Wie ein Rechenzentrum funktioniert

Die Funktionsweise der Klimatisierung eines Rechenzentrums verstehen

EOLIOS ist Experte für die Abfuhr der Wärme in Rechenzentren.

Mit der Zunahme der Informationsmenge und dem Grad der Informatisierung der Arbeitsprozesse wird die Frage der Sicherheit dieser Informationen beim ununterbrochenen Betrieb der Server immer drängender. Ein Versagen in diesem Bereich kann alle Tätigkeiten des Unternehmens aussetzen und zu schweren Verlusten führen. Eine der wesentlichen Voraussetzungen für einen stabilen Betrieb der Server ist die Aufrechterhaltung der optimalen Lufttemperatur im Volumen der Serverräume, erreicht mithilfe von Systemen, die auf einer Präzisionsklimatisierung beruhen.

Der Betrieb eines Rechenzentrums ist energieintensiv : Das Kühlsystem verbraucht oft ebenso viel (oder mehr) Energie wie die Computer, die es unterstützt.

In diesem Artikel werden wir einige der am häufigsten verwendeten Kühltechnologien der Rechenzentren untersuchen sowie die neuen Ansätze der CFD-Simulation.

Gestaltung von Kaltgang / Warmgang

Es handelt sich um eine Anordnung der Racks des Rechenzentrums, die abwechselnde Reihen vom Typ « Kaltgänge » und « Warmgänge » verwendet.

Vor den Racks sind Auslässe für kalte Luft angeordnet (im Allgemeinen über Gitter), damit die Server die Luft ansaugen ; die Warmgänge führen die Wärme von der Rückseite der Server ab. Die Lüftungskanäle sind im Allgemeinen mit einer abgehängten Decke verbunden, die die warme Luft aus den Warmgängen entnimmt, um sie zu kühlen ; anschließend wird die gekühlte Luft in die Kaltgänge geleitet, über einen Doppelboden oder Kanäle.

Die leeren Server-Racks müssen mit Blindplatten aufgefüllt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden und die Menge an verschwendeter kalter Luft zu verringern. Die durch das Fehlen von Servern entstehende Leere kann nämlich angesichts der Druckunterschiede zwischen warmer und kalter Zone zu parasitären Luftbewegungen führen ; diese parasitäre Luftbewegung ist verlorene Energie.

Kaltwassersystem

Diese Technologie ist die am häufigsten verwendete in den Rechenzentren mittlerer bis großer Größe.

Die Luft im Rechenzentrum wird durch Luftbehandlungssysteme zugeführt, bekannt unter dem Namen Luftbehandlungssysteme des IT-Raums (CRAH), und gekühltes Wasser (bereitgestellt durch ein externes Kühlsystem der Anlage) wird verwendet, um die Lufttemperatur zu senken.

Was ist der Unterschied zwischen CRAC- und CRAH-Einheiten ?

CRAC-Einheiten

Die CRAC-Einheiten funktionieren wie die Klimaanlagen von Wohnhäusern. Sie verfügen über ein Direktverdampfungssystem und Kompressoren, die direkt in die Einheit integriert sind. Sie sorgen für die Kühlung, indem sie Luft über einen mit Kältemittel gefüllten Wärmetauscher blasen ; das Kältemittel hält seinen kalten Zustand dank eines internen Kompressors aufrecht, und die überschüssige Wärme wird durch eine Mischung aus Glykol, Wasser oder Luft abgeführt. Während die meisten CRAC-Einheiten nur ein konstantes Volumen liefern (Ein-/Aus-Betrieb), befinden sich neue Modelle in Entwicklung, die Variationen des Luftvolumenstroms ermöglichen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die CRAC-Einheiten zu platzieren, doch sie werden im Allgemeinen gegenüber den Warmgängen eines Rechenzentrums installiert. Dort geben sie gekühlte Luft durch die Perforationen des erhöhten Bodens (Gitter oder Perforationen der Bodenplatten) ab und kühlen so die IT-Server.

CRAH-Einheiten

Die CRAH-Einheiten funktionieren wie Kaltwasser-Luftbehandlungsgeräte, die in den meisten Bürogebäuden installiert sind. Sie sorgen für die Kühlung, indem sie Luft über einen mit Kaltwasser gefüllten Wärmetauscher blasen. Das gekühlte Wasser wird im Allgemeinen durch « Kaltwassersätze » bereitgestellt — auch bekannt als Kaltwasseranlage. Die CRAH-Einheiten können die Drehzahl des Ventilators regeln, um einen definierten statischen Druck aufrechtzuerhalten, was gewährleistet, dass die Feuchtigkeitswerte und die Temperatur stabil bleiben.

Die Erzeugung von Kaltwasser kann durch Direktverdampfung oder durch Trockenkühler (DRY) vom Typ adiabatische Kühlung erfolgen, die weitaus energiesparender sind.

Was ist die optimale Temperatur eines Rechenzentrums ?

Die Serverräume enthalten eine Mischung aus warmer und kalter Luft : Die Ventilatoren des Servers stoßen während des Betriebs warme Luft aus, während die Klimaanlage frische Luft zuführt, um der warmen Abluft entgegenzuwirken. Die Aufrechterhaltung des richtigen Gleichgewichts zwischen warmer und kalter Luft war stets von größter Bedeutung für die Verfügbarkeit der Rechenzentren. Wird ein Zentrum zu warm, läuft die Hardware ein höheres Ausfallrisiko — was zu Stillstandzeiten, Datenverlust und Umsatzeinbußen führt.

In den 2000er Jahren lag der empfohlene Temperaturbereich bei 20 bis 24 °C : der von der ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) als optimal empfohlene Bereich für eine maximale Verfügbarkeit und Lebensdauer der Hardware, mit einem ausreichenden Pufferraum im Falle eines Klimaausfalls.

Seit 2005 sind neue Normen und bessere Geräte aufgekommen, mit verbesserten Toleranzen für höhere Bereiche : Die ASHRAE empfiehlt nunmehr einen akzeptablen Betriebsbereich von 18 bis 27 °C.

Der Anstieg der Temperaturen am Servereingang macht auch die Nutzung des Free Cooling oder des Free Chilling (die Außenluft zu nutzen, um frische Luft in den Raum zu blasen oder das Wasser zu kühlen, anstelle des Kaltwassersatzes) weit interessanter, insbesondere in gemäßigten Regionen wie Frankreich. Mit Sollwerten von 25 °C im Raum statt 15 °C verlängern sich die Zeiträume, in denen das Free Cooling ohne Aktivierung der Klimaanlage genutzt werden kann, erheblich — was zu bedeutenden Energieeinsparungen führt und den PUE (Power Usage Effectiveness) verbessert. Dasselbe gilt für das Free Chilling, das häufiger zur Kühlung der Wasserkreisläufe genutzt werden kann (Sollwert bei 15 °C statt 7 °C).

Die Problematik einer zu hohen Sollwerttemperatur

Leider können höhere Betriebstemperaturen die Reaktionszeit verkürzen im Falle eines raschen Anstiegs aufgrund eines Ausfalls der Kühleinheit. Ein Zentrum, dessen Server bei höheren Temperaturen betrieben werden, riskiert, augenblicklich gleichzeitige Hardware-Ausfälle zu erleiden. Die jüngsten ASHRAE-Vorschriften betonen die Bedeutung einer proaktiven Überwachung der Temperatur im Inneren der Serverräume.

Was geschieht, wenn es zu warm wird ?

Wenn die Temperatur im Inneren des Zentrums zu stark ansteigt, kann die Hardware leicht überhitzen, was die Server beschädigen kann. Die Daten könnten verloren gehen und schwerwiegende Probleme für die Unternehmen verursachen, die den Diensten des Rechenzentrums vertrauen. Deshalb müssen alle Zentren über Kühlsysteme verfügen, die es ermöglichen, eine Krisen- oder Wartungsphase zu überstehen.

Was geschieht bei einem Ausfall der Klimatisierungssysteme ?

Abhängig von der installierten Leistungsdichte kann der Anstieg der Lufttemperaturen im Inneren des Serverraums extrem schnell sein. Wir beobachten im Allgemeinen, bei den Simulationen eines Ausfalls vom Typ Stromausfall, einen Anstieg in der Größenordnung von 1 °C pro Minute. Daraus ergibt sich ein erhebliches Risiko der Beschädigung der Hardware und des Datenverlusts, wenn die Redundanz- und Sicherheitssysteme nicht korrekt ausgelegt sind. Im Übrigen ist die Zeit des Neustarts und der Aktivierung der Kompressoren auf voller Leistung eine Herausforderung für die anspruchsvollsten Räume. Um die Auswirkungen zu verzögern, gibt es Trägheitssysteme, die es ermöglichen, einige Minuten lang Wärmeenergie zu speichern, um die Kurve des Temperaturanstiegs zu glätten.

Warum eine CFD-Simulation eines Rechenzentrums durchführen ?

Die CFD-Simulation liefert Informationen über die Beziehung zwischen dem Betrieb der mechanischen Systeme und den Schwankungen der thermischen Last der IT-Geräte. Dank dieser Informationen können das IT-Personal und das Personal des Standorts die Effizienz des Luftvolumenstroms optimieren und die Kühlleistung maximieren.