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Freie Kühlung - Direkt und Indirekt

Freie Kühlung für Rechenzentren: Jeder spricht heute darüber und es ist Thema auf allen Konferenzen, die sich mit der Infrastruktur der Rechenzentren beschäftigen. Es gibt inzwischen zahllose Varianten, alle mit dem Ziel, den Energieverbrauch des Rechenzentrums zu senken und den PUE zu verbessern. Der Begriff "Freie Kühlung" suggeriert, das man Kühlung kostenlos bekommt. Dem ist leider nicht so, denn was ist heute schon kostenlos. Im Folgenden werden die in der Praxis angewendeten Freikühllösungen beschrieben.

Freie Kühlung

Freie Kühlung bedeutet, den Energieverbrauch der Klimaanlage durch geeignete Maßnahmen an dem jeweiligen Standort auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren, ohne dabei Kompromisse bezüglich der Sicherheit und Verfügbarkeit zu machen. Die Formulierungen "durch geeignete Maßnahmen" und "an dem jeweiligen Standort" führten zu einem sehr breiten Feld an Möglichkeiten.

Direkte Freie Kühlung

Diese kann wie folgt kurz beschreiben werden: Fenster auf, kalte Luft von draußen durch das Rechenzentrum schieben, Wärme aufnehmen, die Luft wieder nach draußen befördern, fertig. Physikalisch gesehen passiert genau das, man steckt nur noch Energie in den Vorgang "Luft bewegen".

Ganz so einfach ist es in der Praxis leider dann doch nicht. Außenluft hat unglücklicherweise viele schlechte Angewohnheiten. Mal ist sie warm, mal kalt, mal sehr feucht und auch mal ganz trocken. Dazu ist sie nicht immer und überall sauber. Die Luft enthält oft viele Partikel, die den Servern nicht gut bekommen.

Direkte freie Kühlung sollte also nur dort zum Einsatz kommen, wo die Luft möglichst wenig schlechte Angewohnheiten hat oder wo diese mit kostentechnisch akzeptablen Maßnahmen kontrolliert werden können.

Bevor der Außenluft Zutritt zum Rechenzentrum gewährt wird, muss diese gefiltert werden. Ein Vorgang, der sehr aufwändig und teuer werden kann.

Ist die Außenluft zu kalt, muss ein gewisser Anteil der Luft aus dem Rechenzentrum beigemischt werden, damit die Server korrekt temperierte Luft bekommen. Hierauf müssen das Luftführungskonzept und die Regelungstechnik im Rechenzentrum ausgelegt sein.

Ist die Außenluft zu warm, muss zusätzlich mechanisch gekühlt werden. An Standorten mit sehr hohen Jahresdurchnittstemperaturen ist direkte freie Kühlung daher möglicherweise wenig sinnvoll.

Die Luftfeuchte ist eine weitere Herausforderung. Zu trockene oder zu feuchte Luft können die Serverleistung und ihre Lebensdauer auch negativ beeinflussen. Maßnahmen zum Befeuchten und zum Entfeuchten können ebenfalls sehr aufwändig und teuer werden.

An einigen Standorten verbietet auch die Gesetzgebung indirekt die Nutzung von Direkter Freier Kühlung, da aus Sicherheitsgründen keine größeren Öffnungen in den Gebäudeaußenwänden erlaubt sind.

Man sieht, dass sich die prinzipiellen Vorteile relativieren, wenn aufgrund der Standortbedingungen teure zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind.

Indirekte Freie Kühlung

Bei der Indirekten Freien Kühlung bleibt das Fenster sozusagen zu, die Außenluft mit all ihren schlechten Angewohnheiten gelangt nicht in das Rechenzentrum und muss draußen bleiben. Alle schon genannten potentiellen Nachteile der Direkten Freien Kühlung gibt es bei der Indirekten Freien Kühlung nicht. Leider ist die Indirekte Freie Kühlung aber nicht so effizient wie die Direkte Freie Kühlung, da immer wenigstens ein Wärmeübergang zwischen der Luft im Rechenzentrum und der Außenluft erfolgt. Wenigstens ein Wärmetauscher ist notwendig und das bedeutet einen Verlust an Effizienz.

Bei der Indirekten Freien Kühlung unterscheidet man zwischen ein- und zweistufigen Systemen.

Einstufige Indirekte Freikühlsysteme

Einstufige Indirekte Freikühlsysteme arbeiten mit einem Wärmeübergang mittels eines Luft-Luft-Wärmetauschers. Die Luft im Rechenzentrum wird umgewälzt und durch den Luft-Luft-Wärmetauscher geführt. Die Außenluft wird auf der Außenseite durch den Luft-Luft-Wärmetauscher transportiert. Darüber hinaus gibt es noch ein mechanisches Kühlsystem, welches zum Einsatz kommt, wenn die Außenluft zu warm ist. Einstufige indirekte Freikühlsysteme benötigen sehr viel Platz da die Luft-Luft-Wärmetauscher im Verhältnis zur Kühlleistung und im Vergleich zu Wärmetauschern in Umluftklimageräten sehr viel größer sind. Des Weiteren werden große Öffnungen in der Gebäudeaußenwand benötigt, da sehr große Mengen Außenluft zum Luft-Luft-Wärmetauscher geführt werden müssen.

Zweistufige Indirekte Freikühlsysteme

Zweistufige Indirekte Freikühlsysteme benötigen erheblich weniger Stellfläche als die einstufigen Systeme, sind jedoch etwas weniger effizient da mit zwei Wärmeübergängen gearbeitet wird. Die Wärme der Luft im Rechenzentrum wird im ersten Wärmetauscher an eine Flüssigkeit abgegeben, diese wird über vergleichbar dünne Rohre nach draußen transportiert und dort über einen zweiten Wärmetauscher an die Außenluft abgegeben. Durch den zweiten Wärmeübergang verliert man wieder etwas Effizienz. Auch hier ist die mechanische Kühlung Teil des Systems und wird nur bei hohen Außentemperaturen ergänzend zur freien Kühlung eingesetzt. Ist es sehr warm, findet ausschließlich mechanische Kühlung statt.

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    • Sprache: German

    • Datum: 2015-11-06

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Über den Autor

Über den Autor

Benjamin Petschke wurde 1969 in Deutschland geboren. Nach dem Physikstudium begann er 1996 für STULZ zu arbeiten. Seit dem war Herr Petschke in verschiedenen Positionen in der Entwicklung, dem Export und der Marketingabteilung beschäftigt. Mit über 19 Jahren Erfahrung im Bereich Rechenzentren hat er sich auf das Design von Rechenzentrumsklimasystemen, Energieeffizienzoptimierung sowie Akustik spezialisiert.

Herr Petschke arbeitet eng mit dem Joint Research Centre der Europäischen Kommission für den Code of Conduct on Data Centre im Bereich Best Practices zusammen sowie kürzlich auch mit der deutschen DKE bei der Erarbeitung der DIN EN 50600, Information technology – Data Centre facilities and infrastructures.

Er hat mehrere White Paper zu Themen wie "Data Center Cooling – Best Practice" und "Effiziente Klimatisierung von Rechenzentren – Dynamic Free Cooling" verfasst.

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