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Hybride Kühlung: essenziell für zukunftsfähige Datacenter
Die Leistungsdichte einzelner Racks wird weiter rapide steigen und damit auch ihre Größe, ihr Gewicht und die von ihnen erzeugte Abwärme. Referenzarchitekturen moderner Hochleistungsrechner kombinieren in der hybriden Kühlung sowohl Flüssigkeits- als auch Luftkühlungstechnologien: Flüssigkeitskühlung wird als direkte Bauteilkühlung gezielt für die besonders leistungs-dichten Server-Komponenten eingesetzt, während Restwärme über die Luft abgeführt wird.
Der größte Teil der Wärmelasten von Datacenter-Racks wird bei Liquid Cooling durch Direct-to-Chip- oder Rear-Door-Systeme abgeführt. Dennoch verbleiben im White Space unvermeidbare Restwärmelasten, die weiterhin über die Luft abgeführt werden müssen. Diese Restwärme setzt sich aus der Abwärme von Komponenten wie Spannungswandlern, Speichermodulen, Netzwerkkarten sowie aus allgemeinen Gehäuse- und Umgebungsverlusten zusammen. Ihr Anteil liegt typischerweise im Bereich von etwa 10 bis 30 %, jeweils abhängig von der Architektur und Abdeckung sowie dem Systemdesign.
Hybride Kühlarchitekturen für hohe Leistungsdichten mit unterschiedlichen IT-Systemen
Für große Rechenzentren, insbesondere im Hyperscale-Bereich, sind daher hybride Kühlarchitekturen zunehmend relevant. Sie ermöglichen es, hohe Leistungsdichten mit unterschiedlichen IT-Systemen zu kombinieren und gleichzeitig Anforderungen an Verfügbarkeit und Energieeffizienz zu erfüllen. Auch für Colocations bieten zusätzlich zur Flüssigkeitskühlung installierte Luftkühlungskonzepte Vorteile, da sie insbesondere gemischte IT-Infrastrukturen bedarfsgerecht kühlen können.
Im Bereich Luftkühlung ist derzeit die Kühlung des White Space über CRAH- oder CRAC-Systeme weit verbreitet. Sie kühlen jeweils bestimmte Zonen. Neben ihrem Nachteil, Aufstellfläche im White Space zu beanspruchen und außerdem eine aufwändige und teure Doppelbodenkonstruktion, ergeben sich zusätzlich höhere statische Anforderungen, wenn die immer leistungsstärkeren Racks schwerer werden und deshalb hohe Punktlasten auf dem Doppelboden erzeugen.
Herausforderung Spannungsabfall
Für CRAH- oder CRAC-Systeme ergibt sich erst auf den zweiten Blick eine weitere Herausforderung: Bereits bei Stromausfällen von nur wenigen Minuten heizt sich der Luftraum zwischen den Racks innerhalb von Sekunden so stark auf, dass sich die Server ausschalten (müssen) und später ein aufwändiger Neustart erforderlich ist.
Diese Einschränkungen sind beim Einsatz von Fanwall-Systemen bzw. (Fan Wall Units (FWU) nicht gegeben. Sie bieten sich daher sowohl in der Umrüstung bestehender Rechenzentren auf Liquid Cooling als auch im Neubau als flexible, modular skalierbare und energieeffiziente Lösung mit inhärenter Redundanz an.
Während Flüssigkeitskühlung punktuell auf das eingebaute Rack einwirkt, temperieren Fanwall-Systeme den Luftraum des gesamten White Space Bereichs und vermeiden so lokale Hotspots bzw. Temperaturgradienten. Fanwall-Systeme üben damit eine stabilisierende Funktion auf die thermischen Randbedingungen im White Space aus.
Bedarfsgerechte Regelung
Besonders hervorzuheben ist die hohe Regelgeschwindigkeit der Ventilatoren, die insbesondere in modularen Umgebungen mit variablen Lastprofilen zur Stabilisierung des Gesamtsystems beiträgt. Die bedarfsgerechte Regelung der Ventilatoren ermöglicht zudem eine signifikante Reduzierung des Energieverbrauchs.
Eine Fanwall zeichnet sich drüber hinaus durch eine hohe Betriebssicherheit aus, da ein störungsbedingter Ausfall einzelner Komponenten sich nur marginal auf das Gesamtsystem auswirkt (inhärente Redundanz).
In Kombination mit Einhausungskonzepten wie Hot Aisle Containment (HAC) lässt sich die Trennung von kalter Zuluft und warmer Abluft optimieren. Dadurch können thermische Verluste reduziert werden.
Präzise Auslegung ist essentiell
Eine präzise Auslegung der Luftströmung ist essenziell, um eine gleichmäßige Kühlleistung sicherzustellen. Auf dem Weg dahin spielen Strömungssimulationen eine zentrale Rolle. Auch die Integration in bestehende Infrastrukturen kann insbesondere bei Nachrüstungen komplex sein, doch langfristige Effizienzgewinne kompensieren den planerischen Aufwand.
Bei kurzzeitigen Stromausfällen bietet das im White Space vorhandene Luftvolumen eine begrenzte thermische Trägheit (Thermal Ride Through). Sie puffert kurzfristige Lastschwankungen oder Übergangsphasen bei Störungen teilweise ab und verhindert, dass sich Server wegen Überhitzung ausschalten müssen. Dieser Effekt hängt stark von der Leistungsdichte und der jeweiligen Systemauslegung ab und muss daher bereits bei der Planung berücksichtigt werden.
Trennung von Service und IT
Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Fanwall-Systemen ergibt sich durch die Aufstellung bzw. die Flächennutzung. Da ein Fanwall-System entlang an der Wand installiert wird, entfällt die Notwendigkeit, Klimageräte innerhalb der IT-Fläche zu platzieren. Dies schafft zusätzlichen Raum für IT-Infrastruktur und vereinfacht die Architektur des Rechenzentrums.
Diese Trennung von Technik- und White Space-Zone reduziert nicht nur das Risiko von Störungen im laufenden Betrieb, sondern erhöht auch die Gesamtsicherheit des Rechenzentrums. Gleichzeitig verbessert sie die Wartungsfreundlichkeit, da Komponenten im laufenden Betrieb zugänglich bleiben und Eingriffe gezielt und mit geringem Einfluss auf die IT-Infrastruktur durchgeführt werden können.
Wartungsarbeiten lassen sich zudem im laufenden Betrieb durchführen. Besonders hervorzuheben ist die Lösung der WOLF Fanwall DCA, denn dort sind die Sonderventilatoren in die Servicetüren integriert, so dass Wartungs- und Servicearbeiten ausschließlich vom Technikgang aus erfolgen. Dadurch wird vermieden, dass Servicepersonal im sensiblen IT-Bereich arbeiten muss.
Weiterhin zeichnet sich diese Fanwall-Lösung durch eine ausgesprochen geringe Bautiefe und eine geringe Aufstellfläche aus, sowie um einen rund 8 % niedrigeren Energieverbrauch im Vergleich mit Standardlösungen.
Fazit:
Zusammenfassend lässt sich festhalten: Flüssigkeitskühlung wird eine zentrale Rolle bei der Kühlung leistungsdichter IT-Systeme spielen, kann jedoch die Luftkühlung nicht vollständig ersetzen. Stattdessen etabliert sich zunehmend ein hybrider Ansatz, bei dem beide Technologien entsprechend ihrer jeweiligen Stärken kombiniert werden. Luftkühlung bleibt insbesondere für Restwärme, Raumkonditionierung und Systemintegration ein wichtiger Bestandteil moderner Rechenzentrumskonzepte.
Eine sorgfältige Planung bereits im frühen Planungsstadium mit allen Gewerken/Beteiligten verspricht stets die Realisation der effizientesten Lösung.
Fanwall-Systeme
Ein Fanwall-System nutzt eine gesamte Wandfläche als zusammenhängende aktive Kühleinheit. Sie besteht aus einer Kombination von Wärmetauschern mit einer Vielzahl modular angeordneter Ventilatoren, die unabhängig voneinander geregelt werden können. Die flächige Anordnung einer Fanwall erzeugt eine homogene Luftführung im gesamten White Space (statt „nur“ einzelne Zonen zu kühlen). Sie bieten eine gleichmäßige Temperaturführung, eine hohe Regelbarkeit und systembedingte Redundanz.
Jeweils abhängig von den baulichen Gegebenheiten und dem Hersteller ermöglichen es Fanwall-Systeme zudem, den Wartungs- und IT-Bereich voneinander zu trennen.
Autor:
Geert Paelinck
Business Development Manager für Datacenter, WOLF Mainburg
Weitere Infos zu WOLF Fanwall DCA: www.wolf.eu/de-de/produkte/datencenter-fanwall-dca