Warmwasserkühlung für Server

Von Tino Born und Rasim Cubukcu

Neben der exponentiell steigenden Rechenleistung wird die energierelevante Infrastruktur der Rechenzentren immer mehr zur Herausforderung. Es gilt, die notwendige elektrische Energie für den Serverbetrieb dauerhaft und unterbrechungsfrei zu gewährleisten und die von den Servern produzierte Wärme sicher abzuführen. Kenngröße für die Energieeffizienz von Rechenzentren ist die Power Usage Effectiveness (PUE). Der PUE-Faktor eines zeitgemäßen Rechenzentrums liegt bei kleiner oder gleich 1,3. Das heißt, dass mindestens der 1,3-fache Energiebedarf der IT zusätzlich für die Energieversorgung und Klimatisierung benötigt wird.

Energetischer Vorteil

Zur Kühlung von Servern stehen grundsätzlich drei Möglichkeiten zur Verfügung: Luftkühlung, Kaltwasserkühlung und Warmwasserkühlung. Klassische, luftgekühlte Rechenzentren benötigen für die Kühlung rund 50 % ihres Energiebedarfs zusätzlich, weil die Kälte mechanisch erzeugt werden muss. Einen energetischen Vorteil bietet dagegen der Einsatz von warmwassergekühlten Serverracks. Die Warmwasserkühlung erfolgt direkt am Serverblade. Die Vorlauftemperatur beträgt dabei 40 Grad Celsius, die Rücklauftemperatur 45 Grad. Dieses Temperaturniveau eignet sich hervorragend für die indirekte freie Kühlung in klimatisch gemäßigten Regionen, in denen die Außentemperatur nicht über 39 Grad steigt. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur sinnvollen Abwärmenutzung, etwa für Heizprozesse. Die als Abfallprodukt zur Verfügung stehende Wärme wird dann nicht über Rückkühler an die Umgebung abgegeben, sondern genutzt, um in anderen Gebäudeteilen Heizenergie einzusparen. Ähnlich der Kaltwasserkühlung wird bei der Konzeption größerer Rechenzentren auch dieses System häufig mit luftgekühlten Servern kombiniert, um mehr Flexibilität zu erreichen.

Weniger VE-Wasser

Bei der Warmwasserkühlung wird ab Außentemperaturen von 33 Grad Celsius und darüber VE-Wasser genutzt, um die Ansaugluft der Rückkühler durch Verdunstung vorzukühlen. Dies ist notwendig, um die geforderten Kühlwassertemperaturen von 38 bzw. 43 Grad Celsius auch bei höheren Außentemperaturen zu erreichen. VE-Wasser enthält anders als enthärtetes Wasser keinerlei gelöste Stoffe und verhindert so das Verkalken von Wärmetauschern. Bereits bei Außentemperaturen ab 27 Grad benötigen die Rückkühler zur Kaltwasserkühlung ebenfalls ein Besprühen mit VE-Wasser. Ausgehend von einer maximalen Außenlufttemperatur von 37 Grad ist bei der Warmwasserkühlung eine Vorkühlung der Ansaugluft an 31 Stunden pro Jahr notwendig. Denn nur in diesem Zeitraum liegt die Außentemperatur über 33 Grad Celsius. Im Gegensatz dazu erfordert die Kaltwasserkühlung eine Vorkühlung über eine wesentlich längere Periode von 305 Stunden jährlich, da sie bereits bei Temperaturen ab 27 Grad eine zusätzliche Kühlung mit VE-Wasser benötigt. Im Vergleich benötigt die Warmwasserkühlung bis zu zwei Drittel weniger VE-Wasser als die Kaltwasserkühlung.

Der Strombedarf bei Warm- und Kaltwasserkühlung ergibt sich maßgebend aus den Bedarfen der Kältemaschinen und den Bedarfen der Rückkühler. Anhand einer Beispielrechnung für die Kühlung einer installierten Rechenleistung von 1 MW in einem Rechenzentrum zeigt sich: Bei der Kaltwasserkühlung ist der Strombedarf für die mechanische Kälteerzeugung sowie die Rückkühlung mit 1.250 kW erheblich größer als bei der Warmwasserkühlung, die im Vergleich nur 250 kW benötigt. Durch die ermittelte Verringerung des jährlichen Stromverbrauchs bei der Warmwasserkühlung um zirka 780 MWh ergibt sich ein Einsparpotenzial von 77 %. Da zudem immer mehr Hersteller Lösungen zur Warmwasserkühlung von Serverracks anbieten, ist mit fallenden Preisen der Systeme und damit geringeren Investitionskosten zu rechnen. Warmwasserkühlung entwickelt sich aus guten Gründen zu einem Trend.

Die Autoren
Tino Born und Rasim Cubukcu sind leitende Planer in den Bereichen Energie und Umwelt sowie technische Gebäudeausrüstung bei Carpus+Partner AG mit Sitz in Aachen, Deutschland.