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Energieeffiziente und klimafreundliche Serverräume und Rechenzentren
1. Februar 2016 -

Neben den Servern und der peripheren Technik verursacht die Abführung der Wärmelast aus einem Rechenzentrum den größten Energiebedarf. Die meisten Server werden mit Luft gekühlt, Wasserkühlung ist eher die Ausnahme. Der Anteil der Kühlung am Gesamtstrombedarf liegt in Abhängigkeit der installierten Server- und Klimatisierungstechnik sowie der gewählten Zulufttemperaturen in der Regel zwischen 25 und 50 %.

Mit relativ einfachen Maßnahmen können bereits erhebliche Einsparpotenziale genutzt werden. Dass die Kaltluft so geführt wird, dass sie den zu kühlenden Komponenten (Servern und PDUs) möglichst effektiv zur Verfügung steht, sollte eine Selbstverständlichkeit sein. Oft ist in bestehenden Rechenzentren jedoch das Gegenteil zu beobachten. Beispielsweise sind Kalt-und Warmluftströme mangels Einhausung nur unzureichend voneinander getrennt, was Wärmenester entstehen lässt und die Technik unnötig belastet. Solche und ähnliche Defizite in der Luftführung gilt es, so schnell und umfassend wie möglich abzustellen. Danach kann in einem zweiten Schritt die Zulufttemperatur an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden. Diese ist mit ca. 20 °C und darunter meist deutlich zu kalt. Für ein Rechenzentrum der höchsten Verfügbarkeitsklasse (A1) empfiehlt die „American Society of Heating,

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Absorptionskältemaschine (30 kW Nennkälteleistung) zur Kühlung des Rechenzentrums im Umweltbundesamt, die mit 70 °C warmem Wasser angetrieben wird. Der solare Deckungsgrad liegt bei ca. 50 % (Foto: Jan Bittner, 2011).

Refrigeration and Air Conditioning Engineers“ (ASHRAE) in Ihren „2011 Thermal Guidelines for Data Processing Environments“ bis zu 27 °C warme Zulufttemperatur, als zulässig werden bis 32 °C eingeschätzt. Mit diesen Bedingungen ist ein sehr hoher Anteil an Freier (d.h. nichtmaschineller) Kühlung erreichbar, der den Energiebedarf für die Kältebereitstellung deutlich mindert. Auch bei maschineller Kühlung sinkt der Bedarf bei einer Anhebung der Temperatur von 20 auf 26 °C um etwa ein Fünftel.

Neben den energiebedingten CO2-Emissionen sind jedoch auch die Kältemittelemissionen aus den eingesetzten Kompressionskältemaschinen zu berücksichtigen. Zum Einsatz kommen bisher fast ausschließlich teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) mit großem Treibhauspotenzial. In direktverdampfenden Split-Anlagen und Verflüssigungssätzen (1 bis ca. 25 bzw. ca. 25 bis ca. 150 kW Nennkälteleistung) und Kaltwassersätzen zwischen 10 und 500 kW kommen die HFKW-Gemische R407C (GWP=1.774) und (überwiegend) R410A (GWP=2.088) zum Einsatz. Das GWP (Global Warming Potential) ist ein Maß für das Treibhauspotenzial eines Stoffes, die Referenz ist Kohlendioxid (CO2, GWP=1). In größeren Anlagen (> 250 kW) wird der Reinstoff R134a (Tetrafluorethan, GWP=1.430) verwendet, auch in Turbokältemaschinen. Kältemittelemissionen treten bei der Installation, der Wartung und der Außerbetriebnahme von Kältemaschinen auf,  im Wesentlichen jedoch durch Leckagen und Havarien im Betrieb. Um diese Emissionen gänzlich zu vermeiden, setzt sich das Umweltbundesamt für den Einsatz natürlicher Kältemittel mit sehr geringer oder ohne Klimawirkung, z.B. Wasser, Ammoniak (GWP=0), Propan (R290, GWP=3) und CO2, ein.

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In einem Forschungsvorhaben zur klimafreundlichen Klimatisierung von Serverräumen und Rechenzentren, welches das Umweltbundesamt bei der Ecofys GmbH in Auftrag gegeben hat, wird anhand optimierter Praxisbeispiele aufgezeigt, wie sich RZen unterschiedlicher Größe am energieeffizientesten und klimafreundlich, d.h. unter Vermeidung fluorierter Kältemittel, klimatisieren lassen.

Entgegen der oft bemühten Behauptung, es gebe keine Alternative zu den HFKW-Kältemitteln, sind bereits heute zahlreiche RZ-Klimaanlagen mit natürlichen Kältemitteln ausgeführt und in der Studie dokumentiert. Eines dieser Beispiele ist das RZ des Umweltbundesamtes selbst, dessen Kältebedarf durch eine Solar- und Fernwärme beheizte Absorptionskältemaschine (30 kW Nennkälteleistung) gedeckt wird. Anhand von Simulationsberechnungen zur Kühlung eines Severraums, eines mittleren und eines großen Rechenzentrums wird aufgezeigt, welche Maßnahme (Zulufttemperaturanhebung, Freie Kühlung, Verwendung natürlicher Kältemittel, etc.) zur Minderung des Energiebedarfs und der Treibhausgasemissionen beitragen und in welcher Höhe. Der Abschlussbericht zum Vorhaben wird im April 2016 veröffentlicht.