu wählen. Denn je niedriger die Zulufttemperatur, desto weniger Volumen ist bei gleicher Leistung erforderlich. Demgegenüber steht allerdings die Nutzung der freien Kühlung, die bekanntlich bei höheren Zulufttemperaturen häufiger zum Einsatz kommt.

Die aus Verfügbarkeitsaspekten gewünschte Redundanz bei den ULK führt zu einer zusätzlichen Energieeinsparung. Pumpen und Ventilatoren sollten mit einer möglichst geringen Drehzahl betrieben werden. Das bedeutet für die Rückkühler im Außenbereich, die Pumpen und vor allem die Umluftkühler, dass alle Geräte, inklusive der redundant vorhandenen Geräte, in Betrieb sind. So wird die Drehzahl der einzelnen Bauteile bei gleichbleibendem Volumenstrom reduziert. Redundante Bauteile werden im Normalbetrieb ständig mitgenutzt.

Bei Ausfall einer Komponente wird die Drehzahl erhöht und so die gleiche Menge an Luft oder Flüssigkeit zur Verfügung gestellt wie im Normalbetrieb. Da das Drehmoment bei Ventilatoren quadratisch zur Drehzahl steigt, ergibt sich z.B. bei einer Halbierung der Drehzahl eine Reduzierung der Leistung auf nur noch ein Viertel. Bei drehzahlgeregelten Systemen sind auf diese Weise erhebliche Energieeinsparungen zu erreichen. Voraussetzung hierfür ist die Verwendung von EC-Motoren.

4. Vermeidung von Luftkurzschlüssen zwischen Zu- und Rückluft

Mit welchen Maßnahmen Luftkurzschlüsse vermieden werden, hängt von vielen Faktoren ab. Das kann z.B. durch eine Warmgang-Kaltgang-Aufstellung oder eine Kaltgang- oder Warmgangeinhausung geschehen. Wichtig ist vor allem die Erkenntnis, dass durch die Vermischung kalter Zuluft und warmer Rückluft Verluste auftreten, die sich auf die gesamte Anlagenkonfiguration auswirken. Verringert sich die Spreizung zwischen Zu- und Rücklufttemperatur durch solche Vermischungen, verringert sich auch die Spreizung in den entsprechenden Kältekreisläufen und die Leistung der Gesamtanlage sinkt rapide.

5. Prüfung der Kombination von freier Kühlung und herkömmlicher Kälteerzeugung, z.B. Kompressionskälte (kombinierte Kühlung)

Wenn man mit freier Kühlung arbeiten möchte, sollte man beachten, dass die dafür notwendige Technik mehr Platz benötigt als die herkömmliche. Die indirekte freie Kühlung nutzt niedrige Außentemperaturen und kühlt das Kältemittel direkt. Ansonsten geschieht dies durch die erforderliche technisch erzeugte Kühlung (z.B. Kompressorkälte). Bei den verschiedenen Möglichkeiten freie Kühlung einzusetzen, werden mehr Wärmetauscherflächen, sog. Register, inklusive notwendiger Ventilatoren benötigt als bei einer herkömmlichen Kälteerzeugung. Nutzt man beispielsweise sog. Kaltwassersätze, befindet sich die gesamte Technik, wie Kompressor, Verdampfer, Kondensator, Wärmetauscher freie Kühlung, Ventilatoren, in einem Gerät. Das verlangt einen größeren Platz und erhöht die Anforderungen an die Statik. Im Gegenzug spart man dadurch Fläche innerhalb des Gebäudes.

6. Der Außenluftanteil ist möglichst gering zu halten

Ein Rechenzentrum energetisch sinnvoll zu klimatisieren heißt, dass nur die erzeugte Wärme der IT-Komponenten abgeführt werden soll. Hierzu gehört nicht das Schaffen eines Wohlfühlklimas, ähnlich der Klimatisierung von Wohn- und Aufenthaltsräumen. Angestrebt wird ein reiner Umluftbetrieb, dessen einzige Aufgabe es ist, die warme Rückluft aus dem Serverraum zu filtern und abzukühlen. Trotz dieser Zielsetzung muss auch für Serverräume ein gewisser Außenluftvolumenstrom zur Verfügung gestellt werden. Dieser sollte allerdings so gering wie nötig sein und dennoch die Anforderungen der DIN EN 13779 erfüllen. Um das Klima im Serverraum durch die Außenluft so wenig wie möglich zu beeinflussen, sollte sie passend konditioniert werden (s. Beitrag "Be- und Entlüftung im Rechenzentrum – Mindest-Außenluftraten"). Bei nicht konditionierter Außenluft ist eine entsprechende Regelung vorzusehen, die bei Über- oder Unterschreitung festgelegter Klimabereiche alarmiert und die Zufuhr sperrt.

7. Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung

Bei Kaltwasserkühlsystemen mit Kompressionskälte und nachgeschaltetem Sekundärkreislauf mit Kaltwasser bzw. Wasser-Glykol-Gemisch ist es sinnvoll, die Abwärme aus der Kühlung der Kälteerzeugung über einen separaten Wärme­tauscher abzugreifen. An dieser Stelle ist das abzugreifende Temperaturniveau am höchsten (ca. 40 – 50 °C). Heizungen oder Lufterhitzer von RLT-Anlagen können mit dieser Wärme unterstützt oder komplett versorgt werden. Die Verwendung der abzugreifenden Wärme ist vom Temperaturniveau aus dem Kälteprozess und dem Temperaturniveau des Abnehmers der Heizung etc. abhängig. Je näher diese Temperaturen beieinanderliegen, desto höher ist der Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung. Eine Abwärmenutzung direkt aus der Rückluft des Serverraumes ist sehr aufwändig und daher meist nicht gerechtfertigt. Grund hierfür ist die im Vergleich schlechte spezifische Wärmekapazität von Luft (ca. 1 kJ/kgK) gegenüber Wasser (ca. 4 kJ/kgK). Transport und Förderung von großen Luftmengen würden umfangreiche Maßnahmen und hohe Betriebskosten zur Folge haben. Nur wenn es die räumlichen Gegebenheiten mit sich bringen, z.B. Wärmeverwertung in benachbarten Räumen, ist eine solche Wärmeauskopplung aus der Rückluft rentabel.

8. Redundanzen vorsehen

Die Klimatisierung eines Rechenzentrums sollte immer in redundanter Weise erfolgen. Je nach Anforderungsprofil oder Zertifizierungsziel lassen sich Redundanzen vielfältig bilden. Als guter Kompromiss zwischen hohem Nutzen und bezahlbarem Aufwand wird häufig eine Klimaanlage nach dem n+1-Prinzip konzipiert. Demnach sind sämt­liche Komponenten zur Erzeugung und Weiterleitung des Kältemediums in der Anzahl so gewählt, dass bei Ausfall einer Komponente eine weitere die Funktion übernehmen kann. Dabei soll bei Ausfall einer Komponente oder während einer Wartung im laufenden Betrieb die Funktionsbereitschaft der Gesamtanlage nicht beeinträchtigt werden. Die Redundanzkette erstreckt sich von der erforderlichen Rückkühlung, z.B. vom Glykolrückkühler, dessen Leitungs- und Pumpensystem bis hin zum Umluftkühlgerät.

Die Betriebsweise der einzelnen Komponenten fällt dabei unterschiedlich aus. Kompressionskältemaschinen werden z.B. so betrieben, dass sie im Normalfall wöchentlich umgeschaltet werden und dadurch gleiche Jahresbetriebszeiten aufweisen. Umluftkühler oder Rückkühlwerke sind bei drehzahlgeregelten Systemen, bedingt durch die bereits unter Punkt 3 beschriebenen Energieeinsparmöglichkeiten durch die Drehzahlreduzierung, komplett zu betreiben.

In vielen Klimasystemen zur RZ-Versorgung werden/wurden allerdings die Rohrleitungen nicht redundant ausgeführt. Das führt/e dazu, dass auch bei Verbundsystemen die Verteiler den größten Schwachpunkt bilden und bei einem Ausfall, z.B. einer Leckage, die Versorgung der kritischen IT-Technik insgesamt oder in Teilen gefährden. Sind die IT-Anwendungen so kritisch, dass man das o.g. Restrisiko nicht tragen kann, muss das System voll redundant mit n+n ausgeführt werden.

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