Serverracks effizient kühlen Worauf es bei der Auswahl von Kühlsystemen für Server ankommt

Das rasant steigende Datenaufkommen in Unternehmen aller Branchen erfordert immer mehr und immer leistungsfähigere Server. Die zunehmende Serverdichte stellt wachsende Anforderungen an die Planung und den Aufbau von Rechenzentren. Dabei wird ein optimiertes thermisches Management zunehmend wichtiger.

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Rechenzentrumsfläche ist teuer, und weitere Stellplätze für zusätzliche Serverschränke sind oft nicht verfügbar. Deshalb geht der Trend auch bei modernen Server-Racks in Richtung „Verdichtung“. Mit dem Entwicklung zu immer höheren Rechnerleistungen und einer gleichzeitig größeren Packungsdichte in Server-Racks wächst der Bedarf an intelligenten Systemen, die die energetische und räumliche Effizienz optimieren.

Viele Rack-Hersteller empfehlen den Anwendern, bei der Platzausnutzung einen Grenzwert von 50% nicht zu überschreiten. Sogenannte High-Density-Schränke können jedoch komplett belegt werden. Bei einer stabilen Rahmenkonstruktionen und einer Belastbarkeit von bis zu 1000 kg lassen sich in diesen Racks auf 40 bis 50 Höheneinheiten (HE) auch schwere Server, Blade-Server, Switches und Storage-Komponenten auf kleinstem Raum unterbringen. Da die Komponenten immer wieder ausgewechselt werden müssen, sind High-Density-Schränke in der Regel außerdem für Server verschiedener Hersteller und unterschiedlicher Einbautiefen ausgelegt. High-Density-Rack-Systeme entsprechen der Schutzklasse IP54. Ein Rack-Management-System (RMS) überwacht als intelligenter Netzwerkagent mithilfe von Sensoren alle Umgebungseinflüsse auf die Server-Racks und generiert Alarmmeldungen und Schaltvorgänge.

Wärmelasten bei High-Density-Racks

Die meisten Low-Density-Rechenzentren sind heute auf einen Stromverbrauch von 1 bis 2 kW/m2 ausgelegt. Bei High-Density-Zentren geht man heute von einem Leistungsverbrauch von 15 kW und mehr pro Rack aus. Damit steigen auch die jeweiligen Wärmelasten. In großen Serverschränken beträgt die Wärmeabgabe je nach Serverkonfiguration bereits bei einer Auslastung von 50% zwischen 4 und 8 kW. Voll belegte High-Density-Serverschranksysteme müssen Wärmebelastungen bewältigen, die punktuell über 20 kW betragen können; unabhängig von der sie umgebenden Raumluft.

Kühlung on demand

Für extrem hohe Wärmelasten wurde bisher empfohlen, lokale Hitzenester im Rack über eine Luft-Wasserkühlung abzubauen, die bis in die Server hinein reicht. Die Hersteller von High-Density-Serverschränken bieten an dieser Stelle intelligente und energieeffizient arbeitende Kühllösungen an, die Kaltluft nutzen.

Schäfer setzt z.B. in seinem UniQle-System ein Kühlgerät mit Luft-Wärmeaustauscher ein, das im Umluftbetrieb eine geregelte, stufenlose Kälteleistung erbringt. Da Server zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich viel Wärme produzieren, passt sich das Kühlsystem der jeweiligen Serverleistung an. Die im Schrankboden befindliche Cooling-Unit, die von unten mit Wasser versorgt wird, stellt den Servern automatisch immer nur genau die Kälte zur Verfügung, die gerade benötigt wird. Damit lassen sich im Vergleich zu statischen Kühlsystemen 30 bis 50% Energie sparen.

Der Wärmeaustausch erfolgt im Rack, was umfangreiche Zusatzinstallationen im Rechnerraum überflüssig macht. Lediglich die Zu- und Ableitung des Wassers muss bautechnisch berücksichtigt werden. Server- und Cooling-Bereich sind räumlich voneinander getrennt und separat zugänglich.

Worauf sollte man bei modernen Kühlsystemen achten? Vier Tipps von Peter Wäsch

Hochleistungsfähige Kühlsysteme sind am Markt als separate, also außerhalb des eigentlichen Server-Racks platzierbare Geräte oder als in den Schrank integrierte Lösungen erhältlich. Gegenüber separaten Kühlgeräten bieten integrierte Kompaktlösungen unserer Ansicht nach den Vorteil eines geringeren Platzbedarfs. Allerdings sollten Anwender darauf achten, dass die innerhalb des Racks befindlichen Kühlgeräte räumlich vom Serverbereich abgetrennt und separat zugänglich sind. Denn dadurch ist am ehesten gewährleistet, dass der Serverbetrieb bei Störungen oder Wartungsarbeiten nicht beeinträchtigt wird und dass nur autorisiertes Personal auf den jeweiligen Bereich zugreifen kann.

Die Rack-Kühlung sollte zudem unbedingt redundant ausgelegt sein. Zum einen, weil die empfindlichen Server-Leiterplatten und Mainboards bereits nach wenigen Minuten Überhitzung irreparable Schäden davontragen. Zum anderen macht es die redundante Auslegung möglich, Wartungsarbeiten an einem Gerät durchzuführen, ohne dass gleich alle Server herunterfahren werden müssen. Idealerweise verfügt die Kühllösung über eine automatische Systemregelung, die bei Ausfall eines Geräts oder bei Sensorbruch die Leistung des funktionstüchtigen Lüfters vorübergehend hochfährt.

Ein wichtiger Aspekt ist sicher auch die Luftzirkulation. Die optimale Luftführung in Serverschränken galt lange Zeit als Spezialgebiet von Konstrukteuren, die viel von Strömungslehre und Thermodynamik verstehen. Inzwischen gibt es für die Luftzirkulation in High-Density-Racks mehrere Optionen, die auf eine gezielte Luftführung setzen. Die eingeblasene Kaltluft wird von den Servern angesaugt, gelang so direkt an die zu kühlenden Bauteile und kann rückseitig wieder abgesaugt werden. Nicht belegte Höheneinheiten werden mit Blindblenden abgedeckt, um eine reibungslose Zirkulation zu gewährleisten.

Wird die Kaltluft von unten über einen frontseitigen Luftschacht eingeblasen, bleibt der Luftstrom auch bei geöffneter Fronttür zumindest zum Teil erhalten. Für den Fall, dass die hintere Tür geöffnet werden muss, sorgen in das Kühlgerät integrierte Lüfter dafür, dass die Luftzirkulation nicht abreißt und dass die rückgeführte Warmluft nicht vollständig in den Raum entweicht.

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