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Gangeinhausung als Konzept für die Kühlung von Rechenzentren

30/10/2017

 

Jahrzehntelang wurden Doppelbodensysteme in Rechenzentren verwendet, um den Serverracks gekühlte Luft zuzuführen. Von einer Computerraum-Klimaanlage (CRAC – geteilte Klimaanlage oder Anlage mit Flüssigkeitskühlern) oder Luftversorgungseinheit (CRAH –Kaltwasserkühlsystem mit Anschluss an luftgekühlte oder wassergekühlte Kaltwassersätze) abgegebene gekühlte Luft erzeugt hohen Druck im Unterbodenraum. Diese Luft wird über perforierte Bodenfliesen in die Nutzfläche zurückgeführt. Anschließend wird sie in die Serverracks gesaugt, und dadurch wird die im Rack befindliche Serverausrüstung gekühlt. Die von den Servern erhitzte Luft wird wieder den CRAC/CRAH-Geräten zugeführt, in der Regel nach dem Mischen mit gekühlter Luft. CRAC/CRAH-Geräte sind im Raum perimetrisch angeordnet, und dies führt zum Verlust von Energie, da große Luftmengen im Raum verdrängt werden. Aufgrund des Mischens der Kalt- und Heißluftströme muss der Raum auf einer künstlich niedrigen Temperatur gehalten werden. Außerdem bietet die offene Raumgestaltung mit künstlich niedrigen Temperaturen lediglich eingeschränkte Anwendungsmöglichkeiten der Freikühlung.

 

Somit führten Doppelböden in Rechenzentren die gekühlte Luft den Racks direkt zu und konnten die Luftströmungen nach Bedarf durch den Einbau perforierter Fliesen rekonfiguriert werden. Trotz den gestalterischen Grenzen werden Kühlsysteme mit Unterboden-Luftverteilung noch heute in traditionellen Low-Density-Rechenzentren benutzt.

Die fortlaufende Miniaturisierung der Prozessorchips führt zu exponentiellem Wachstum der Leistungsdichte heutiger Rechenzentren, und viele Betreiber von Rechenzentren sind mit Herausforderungen in puncto Luftverteilung und Luftströmungsplanung konfrontiert. Mangelnde Effizienz und ungleichmäßige Luftverteilung sind traditionellen Kühlsystemen eigen und mit der Realität moderner Rechenzentren unvereinbar.

 

Die Verwendung einer Gangeinhausung, einer physischen Barriere, die den Serverracks zugeführte Kaltluft und heiße Abluft trennt, ermöglicht die Lösung des Problems der Vermischung von Heiß- und Kaltluftströmen. Die Vorteile der Gangeinhausung bestehen in der Möglichkeit, die Versorgungslufttemperatur zu erhöhen, höherer Temperaturdifferenz, die das Kühlsystem effizienter macht, und höherer Leistungsdichte.

In sich geschlossene Umgebungen ermöglichen zwei Konfigurationen: Kaltgangeinhausung, d. h. Einschluss von Kaltluft aus CRAC-Geräten, wobei heiße Serverabluft ungehindert zur CRAC zurückströmen kann, und Warmgangeinhausung, d. h. Einschluss der Heißluft und deren Rückführung zur CRAC zwecks Kühlung.

Kaltgangeinhausung ist generell kostengünstiger, einfach anwendbar und i. d. R. einfacher in eine vorhandene Einrichtung einbaubar.  Gleichzeitig eignet sich dieses Verfahren besser für Einrichtungen mit konstanter IT-Belastung und einheitlich angeordneten Rackreihen.

Die Warmgangumgebung erfordert umfangreiche Arbeiten zur Anordnung der obenliegenden Kanäle. Gleichzeitig bietet sie mehr Flexibilität und erlaubt eine höhere Leistungsdichte als bei der Kaltgangeinhausung. CRAC-Geräte überfluten den Raum mit gekühlter Luft, die von jedem individuellen Serverrack nach Bedarf angesaugt wird. Eine Kaltgangeinhausungsanordnung hingegen ist nicht so flexibel und erfordert, bei sich verändernden Serverbelastungen, womöglich die Umverlegung perforierter Fliesen.

Das Problem der langen Luftwege und der Energievergeudung beim Transport zu und von den Serverracks lässt sich durch Blockkühlung lösen. Auf Gangebene führt ein in der Serverrackreihe installiertes In-row-Gerät gekühlte Luft direkt zur Vorderseite der Serverracks und saugt Abluft von der Rückseite. Kühltüren mit dem Wärmetauscher, Ventilatoren und Steuerkomponenten in einer Hintertür (bzw. als deren Ersatz) des Serverracks können äußerst hohe Leistungsdichten bewältigen, haben aber gravierende Redundanzprobleme: bei einem Ausfall ist die IT-Ausrüstung einem Überhitzungsrisiko ausgesetzt.

 

Bei Verwendung mit einer Kaltgangeinhausung bietet die Blockausführung des Kühlsystems zusätzliche Pluspunkte. Weil Luftströme den Weg des geringsten Widerstands unter dem Boden gehen, führt die Anwendung praktischer CRAC-Geräte zur inkorrekten Verteilung der gekühlten Luft zwischen den eingeschlossenen Reihen. Blockkühlsysteme, z. B. In-row-Geräte, vermeiden eine ungleichmäßige Luftverteilung weitgehend und senken gleichzeitig den Ventilatorenergiebedarf.

 

Aufgrund der erhöhten Luftversorgungstemperaturen ermöglichen Gangeinhausungen umfassende Anwendungen der Freikühlung. Moderne Kaltwassersätze mit freier Kühlung arbeiten bei hohen Wassertemperaturen und hoher Temperaturdifferenz, wodurch sich mehr Sparstunden des Freikühlsystems und erhebliche Energieeinsparungen ergeben.

Die Gangeinhausungsarchitektur gewährleistet berechenbare und einheitliche Luftströme, einen erheblich gesenkten Ventilatorenergiebedarf bei Luftbewegungen, beseitigt Wärmenester, ermöglicht höhere Versorgungslufttemperaturen und erweitert die Anwendungsmöglichkeiten der Freikühlung. Die Wahl zwischen Warm- und Kaltgangeinhausung sollte durch Bewertung der rechenzentrumsspezifischen Einschränkungen getroffen werden. Kaltgangeinhausung wird bei Einrichtungen mit Doppelboden als Zuluftplenum sowie bei Nachrüstungen bevorzugt, wogegen der Warmgang bei neuen Installationen oder Einrichtungen mit nicht konstanter IT-Auslastung bevorzugt wird. In beiden Fällen ist die Blockkühlungsstrategie vorzuziehen.

 

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