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Kühlkonfigurationen für Gehäuse und Racks in Rechenzentren

Die Wärmebelastung in Gehäusen und Racks von Rechenzentren nehmen stetig zu. Betriebsleiter und IT-Personal müssen daher neue energieeffiziente, kostengünstige und verlässliche Lösungen für die Kühlung finden. Für die Kühlung von Anlagen in Rechenzentren gibt es viele verschiedene Gehäusekonfigurationen. Daher ist es wichtig, die diversen Optionen und ihre Vorteile genau zu kennen. Ganz allgemein können die Gehäusekühlkonfigurationen unterteilt werden in Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung oder Kombinationen aus Luft- und Flüssigkeitskühlung. In diesem Artikel werden verschiedene Konfigurationen für die Luftkühlung, Luft- und Flüssigkeitskühlung sowie für die Flüssigkeitskühlung von Gehäusen in Form einer Zusammenfassung von Kapitel 4 des englischsprachigen Buches Liquid Cooling Guidelines for Datacom Equipment Centers.1 vorgestellt. Darin werden sowohl das äußere Zusammenwirken zwischen der Infrastruktur des Betriebs und der Gehäuse- bzw. Rack-Kühlung als auch die verfügbaren internen Kühlsysteme für die Gehäuse bzw. Racks behandelt.

In Abbildung 1 wird ein Gehäuse bzw. Rack mit reiner Luftkühlung dargestellt. Bei dieser Konfiguration wird die Luft einfach über die Elektronik geblasen, um die überschüssige Wärme zu beseitigen. Dies ist die einfachste Form der aktiven Kühlung auf Gehäuse- bzw. Rack-Niveau und eine Konfiguration, die den meisten Betriebstechnikern gut bekannt ist. Normalerweise ist die Luftkühlung kostensparender und einfacher zu implementieren als die Flüssigkeitskühlung. Allerdings wird durch die Flüssigkeitskühlung eine wesentlich höhere Wärmebelastung beseitigt und diese Konfiguration ist energieeffizienter als die Luftkühlung.

 Abbildung 1: Luftgekühltes Rack oder Gehäuse

Abbildung 1

Nach der Definition der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE)2 gilt ein Gehäuse bzw. Rack als flüssigkeitsgekühlt, wenn für den Kühlbetrieb eine Flüssigkeit durch einen Kreislauf fließt, der zum Gehäuse bzw. Rack hin und von diesem wieder zurück führt. Häufig gibt es zwei Flüssigkeitskühlkreisläufe. Der erste Kreislauf verläuft auf der Betriebsseite und wird auch als Primärkreislauf bezeichnet. Durch ihn fließt ein Kühlmittel, das vom Betriebskreislauf an das Rechenzentrum geleitet wird. Der zweite Kreislauf befindet sich auf der Prozessseite und wird auch als Sekundärkreislauf bezeichnet. Über diesen Kreislauf wird das Gehäuse/Rack bzw. die in dem Gehäuse/Rack eingebaute Anlage des Rechenzentrums mit Kühlmittel versorgt. Die Zu- und Rückleitungen für das Kühlmittel verlaufen unter einem erhöhten Fußboden, oberhalb des Fußbodens oder unter der Decke her. Die Zu- und Rückleitungsanschlüsse für das Kühlmittel können sich außerdem am Boden, auf der Oberseite oder an einer Seite des Gehäuses bzw. Racks befinden.

Eine Kombination aus luft- und flüssigkeitsgekühltem Rack ist eine weitere erhältliche Konfiguration. (Siehe Abbildung 2.) Es gibt viele Möglichkeiten für die Implementierung dieser Kühlmethode. Eine Möglichkeit ist die Kühlung der Elektronik durch Blasen von kalter Luft in den vorderen Bereich des Gehäuses und die Wärmeableitung über einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher, der in den hinteren Bereich des Gehäuses eingebaut wird. Eine andere Möglichkeit zur Kühlung der Elektronik ist die Verwendung einer Kühlplatte, durch die ein Kühlmittel zirkuliert und die auf spezifischen „Hot Spots“ angebracht wird, wobei die überschüssige Wärme durch Luftkühlung abgeleitet wird. Dies sind nur zwei der möglichen kombinierten Kühlkonfigurationen.

 Abbildung 2: Luft- und flüssigkeitsgekühltes Rack oder Gehäuse

Abbildung 2 

Ein Gehäuse oder Rack kann auch rein flüssigkeitsgekühlt sein (siehe Abbildung 3). Die häufigste Konfiguration ist ein vollständig eingeschlossenes Gehäuse mit einem Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher, bei dem kalte Luft als aktives Kühlmittel zur Kühlung der Elektronik verwendet wird. Stattdessen kann auch die gesamte Elektronik durch eine Flüssigkeit gekühlt wird, die zu den Kühlplatten in der Anlage des Rechenzentrums fließt. In beiden Fällen erfolgt die Wärmeableitung vom Gehäuse durch die Kühlflüssigkeit.

 Abbildung 3: Flüssigkeitsgekühltes Rack oder Gehäuse (Seitenansicht).

Abbildung 3

Sowohl die Hybrid-Kühlkonfigurationen als auch die rein flüssigkeitsgekühlten Konfigurationen sind anfällig für Kondenswasserbildung, wenn die Kühlflüssigkeit kälter ist als der Taupunkt im Raum. Durch ein Kühlflüssigkeitsverteilsystem kann das Risiko der Kondenswasserbildung beseitigt werden, indem die Kühlmitteltemperatur automatisch über dem Taupunkt gehalten wird. Mit dem Kühlflüssigkeitsverteilsystem zirkuliert gekühlte Flüssigkeit durch das Gehäuse, das Rack oder die Anlage des Rechenzentrums, wodurch im Prinzip der Sekundärkreislauf entsteht. Ein weiterer Vorteil des Kühlflüssigkeitsverteilsystems besteht darin, dass es die Elektronik von dem aggressiveren Betriebswasser isoliert und das Kühlflüssigkeitsvolumen in der unmittelbaren Umgebung der Technologie auf ein Minimum reduziert. Auf den Abbildungen 4 und 5 wird die Verwendung eines externen Kühlflüssigkeitsverteilsystems jeweils mit der Hybrid-Kühlkonfiguration und mit der flüssigkeitsgekühlten Konfiguration dargestellt.

 Abbildung 4: Luft- und flüssigkeitsgekühltes Rack oder Gehäuse mit externem Kühlflüssigkeitsverteilsystem

Abbildung 4

 Abbildung 5: Flüssigkeitsgekühltes Rack oder Gehäuse mit externem Kühlflüssigkeitsverteilsystem.

Abbildung 5

Alternativ kann sich das Kühlflüssigkeitsverteilsystem auf der Höhe des Gehäuses bzw. Racks befinden (siehe Abbildungen 6 und 7). Bei den abgebildeten Beispielen ist ein Kühlflüssigkeitsverteilsystem innerhalb des Gehäuses bzw. des Racks installiert, um die optimale Flüssigkeitstemperatur herzustellen und die Kühlflüssigkeit auf die Elektronik bzw. an die Anlage im Rechenzentrum zu verteilen. Das eingebaute Kühlflüssigkeitsverteilsystem bietet dem Anwender mehr Flexibilität bei der Kühlung der einzelnen Gehäuse bzw. Racks. Mit einem externen Kühlflüssigkeitsverteilsystem können mehrere Gehäuse oder Racks gekühlt werden. Daher müssen für alle Gehäuse und Racks derselbe Kühlbedarf bestehen. Andererseits ist ein eingebautes Kühlflüssigkeitsverteilsystem eine kostspieligere Lösung, bei der normalerweise keine Redundanz gegeben ist und ein einziger Ausfallpunkt vorliegt.

 Abbildung 6:  Luft- und flüssigkeitsgekühltes Rack oder Gehäuse mit eingebautem Kühlflüssigkeitsverteilsystem

Abbildung 6

 Abbildung 7: Flüssigkeitsgekühltes Rack oder Gehäuse mit eingebautem Kühlflüssigkeitsverteilsystem.

Abbildung 7

Auf den Abbildungen 1 bis 7 wird dargestellt, wie die Gebäudeinfrastruktur mit dem Gehäuse bzw. Rack zusammenwirkt. Auf den Abbildungen 8 bis 12 werden Konfigurationen innerhalb der Gehäuse oder Racks selbst dargestellt. In das Gehäuse bzw. Rack eingebaute Flüssigkeitskühlsysteme leiten die Wärme mithilfe einer Kühlflüssigkeit ab, die zuvor durch ein Kühlflüssigkeitsverteilsystem auf die richtige Temperatur gekühlt wurde. Als Kühlflüssigkeiten kommen Wasser, ein Frostschutzgemisch, eine dielektrische Flüssigkeit oder ein Kühlmittel in Frage. Mit Korrosionshemmern und/oder Bioziden versetztes Wasser wird am häufigsten als Kühlflüssigkeit in einem Kühlflüssigkeitsverteilsystem verwendet.

Die erste Konfiguration (siehe Abbildung 8) verwendet eine Kombination aus Luft und Kühlflüssigkeit zur Kühlung des Gehäuses/Racks. Bei dieser Konfiguration wird als einziges Kühlmittel Luft verwendet. Diese wird über einen Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher geblasen, der an einer Stelle im Luftstrom installiert ist. Der Wärmetauscher dient dann zur Kühlung der ein- oder ausströmenden Luft. Hierdurch wird die Wärmebelastung für die Klimaanlage des Computerraums verringert und die Rückführung von heißer Luft wird ebenfalls reduziert. Allerdings sollten Effektivität des Wärmetauschers und Kondenswasserbildung bei dieser Gehäusekonfiguration unbedingt berücksichtigt werden, insbesondere, wenn der Wärmetauscher innerhalb des Luftstroms vor der Datenkommunikationsanlage eingebaut ist. Auch der luftseitige Druckverlust im gesamten Wärmetauscher muss gering sein, wenn keine zusätzlichen Lüfter eingebaut werden.

 Abbildung 8: Offene luftgekühlte Datenkommunikationsanlage in einem luft- und flüssigkeitsgekühlten Rack.

Abbildung 8

Eine weitere mögliche Konfiguration ist ein geschlossenes Gehäuse, in dem die Luft als einziges Kühlmittel durch die Datenkommunikationsanlage strömt. (Siehe Abbildung 9.) In diesem Fall wird die gesamte Wärmebelastung durch eine Kühlflüssigkeit abgeleitet, die mit einer bestimmten Temperatur vom Kühlflüssigkeitsverteilsystem durch den Wärmetauscher strömt. Der Wärmetauscher und die Lüfter können an verschiedenen Positionen im Gehäuse eingebaut werden. Allerdings sollten sie so positioniert sein, dass das Kondenswasser vom Wärmetauscher nicht in die Elektronik tropfen kann. Im Gegensatz zu Konfigurationen mit heißen und kalten Gängen (siehe Abbildung 8) wird bei dieser Konfiguration die Mischung von heißer und kalter Luft vermieden und es wird mehr Wärme abgeleitet.

 Abbildung 9: Geschlossene luftgekühlte Datenkommunikationsanlage in einem flüssigkeitsgekühlten Gehäuse.

Abbildung 9

Die Datenkommunikationsanlage in dem Gehäuse bzw. Rack kann auch ausschließlich flüssigkeitsgekühlt werden (siehe Abbildung 10). Bei dieser Konfiguration zirkuliert die vom Kühlflüssigkeitsverteilsystem oder durch die Betriebswasserzuleitung auf eine bestimmte Temperatur gekühlte Kühlflüssigkeit zu allen Wärme erzeugenden Komponenten in der Datenkommunikationsanlage. In Abbildung 10 wird der optionale Flüssigkeitswärmetauscher mit Pumpe dargestellt (im Prinzip ein eingebautes Kühlflüssigkeitsverteilsystem). Dieser wäre nicht nötig, wenn die Kühlflüssigkeit direkt von einer Betriebswasserzuleitung und nicht von einem Kühlflüssigkeitssystem käme. Allerdings muss darauf hingewiesen werden, dass ohne eingebautes Kühlflüssigkeitsverteilsystem generell ein höheres Kühlflüssigkeitsvolumen in unmittelbarer Umgebung der Elektronik vorhanden ist. Dadurch besteht ein höheres Risiko für ein Kühlflüssigkeitsleck, das katastrophale Folgen haben kann. Aus diesem Grund wird diese Konfiguration nur selten verwendet.

 Abbildung 10: Flüssigkeitsgekühlte Datenkommunikationsanlage in einem flüssigkeitsgekühlten Gehäuse.

Abbildung 10

Eine weitere Konfigurationsmöglichkeit ist in Abbildung 11 zu sehen. Bei dieser Option werden nur die wärmsten Bereiche innerhalb des Gehäuses/Racks (bzw. die Bereiche mit der empfindlichsten Elektronik) flüssigkeitsgekühlt, und das restliche Gehäuse/Rack wird von der Klimaanlage für den Computerraum luftgekühlt. Diese Methode kann gut funktionieren bei Gehäusen/Racks, die unterschiedliche Wärmequellen mit verschiedenen und/oder komplexen Geometrien aufweisen. Wie bei dem vorherigen Beispiel (siehe Abbildung 10) ist in Abbildung 11 ein optionaler Flüssigkeitswärmetauscher mit Pumpe dargestellt.

 Abbildung 11: Offene luft- und flüssigkeitsgekühlte Datenkommunikationsanlage in einem luft- und flüssigkeitsgekühlten Rack.

Abbildung 11

Die letzte Konfiguration (siehe Abbildung 12) ist ähnlich wie bei Abbildung 11, außer dass es sich um ein geschlossenes Gehäuse handelt. Hier werden Flüssigkeits- und Luftkühlung miteinander kombiniert. Die von dem Betriebskreislauf zugeführte Kühlflüssigkeit oder ein durch ein Kühlflüssigkeitsverteilsystem versorgter Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher kühlt die Luft, die dann die Komponenten mit geringer Wärmedichte kühlt. Der Plattenwärmetauscher (optional) und die daran angeschlossene Pumpe und die Lüfter oder die von dem Kühlflüssigkeitsverteilsystem zugeführte Kühlflüssigkeit leiten die Wärme von den Komponenten mit hoher Wärmedichte ab.

 Abbildung 12: Geschlossene luft- und flüssigkeitsgekühlte Datenkommunikationsanlage in einem flüssigkeitsgekühlten Rack.

Abbildung 12

Bei den meisten Kühlsystemen für Gehäuse oder Racks wird die Wärme mit irgendeiner auf eine bestimmte Temperatur gekühlten Betriebskühlflüssigkeit in einem Kühlwasserkreislauf abgeleitet, wobei in einigen Fällen eine Klimaanlage für den Computerraum unterstützend wirkt. Dieser Schwerpunkt auf der Flüssigkeitskühlung ergibt sich aus den zunehmenden Wärmebelastungen von HighTech-Anlagen in den Betrieben. Die Kühlflüssigkeit kann diese Wärmebelastungen wirksamer ableiten als Luft und trägt so zur Lebenserwartung und Effizienz der Datenkommunikationsanlage bei – bei gleichzeitig geringeren Energiekosten für die Kühlung.

Liquid Cooling Guidelines for Datacom Equipment Centers ist bei der ASHRAE zum Preis von US$ 50.00 (Nichtmitglieder) bzw. US$ 40.00 (Mitglieder) erhältlich und kann per E-Mail unter orders@ashrae.org oder über den ASHRAE Bookstore unter www.ashrae.org bestellt werden.

Hinweis: Abbildungen mit freundlicher Genehmigung der ASHRAE.

Lesen Sie unsere Pressemitteilung „Lytron erhält Anerkennung für Beiträge zu Richtlinien für die Flüssigkeitskühlung in der Datenkommunikation“.

1American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. (2006). Liquid Cooling Guidelines for Datacom Equipment Centers, Atlanta.
2Ibid., Seite 37.