Kühlstrategien für kleine IT-Räume - APC Media

Kühlstrategien für kleine IT-Räume
White Paper 68
Version 1
Von Neil Rasmussen und Brian Standley
>
Zusammenfassung
In kleinen IT-Räumen, die zu diesem Zweck ursprünglich
nicht konzipiert waren, ist ein Kühlsystem selten
vorgesehen. Es wird meistens erst dann implementiert,
wenn Störungen auftreten oder überhitzte Geräte
ausfallen. Bisher gibt es kein bewährtes Standardverfahren
für die Auslegung geeigneter Kühlsysteme mit
berechenbarem Verhalten für solche Räume. Eine
entsprechende Spezifizierung sollte Kompatibilität mit
den erwarteten Lasten gewährleisten, eindeutige
Vorgaben für die Konfiguration und Installation der
Kühllösungen enthalten, Überdimensionierung vermeiden,
Energieeffizienzanforderungen berücksichtigen
und ausreichende Flexibilität für die Anwendung
auf Räume unterschiedlicher Art bieten. In diesem
Dokument beschreiben wir die theoretischen Grundlagen
und praktische Anwendung einer verbesserten
Methode zur Spezifizierung effektiver Kühlsysteme für
kleine IT-Räume.
by Schneider Electric White Paper sind ab sofort Bestandteil der Schneider
Electric White Paper-Bibliothek, welche vom Schneider Electric Data Center Science
Center veröffentlicht wird.
DCSC@Schneider-Electric.com
Inhalt
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Einleitung 2
Geeignete Betriebstempera-
turen für kleine IT-Räume
Die Grundprinzipien der
Wärmeabfuhr
Die fünf Methoden zur Kühlung
von IT-Räumen
Besonderheiten der Kühlung
von IT-Räumen mit eigenen
USV-Systemen
Merkmale effektiver
Belüftungssysteme
2
3
6
14
14
Fazit 17
Ressourcen 18

Einleitung
Geeignete
Betriebstemperaturen
für kleine
IT-Räume
Tabelle 1
Betriebstemperaturgrenzen nach
ASHRAE TC 9.9
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
Die Planung von Datacentern und großen IT-Räumen schließt grundsätzlich ein Kühlsystem
mit ein. IT-Systeme sind jedoch häufig dezentral in Technikräumen, Büros und Zweigstellen
und anderen kleinen, für diesen Zweck nicht vorgesehenen und eingerichteten Räumen
untergebracht. Die stetig zunehmende Leistungsdichte und Dezentralisierung von IT-
Systemen wie VoIP-Router, Switches oder Server führt leicht zur Überhitzung oder
Verkürzung der Lebensdauer wegen unzureichender Kühlung.
Häufig wird das Problem schlicht ignoriert – die Geräte werden installiert und später auftretende
Störungen durch Überhitzung und/oder Systemausfälle jeweils beseitigt. Diese Praxis
wird von einer zunehmenden Zahl der Anwender als unbefriedigend empfunden. Sie fordern
einen proaktiveren Ansatz, um auch für dezentrale IT-Installationen Verfügbarkeit gewährleisten
zu können. In diesem Dokument erklären wir die Grundprinzipien der Kühlung in kleinen,
separaten IT-Räumen und stellen ein Verfahren für die effiziente Auslegung und Konfiguration
von unterstützenden Kühlsystemen vor.
Für die korrekte Spezifizierung der geeigneten Kühlung für einen Technikraum muss
zunächst der Betriebstemperaturbereich der dort installierten Systeme ermittelt werden.
IT-Gerätehersteller geben üblicherweise die maximal zulässige Temperatur für den Betrieb
ihrer Systeme an. Für die in Technikräumen eingesetzten aktiven IT-Systeme beträgt diese
Temperatur meistens 40°C. Das ist die maximale Temperatur, für die der Hersteller den
ordnungsgemäßen Betrieb und die Zuverlässigkeit der IT-Systeme für die Dauer der geltenden
Garantiezeit gewährleistet. Obwohl die für das System angegebene maximale
Betriebstemperatur vom Hersteller als zulässig betrachtet wird, ist dabei jedoch zu bedenken,
dass ein Dauerbetrieb bei dieser Temperatur das Niveau der Verfügbarkeit oder Langlebigkeit
im Vergleich zu dem Betrieb bei niedrigeren Temperaturen herabsetzen kann. Aus
diesem Grund geben einige Hersteller von IT-Systemen neben den maximal zulässigen
Betriebstemperaturen auch empfohlene Betriebstemperaturen an. Die von den IT-
Geräteherstellern empfohlenen Betriebstemperaturen liegen meistens im Bereich von 21°C
bis 24°C.
Weiterhin hat der US-amerikanische Verband für Heizungs, Kälte- und Klimatechnik ASHRAE
(American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineers) im Standard TC
9.9 Richtwerte für empfohlene und zulässige Betriebstemperaturen von IT-Systemen
veröffentlicht, um Anwender bei der Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit
ihrer Systeme zu unterstützen. Diese Werte sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Betriebstemperaturen Temperaturbereich
Empfohlen 20 – 25°C
Zulässig 15 – 32°C
Zielsetzung sollte also immer sein, die Temperaturen nicht über 25°C ansteigen zu lassen.
Wo dies nicht möglich ist, kann die Einhaltung von Temperaturen unterhalb der maximal
zulässigen Temperatur von 32°C eine sinnvolle Lösung für weniger kritische IT-Räume sein.
Temperaturen oberhalb von 32°C sollten aber in jedem Fall vermieden werden, um das
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 2

Die
Grundprinzipie
n der
Wärmeabfuhr
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
Risiko von Systemausfällen zu reduzieren. Außerdem wird eine Temperatur von 32°C von
Organisationen für den Arbeitsschutz wie der OSHA (Occupational Safety and Health
Administration) und der Normenorganisation ISO (International Organization for Standardization)
als Obergrenze für leichtere Arbeiten angesehen. Eine ausführliche Diskussion von
Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen am Arbeitsplatz finden Sie in White Paper 123:
„Impact of High Density Hot Aisles on IT Personnel Work Conditions.“
Technikräume, in denen ein USV-System installiert ist, sind jedoch kritischer zu beurteilen.
Erhöhte Temperaturen haben weitaus stärkere Auswirkungen auf die Lebensdauer der USV-
Batterien als auf andere IT-Systeme. Der Anwender muss damit rechnen, dass eine USV-
Batterie bei einer Temperatur von 40°C lediglich eine Lebensdauer von 1,5 Jahren oder
weniger erreicht – anstelle von durchschnittlich 3 bis 5 Jahren bei normalen Betriebsbedingungen.
Eine Betriebstemperatur unterhalb von 25°C sollte hier also unbedingt eingehalten
werden. Alternativ kann die unterbrechungsfreie Stromversorgung von Technikräumen durch
ein zentrales USV-System sichergestellt werden, das außerhalb des Technikraums in einer
ausreichend klimatisierten Umgebung platziert wird.
Für die Analyse von Kühlproblemen sollte die Kühlung eher als Wärmeabfuhr statt als
Kühlluftzufuhr verstanden werden. Wärme, die aus einem Raum, in denen IT-Systeme
betrieben werden, nicht abgeführt wird, sammelt sich an und führt zu einem Temperaturanstieg.
Jedes von den IT-Systemen aufgenommene Kilowatt Energie entspricht einem Kilowatt
Wärmeabgabe, das aus dem Raum abgeführt werden muss.
Wärme kann man sich als Größe vorstellen, die stets „abwärts” fließt, also von einem Körper
oder Medium höherer Temperatur zu einem Körper oder Medium niedrigerer Temperatur.
Wenn man Wärme abführen möchte, muss man den Abfluss zu einem kühleren Ort ermöglichen.
In vielen realen Umgebungen ist es jedoch nicht möglich, diese physikalische Gesetzmäßigkeit
zu nutzen.
Wärme kann einen kleinen, abgeschlossenen Raum wie einen Büro- oder Technikraum auf
fünf verschiedenen Wegen verlassen:
Wärmediffusion: die Wärme wird über die Wände des Raums abgeleitet
Passive Belüftung: die Wärme fließt ohne Lüfterunterstützung durch Öffnung oder Gitter zu
kühlerer Luft hin ab
Lüfterunterstützte Belüftung: die Wärme wird durch Öffnungen oder Gitter mit integrierten
Lüftern zu kühlerer Luft hin abgeführt
Komfortklimaanlagen: die Wärme wird mit einer vorhandenen Gebäudeklimaanlage abgeführt
Präzisionsklimaanlagen: die Wärme wird mit einer speziellen IT-Klimaanlage abgeführt
Die fünf oben aufgeführten Methoden unterscheiden sich in Hinsicht auf ihre Effektivität,
Einschränkungen und Kosten. Der Anwender sollte wissen, welche Methode für eine
gegebene Installation bereits angewendet wird oder angewendet werden soll, welche
Methode unter den gegebenen Umständen unter Berücksichtigung aller Einschränkungen
und Präferenzen am besten geeignet ist und wie man bei der Spezifizierung der gewählten
Kühllösung vorgeht.
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 3

Abbildung 1
Die Anwendbarkeit von
Kühlmethoden auf Basis
der Leistungsaufnahme
und der Solltemperatur
im Raum
Target Temperature (ºF)
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
Abbildung 1 kann als allgemeine Richtlinie für die Anwendung von Kühlstrategien auf Basis
der Leistungsaufnahme und der Solltemperatur im Raum betrachtet werden, sofern keine
außergewöhnlichen Umstände vorliegen. Sie zeigt die Leistungsbereiche, in denen die
verschiedenen Verfahren der Wärmeabfuhr anwendbar sind. Die Grenzwerte sollten nicht als
Absolutwerte betrachtet werden, weil die Anwendungsbereiche der Methoden überlappen
und für das endgültige Kühlkonzept alle Variablen mit einem Einfluss auf die Wärmeabfuhr
betrachtet werden müssen. Wir weisen darauf hin, dass in dieser Übersicht nicht auf die
Kühlung mit Komfortklimaanlagen eingegangen wird, weil dieses Verfahren mit zu großen
Schwankungen und Unsicherheiten verbunden ist. Auf dieses Problem werden wir später
noch ausführlicher eingehen.
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60
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Example:
1500 W maintained at 77°F (25°C)
falls within the “fan-assist” range
CONDUCTION
PASSIVE VENTILATION
FAN-ASSIST VENTILATION
77ºF 25ºC
IT Equipment Load (Watts)
DEDICATED COOLING
Um die Auswahl der geeignetsten Methode unter Berücksichtigung einer Reihe von Variablen
zu erleichtern, stellen wir den Entscheidungsprozess in Abbildung 2 in einem Flussdiagramm
dar. (Auch hier gehen wir auf die Nutzung von Komfortklimaanlagen nicht ein, weil
nicht empfehlenswert.)
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 4

Abbildung 2
Die Auswahl geeigneter Kühlmethoden
zur Aufrechterhaltung des empfohlenen
Betriebstemperaturbereichs von 20
– 25°C (68 – 77°F) gemäß ASHRAE
Siehe Abb. 6A
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
Siehe Abb. 6B
Zur Auswahl des
Klimaanlagentyps
siehe Abb. 8
Deckenmontiert
In die Rackreihe
integriert
Mobil
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 5

Die fünf
Methoden zur
Kühlung von IT-
Räumen
Abbildung 3
Raumtemperaturen in
Abhängigkeit von der
IT – Last bei der
Kühlung durch
Wärmediffusion
(Konduktion)
Temperature (F)
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Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
In diesem Abschnitt werden wir die fünf Methoden für die Kühlung kleiner IT-Räume eingehender
erklären, um Ihnen ein besseres Verständnis für die Leistungsfähigkeit und Einschränkungen
bei der Anwendung zu vermitteln.
Wärmediffusion: Die Wärme wird durch die Wände des Raums
abgeleitet
Wenn ein Raum – wie die meisten Technikräume – vollständig abgeschlossen ist, dann ist
die einzige Möglichkeit des Wärmeabflusses die Wärmediffusion durch die Wände. Damit
dies funktionieren kann, muss die Temperatur der Luft im Raum höher sein als die Temperatur
an den Außenseiten der Raumwände. Das bedeutet in der Praxis, dass der IT-Raum
immer etwas wärmer als die Luft in der Gebäudeumgebung sein wird und die Temperaturen
im Raum mit zunehmender Leistungsaufnahme der IT-Systeme steigen. Ein Beispiel für das
Verhältnis zwischen der Durchschnittstemperatur eines Raums mit einer gleichmäßigen
Luftzirkulation und der IT-Last ist in Abbildung 3 dargestellt.
Conduction
Supports ~ 1000 watts (non-critical closet)
Supports ~ 400 watts(critical closet)
60
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
IT equipment load (w atts)
90 ◦ F (32 ◦ C)
ASHRAE maximum allow able
77 ◦ F (25 ◦ C)
ASHRAE maximum recommended
Dem dargestellten Verhältnis ist ein vollständig geschlossener Raum mit den Maßen 3 x 3 x 3
Meter und einer Luftleckage von lediglich 23,6 Litern pro Sekunde zugrunde gelegt, dessen
Wände aus Gipskarton bestehen und an Räume angrenzen, die durch eine Komfortklimaanlage
auf einer Temperatur von 20°C gehalten werden. Weitere Daten und Annahmen siehe
Anhang.
Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass dieser typische Technikraum eine IT-Last von bis zu
400 Watt unterstützen kann, wenn kritische Systeme mit zulässigen Betriebstemperaturen
von weniger als 25°C (77°F) installiert sind, und eine Last von bis zu 1000 Watt, wenn
Betriebstemperaturen von bis zu 32°C (90°F) zulässig sind.
Kleine IT-Räume unterscheiden sich jedoch durch ihre Größe und die verwendeten Baumaterialien
und unterliegen weiteren Faktoren, die das oben beschriebene Verhältnis
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 6

Tabelle 2
Faktoren, die das Verhältnis
zwischen Raumtemperatur
und IT-Last beeinflussen,
und die zu erwartenden
Auswirkungen
Abbildung 4
Auswirkung der
Raumgröße auf die
Fähigkeit zur Wärmediffusion
Temperature (F)
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
beeinflussen. Dadurch sind der Anwendbarkeit dieser Kühlmethode letztlich Grenzen gesetzt.
Tabelle 2 enthält eine Zusammenfassung dieser Schlüsselfaktoren und ihrer Auswirkungen.
Faktor Auswirkung auf die Raumtemperatur
Raumgröße Ansteigende Temperaturen mit abnehmenden Raumabmessungen
Wand-, Decken- und Bodenmaterialien
Herunterfahren der Gebäudeklimaanlage bei
Nacht
Dem Sonnenlicht ausgesetzte Außenwände /
Außentemperatur an warmen sonnigen Tagen
Ansteigende Temperaturen mit abnehmender Wärmeleitfähigkeit der
Baumaterialien
Jede Temperaturerhöhung durch eine Reduzierung der
Gebäudeklimaanlagenleistung führt zur Erhöhung der Raumtemperatur
um den gleichen Betrag
Ansteigende Temperaturen mit zunehmenden Wandflächen, die den
Außentemperaturen und der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind
Den deutlichsten Einfluss haben die Raumabmessungen. Je größer der Raum, desto höher
ist die Fähigkeit des Raums zum Wärmetransport, weil an Wänden, Decke und Boden eine
größere Oberfläche dafür zur Verfügung steht. Umgekehrt ist die Kühlleistung durch Wärmediffusion
umso geringer, je kleiner der Raum ist. Dieser Einfluss auf die Kühlleistung ist in
Abbildung 4 dargestellt.
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90
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Small Closet
(8 x 8 x 8 ft)
Medium Closet
(10 x 10 x 10 ft)
60
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
IT equipment load (w atts)
Large Closet
(20 x 20 x 12 ft)
90 ◦ F (32 ◦ C)
ASHRAE maximum allowable
77 ◦ F (25 ◦ C)
ASHRAE maximum recommended
Die Baumaterialien von Wänden, Decke und Boden haben einen ähnlichen Einfluss auf das
Verhältnis zwischen Temperatur und Last, weil jedes Material eine spezifische Fähigkeit zur
Wärmediffusion besitzt. Wenn wir die Gipskartonwände und Akustikdeckenplatten aus
obigem Beispiel durch 10 cm starke Wände aus Betonbausteinen und eine 10 cm starke
Betonplatte ersetzen, verbessert sich die Kühlleistung wie in Abbildung 5 dargestellt.
Ein Umstand, der die Kühlleistung der Wärmediffusion häufig vermindert, ist eine Erhöhung
der Lufttemperatur in der Gebäudeumgebung durch das Herunterfahren der Klimaanlage an
den Wochenenden. In solchen Fällen steigt die Temperatur im IT-Raum um den gleichen
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 7

Abbildung 5
Auswirkung der
Baumaterialien auf
die Kühlleistung
der Wärmediffusion
Temperature (F)
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
Betrag an. In unserem Beispiel heißt das: wenn die Gebäudeklimaanlage von 20 auf 29°C
herunter geregelt wird (einem Temperaturanstieg von 9°C entsprechend), ist im IT-Raum mit
einem Temperaturanstieg von ebenfalls 9°C zu rechnen. Das bedeutet, in einem kritischen
IT-Raum, in dem die Temperatur bis zu 25°C betragen darf, kann die Wärmelast nicht
adäquat abgeleitet werden, und in einem unkritischen IT-Raum, in dem die Temperatur bis zu
32°C betragen darf, kann nur eine Wärmelast von 250 Watt unterstützt werden.
120
110
100
90
80
70
Gypsum Wall Board
60
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
IT equipment load (w atts)
4 in. Concrete Block
Temperature difference due to construction material
90 ◦ F (32 ◦ C)
ASHRAE maximum allow able
77 ◦ F (25 ◦ C)
ASHRAE maximum recommended
Eine andere Einschränkung für diese Kühlmethode ist gegeben, wenn eine Wand des IT-
Raums eine Gebäudeaußenwand ist, weil die Raumtemperatur dann dem Einfluss der
Temperatur an der Außenwand unterliegt, die wiederum von der Temperatur der Außenluft
und der Erwärmung durch die Sonnenlichteinstrahlung abhängt. Aus diesen Gründen kann
ein IT-Raum mit einer Außenwand an warmen oder sonnigen Tagen überhitzt werden. In
unserem Beispiel eines Raums mit den Maßen 3 x 3 x 3 Meter steigt die Temperatur um 4°C
bis 7°C an, wenn die Außentemperatur 38°C und die Sonneneinstrahlung im ungünstigsten
Fall 1.000 Watt pro Quadratmeter beträgt.
Zusammenfassend gilt, dass geschlossene IT-Räume je nach Größe, Konstruktion und der
angrenzenden Umgebung eine unterschiedliche Kühlleistung durch Wärmediffusion aufweisen.
Im Allgemeinen gilt die Empfehlung, Wärmediffusion als einzige Kühlmethode für
kritische IT-Räume nur dann einzusetzen, wenn die Leistungsaufnahme der Systeme
im Raum weniger als 400 Watt beträgt. Dabei sind die übrigen, oben angeführten
Faktoren mit einem Einfluss auf die Kühlleistung zu berücksichtigen. Analog sollte die
Wärmediffusion nur dann zur Kühlung unkritischer Räume genutzt werden, wenn die
Leistungsaufnahme der installierten Systeme unter 1000 Watt liegt. Dadurch ist die Anwendung
der Wärmediffusion auf die Kühlung von IT-Systemen mit sehr niedriger Leistungsaufnahme
(wie z. B. kleine, stapelbare Netzwerk-Switches) begrenzt. Wie den dargestellten
Beispielen zu entnehmen ist, steigt die Temperatur mit wachsender Last schnell an. Dabei ist
zu beachten, dass auch andere Wärmequellen, wie z. B. Glühlampen, die Wärmelast spürbar
erhöhen. Daher sollten für die Beleuchtung von IT-Räumen die effizienteren Energiesparlampen
eingesetzt werden. Außerdem sollte die Beleuchtung durch das Türschließen
automatisch ausgeschaltet werden oder es sollte soweit möglich ganz auf eine Beleuchtung
verzichtet werden.
Passive und lüfterunterstützte Belüftung: Die Wärme fließt durch
Öffnung oder Gitter zu kühlerer Luft hin
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 8

Abbildung 6
Zwei Beispiele für Belüftungssysteme
von IT-
Räumen
6A (links)
Passive Belüftung
6B (rechts)
Lüfterunterstützte
Belüftung
Abbildung 7
Raumtemperatur in
Abhängigkeit von der IT-
Last bei der passiven und
lüfterunterstützten
Belüftung
Temperature (F)
120
110
100
90
80
70
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
IT-Räume können auch gekühlt werden, indem man der Wärme den Abfluss zu kühlerer
Raumluft in der Gebäudeumgebung ermöglicht. Die Belüftung kann passiv mit Hilfe
zweckmäßig platzierter Öffnungen oder Abzüge erfolgen oder sie kann durch Lüfter unterstützt
werden. Das Grundprinzip besteht darin, sicherzustellen, dass ein Ausgleich zwischen
der höheren IT-Raumlufttemperatur und der Lufttemperatur in der Gebäudeumgebung
hergestellt werden kann. Beispiele für Belüftungssysteme sind in Abbildung 6 dargestellt.
Siehe Abb. 9 zur Platzierung von
Lüftereinheiten im Raum
Abbildung 7 veranschaulicht den Temperaturanstieg in belüfteten IT-Räumen in Abhängigkeit
von der IT-Last.
Conduction
Supports ~ 700 watts
(critical closet)
Supports ~ 1750 watts
(non-critical closet)
Supports ~ 2000 watts
(critical closet)
60
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
IT equipment load (w atts)
Passive
Ventilation
Supports ~ 4500 watts
(non-critical closet)
Fan-assisted
Ventilation
90◦F (32◦C)
ASHRAE maximum allow able
77◦F (25◦C)
ASHRAE maximum recommended
Die Abbildung zeigt zwei verschiedene Kennlinien für belüftete Räume. Die Kennlinie für die
passive Belüftung (grün) basiert auf der Installation von Luftöffnungen, wie in Abbildung 6A
dargestellt. Bei der Unterstützung der Belüftung mit Lüftern, wie in Abbildung 6B dargestellt,
ist der Temperaturanstieg bei zunehmender Last niedriger (blaue Kennlinie) als bei der
passiven Belüftung. Die Kennlinie für die lüfterunterstützte Belüftung gilt für Lüfter mit einem
Luftvolumenstrom von 226,5 Litern pro Sekunde. Durch eine Erhöhung des Luftvolumenstroms
(also durch die Verwendung von Lüftern mit höherer Leistung oder die Installation
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 9

Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
weiterer Lüftereinheiten) wird der Temperaturanstieg in Abhängigkeit von der Last weiter
reduziert.
Die Belüftung ist eine sehr zweckmäßige Methode für die Kühlung kleiner IT-Räume. Bei
Wärmelasten von unter 700 Watt ist eine passive Belüftung für die Kühlung kritischer
IT-Räume ausreichend. Bei Wärmelasten von über 700 Watt sollte die Belüftung in
kritischen Räumen durch Lüfter unterstützt werden. Noch höhere Wärmelasten können
unterstützt werden, wenn Lüfter mit höherer Leistung verwendet oder zusätzliche
Lüftereinheiten installiert werden. Entsprechend ist passive Belüftung für die Kühlung von
unkritischen Räumen mit Lasten von bis zu 1750 Watt ausreichend und lüfterunterstützte
Belüftung für Lasten von 1750 bis 4500 Watt. Auch andere Faktoren, wie die Anordnung der
Lufteinlassöffnungen und Lüftereinheiten in Relation zu den IT-Systemen, können zur
Erhöhung der Kühlleistung beitragen. Weiterhin ist zu beachten, dass die in Abbildung 4 und
Abbildung 5 dargestellten Einflussfaktoren auch bei Belüftungssystemen berücksichtigt
werden müssen.
Komfortklimaanlage: Die Wärme wird mit einer Gebäudeklimaanlage
abgeführt
In vielen Gebäuden ist bereits eine Klimaanlage oder ein kombiniertes System für Heizung
und Klimatisierung vorhanden, um ein angenehmes Raumklima für den Menschen zu
schaffen. Bei zentralen Klimaanlagen ist immer ein Luftkanalsystem im Gebäude installiert
und es ist daher verlockend, einfach zusätzliche Kanäle zu verlegen, um den IT-Raum, wie
bei neuen Büroräumen üblich, an das Klimatisierungssystem anzuschließen. Die Verlegung
zusätzlicher Luftkanäle allein löst das Problem der Kühlung von IT-Räumen jedoch
selten. Häufig wird es dadurch sogar verschlimmert.
Komfortklimaanlagen schalten sich automatisch ein und aus. Der Thermostat zur Regelung
der Anlage ist üblicherweise irgendwo im Gebäude und nicht direkt im IT-Raum platziert. Für
einen kleinen Raum, wie einen Technikraum mit IT-Systemen, hat das zur Folge, dass die
Temperatur abnimmt, wenn die Klimaanlage eingeschaltet ist, und zunimmt, wenn sie
ausgeschaltet ist. Dadurch entstehen große Temperaturschwankungen, die für die IT-Geräte
im Endeffekt belastender sind als eine höhere, aber dafür gleichbleibende Temperatur.
Darüber hinaus ist es eine inzwischen weit verbreitete Energiesparmaßnahme, Komfortklimaanlagen
in der Nacht und an Wochenenden durch die Erhöhung des Temperatursollwerts
herunterzufahren. Manche werden sogar ganz ausgeschaltet. Wenn ein Technikraum
als Teil eines größeren Gebäudebereichs behandelt wird, nimmt die Temperatur in
diesem Raum durchschnittlich um den gleichen Betrag zu, um den der Temperatursollwert
der Klimaanlage erhöht wurde. Wenn man sich entschließt, den IT-Raum an das Versorgungssystem
dieser Gebäudeklimaanlage anzuschließen, kann man anschließend nur
zwischen den Alternativen wählen: nachts und am Wochenende Energie zu verschwenden
oder eine Verschlimmerung der Temperaturschwankungen im IT-Raum durch die Energiesparmaßnahmen
hinzunehmen.
Wenn man die Komfortklimaanlage eines Gebäudes für die Kühlung eines IT-Raums nutzen
will, muss man für diesen Raum eine eigene Zone einrichten, die über eigene, korrekt
dimensionierte Zu- und Abluftkanäle, Endgeräte (wie z. B. Wärmetauscher-Lüfter-Einheiten,
Lüfterdrehzahlregler) und Temperaturregler (Thermostate) verfügt. Dies ist jedoch zu arbeits-
und kostenaufwendig.
Zu den Problemen bei der Einrichtung einer eigenen Kühlzone für einen IT-Raum zählen:
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 10

Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
• Die Gewährleistung eines ausreichend hohen und konstanten statischen Drucks in der
Versorgungsleitung zum Lüfterdrehzahlregler ist schwierig, besonders an warmen
Tagen mit einer hohen Auslastung des Gebäudeklimaanlagensystems
• Die sehr geringe Fähigkeit zur Unterstützung hoher Leistungsdichte – die meisten
Komfortklimaanlagen sind für eine Kühlleistung von 43 bis 54 W/m 2 ausgelegt. Das
entspricht einer Leistungsdichte von nur 150 Watt pro Rack (bei einer Oberfläche von
ca. 2,8 m 2 pro Rack)
• Fehlende Skalierbarkeit
• Hohe Implementierungskosten
Zudem ist ein zentrales Kühlsystem oft auch Teil des Haupt- oder Nebenheizungssystems. In
diesem Fall würde eine Versorgungsleitung, die für die Kühlluftzufuhr in den IT-Raum
installiert wird, dem Raum während der Heizperiode im Winter Wärme zuführen. Das ist in
keinem Fall erwünscht.
Das Klimatisierungssystem eines Gebäudes für die Kühlung von IT-Räumen zu nutzen,
ist im Allgemeinen nicht sinnvoll. Falls ein Leitungssystem vorhanden ist, sollte es entfernt
oder verschlossen werden und durch eines der anderen, in diesem Dokument beschriebenen
Kühlsysteme ersetzt bzw. ergänzt werden.
Präzisionsklimaanlagen: Die Wärme wird mit einer speziellen IT-
Klimaanlage abgeführt
Die effektivste Möglichkeit zur Regelung der Temperatur in kleinen IT-Räumen ist die
Installation spezieller Klimaanlagen. Präzisionsklimaanlagen für IT sind jedoch sehr viel
kostenaufwendiger und komplexer als Systeme für die passive oder lüfterunterstützte
Belüftung und sollten deswegen nur eingesetzt werden, wenn es unumgänglich ist.
Im Allgemeinen sind Präzisionsklimaanlagen für die Kühlung kritischer IT-Räume mit einer
Leistungsaufnahme von über 2000 Watt oder unkritischer IT-Räume mit über 4500 Watt zu
empfehlen. Bei der Bestimmung der Leistung sollten die technischen Daten der IT-Hersteller
zum Energieverbrauch der Systeme zu Rate gezogen werden und dabei möglichst der
Energieumsatz der IT-Systeme in der vorliegenden Konfiguration ermittelt werden. Die
tatsächliche Leistungsaufnahme liegt meistens deutlich unterhalb des nominellen Energieverbrauchs,
welcher auf dem Typenschild an der Geräterückseite angegeben wird, und die
Ermittlung der korrekten Daten für die Auslegung einer Kühllösung kann beträchtliche Kosten
sparen und die Implementierung erleichtern. So haben konfigurierbare Router mit einer auf
dem Typenschild angegebenen nominellen Leistungsaufnahme von 5 bis 6 kW in vielen
Anwenderkonfigurationen eine tatsächliche Leistungsaufnahme von 1 bis 2 kW. In solchen
Fällen kann eine exakte Datenermittlung ergeben, dass die Installation einer Klimaanlage
unnötig ist.
In manchen Fällen kann der Einsatz einer Präzisionsklimaanlage angezeigt sein, obwohl ein
Belüftungssystem technisch ebenfalls machbar wäre. Zu diesen Fällen zählen:
• Die zur Belüftung genutzte Luft außerhalb des IT-Raums enthält große Mengen Staub
oder andere Verunreinigungen
• Die zur Belüftung genutzte Luft außerhalb des IT-Raums unterliegt zu hohen Temperaturschwankungen
• Durch praktische Einschränkungen wie die Bedingungen von Mietverträgen oder
optische Aspekte ist die Installation zusätzlicher Belüftungskanäle ausgeschlossen
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 11

Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
In solchen Fällen ist die Nutzung der Gebäudeumgebungsluft zur Belüftung nicht sinnvoll und
die einzig machbare Lösung der Einsatz einer Präzisionsklimaanlage.
Wenn eine Präzisionsklimaanlage zur Kühlung eines kleinen IT-Raums erforderlich ist, kann
unter verschiedenen Anlagentypen ausgewählt werden. Weitere Informationen siehe White
Paper Nr. 59: „The Different Types of Air Conditioning Equipment for IT Environments”.
Die Auswahl des für den jeweiligen IT-Raum geeigneten Typs einer Präzisionsklimaanlage
richtet sich hauptsächlich nach den baulichen Gegebenheiten und kann anhand des in
Abbildung 8 dargestellten einfachen Flussdiagramms durchgeführt werden.
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 12

Abbildung 8
Auswahl geeigneter
Präzisionsklimaanlagen
NO
NO
NO
START
Is there a return
plenum available with
sufficient capacity on
building AC system?
Is there
access to building’s
chilled water, condenser water,
or glycol loop with sufficient
capacity?
Is an outside wall or roof
within 100 ft (30 m)
of the room?
Deckenmontierte Klimaanlage
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
YES
YES
YES
Chilled water
Condenser water
In die Rackreihe integrierte
Klimaanlage
Air-cooled, self-contained
(portable, in-row, or ceiling
mount)
Chilled water (ceiling or inrow
/ floor mount)
Water-cooled (ceiling or inrow
/ floor mount)
Glycol Glycol-cooled (ceiling or inrow
/ floor mount)
Air-cooled with remote
condenser (ceiling or inrow
/ floor mount)
Glycol-cooled (ceiling or inrow
/ floor mount) with fluid
cooler and pump package
Mobile Klimaanlage
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 13

Besonderheiten
der Kühlung von
IT-Räumen mit
USV-Systemen
Merkmale effektiverBelüftungs-systeme
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
Für die Gewährleistung von Geschäftskontinuität hat es sich bewährt, in kleinen, dezentralen
IT-Räumen eigene USV-Systeme einzusetzen. Diese USV-Systeme können für die kurze
Unterstützung der IT-Last im Raum mit begrenzter Batteriekapazität ausgelegt oder größer
dimensioniert werden, um längere Autonomiezeiten (von mehr als einer Stunde) zu ermöglichen.
In beiden Fällen ist die von der USV erzeugte Wärmelast normalerweise deutlich
kleiner als die IT-Last und kann gefahrlos ignoriert werden.
Wenn ein USV-System installiert ist, bleiben die IT-Geräte jedoch während eines Stromausfalls
in Betrieb und produzieren weiterhin Abwärme. Daher muss auch das Kühlsystem
in Betrieb bleiben. Bei Autonomiezeiten von weniger als 10 Minuten hält die Speichermasse
der Luft und der Wandoberflächen im Raum die Temperatur innerhalb akzeptabler Grenzen
und keine besonderen Vorkehrungen sind nötig. Wenn die USV jedoch für die Bereitstellung
einer Autonomiezeit von mehr als 10 Minuten konfiguriert ist, muss das Kühlsystem während
dieser Zeit ebenfalls in Betrieb bleiben. Das bedeutet, wenn ein Lüfter oder eine Klimaanlage
installiert ist, muss auch dieses Gerät von der USV mit Strom versorgt werden und der
zusätzliche Strombedarf bei der Dimensionierung der USV berücksichtigt werden. Werden
Lüfter genutzt, ist dies kein großes Problem, aber bei Klimaanlagen ist eine deutlich größere
USV mit höherer Batteriekapazität erforderlich (dabei muss der Kompressoreinschaltstrom
mit eingerechnet werden, der häufig 4 bis 6 Mal größer als die nominelle Leistungsaufnahme
der Klimaanlage ist).
Als einfache und kosteneffiziente Alternative zur Stromversorgung einer Präzisionsklimaanlage
durch die USV kann ein Lüftersystem installiert werden, das bei einem Netzausfall anstelle
der Klimaanlage die Kühlung übernimmt. Im Idealfall wird also das Lüftersystem bei einem
Stromausfall weiter mit Strom versorgt und hält einen gewissen Luftaustausch im Raum
aufrecht, während die Präzisionsklimaanlage in dieser Zeit außer Betrieb ist. Nach der
Rückkehr der Stromversorgung (jede Klimaanlage sollte über eine Funktion für den automatischen
Neustart verfügen) wird das lüfterunterstützte Belüftungssystem wieder
ausgeschaltet.
Aus dem Gesagten wird klar, dass in einem kleinen IT-Raum bei zu großer Wärmeentwicklung
für Abhilfe zu sorgen ist und die einfacheren Lösungen der passiven oder lüfterunterstützten
Belüftung soweit irgend möglich vorzuziehen sind. Obwohl dem Anwender viele
Möglichkeiten für die Konfiguration von Belüftungssystemen mit Hilfe handelsüblicher
Komponenten zur Verfügung stehen, sind auch fertige Komplettlösungen speziell für die
Kühlung von kleinen IT-Räumen erhältlich. Tabelle 3 soll dem Anwender mit einer Reihe von
Merkmalen effektiver Lüftersysteme für kleine Räume Hilfestellung bei der Auswahl geben.
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Tabelle 3
Merkmale und Vorteile
effizienter Belüftungssysteme
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
Merkmal Vorteil
Wand- und Deckenmontage möglich
Auf die erwartete IT-Last auslegbar
Mehr Flexibilität, weil die Lösung in unterschiedlichen
IT-Räumen einsetzbar ist
Größeres Vertrauen in die Zuverlässigkeit der
Lösung
Remote-Management-Unterstützung Kürzere Reparaturzeiten (MTTR)
Variable Lüfterdrehzahl
Reduzierung v. Geräuschpegel und Energieverbrauch,
wenn max. Leistung unnötig
Einheit mit mehr als einem Lüfter Lüfterredundanz erhöht die Fehlertoleranz
Manipulationssicherer Einbau Höheres Sicherheitsniveau
Einfache Installation
Weniger Aufwand durch bauliche Maßnahmen
im IT-Raum und die Beauftragung externer
Dienstleister
Minimaler Montageaufwand Schnelle, einfache Installation
Mit fertigen Stromanschlüssen oder zur
Festverdrahtung erhältlich
Großer Leistungsbereich
Für den Einsatz mit einem USV-System
ausgelegt und vorbereitet
Einfache Anpassung an die lokalen Stromversorgungsanforderungen
Standardisierung auf ein Gerät für verschiedene
Installationen ist möglich
Höhere Gesamtsystemverfügbarkeit
Ein Beispiel für ein Lüftersystem, das die oben genannten Merkmale aufweist, ist in Abbildung
9 dargestellt.
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Abbildung 9
Lüftereinheit zur Unterstützung
der Belüftung
im IT-Raum
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
LÜFTER
AUS
Gitter
EIN
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Fazit
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
Für die meisten kleinen IT-Räume ist Belüftung die einfachste und effizienteste Kühlstrategie.
Bei niedrigerer Leistungsdichte ist ein gut geplantes und implementiertes System für passive
Belüftung ausreichend. Für IT-Räume mit einer höheren Leistungsaufnahme durch Geräte
wie VoIP-Router oder Server ist dagegen eine lüfterunterstützte Belüftung empfehlenswert.
Wenn die Leistungsaufnahme in kritischen IT-Räumen oberhalb von 2000 Watt liegt (4500 in
unkritischen Räumen) oder die Umgebungsluft außerhalb des IT-Raums warm, unkontrollierbar
oder verunreinigt ist, sollte eine Präzisionsklimaanlage zum Einsatz kommen. Die
Nutzung einer im Gebäude vorhandenen Klimaanlage für die Kühlung von IT-Räumen ist
nicht zu empfehlen, weil dies in den meisten Fällen mit übermäßigen Temperaturschwankungen
im IT-Raum verbunden ist.
Die in diesem Dokument vorgestellten Richtlinien unterstützen den Anwender bei der
Auswahl geeigneter Kühllösungen für kleine IT-Räume. Die Verfügbarkeit von speziell für IT-
Räume konzipierten Belüftungssystemen vereinfacht den Entscheidungsprozess und
ermöglicht die Nutzung standardisierter Kühllösungen für IT-Räume.
Zu den Autoren
Neil Rasmussen ist Senior VP von Innovation bei Schneider Electric. Er gibt mit dem
weltgrößten F&E-Budget für die Entwicklung der Stromversorgungs-, Kühlungs- und Rack-
Infrastruktur für kritische Netzwerke die technologische Ausrichtung des Unternehmens vor.
Neil Rasmussen ist Inhaber von 19 Patenten im Bereich hocheffizienter Stromversorgungs-
und Kühlungsinfrastruktur für Datacenter mit hoher Leistungsdichte. Er hat über 50 White
Paper zu Stromversorgungs- und Kühlsystemen veröffentlicht, viele davon wurden in mehr
als 10 Sprachen übersetzt. In der letzten Zeit stand dabei zunehmend die Optimierung der
Energieeffizienz im Vordergrund. Er ist ein international angesehener Experte zum Thema
hocheffiziente Datacenter. Neil Rasmussen arbeitet aktuell an Projekten zur Weiterentwicklung
von hocheffizienten, skalierbaren Datacenter-Infrastrukturlösungen und ist der
Chefentwickler des APC InfraStruXure Systems.
Vor der Gründung von APC im Jahre 1981 graduierte Neil Rasmussen am MIT zum Bachelor
und Master in Elektrotechnik. Hier veröffentlichte er auch seine Dissertation über die Analyse
einer 200-MW-Stromversorgung für einen Tokamak-Fusionsreaktor. Von 1979 bis 1981
arbeitete er bei den MIT Lincoln Laboratories an der Entwicklung von Schwungrad-
Energiespeichersystemen und Solarstromsystemen.
Danksagungen
Besonderer Dank geht an Brian Standley für die Originalverfassung dieses White Papers.
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Ressourcen
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Impact of High Density Hot Aisles on IT
Personnel Work Conditions
White Paper 123
The Different Types of Air Conditioning
Equipment for IT Environments
White Paper 59
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Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
Feedback und Kommentare zum Inhalt dieses White Papers:
Data Center Science Center
DCSC@Schneider-Electric.com
Wenn Sie Kunde sind und spezielle Fragen zu Ihrem oder einem Datacenter-
Projekt haben:
Wenden Sie sich an einen Mitarbeiter von Schneider Electric
www.apc.com/support/contact/index.cfm
Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 68 Vers. 1 18

Anhang:
Angenommene
Bedingungen in
einem typischen
IT-Raum
Tabelle A1
Bedingungen in einem
„typischen“ IT-Raum
Estimating a Data Center’s Electrical Carbon Footprint
Der in diesem Dokument beschriebene typische kleine IT-Raum basiert auf einem umfangreichen
Modell, bei dem die Wandeigenschaften in Hinsicht auf die Wärmediffusion,
Konvektion und Wärmestrahlung berücksichtigt werden. „Konvektion“ beinhaltet freie
Konvektion an den Raumwänden sowie einen angenommenen Luftstrom (Luft, die durch
Fugen aus dem Raum entweicht). Die Bedingungen in unserem Modell eines typischen IT-
Raums sind wie folgt:
Raumabmessungen 3 x 3 x 3 Meter
Temperatur in der Gebäudeumgebung 20°C (68°F)
Verwendete Baumaterialien:
Innere Seitenwände: Luftdicht abgeschlossene Stahlständerwand mit
Gipskartonplattenverkleidung
Boden: 10 cm starke Betonplatte
Decke: 12,7 mm starke Akustikdeckenplatten
Außenwand: Betonsteinwand mit Dämmung aus Hartschaumplatten und
Innenverkleidung mit Gipskartonplatten
Wärmeübergangskoeffizient der Außenwand bei einer
Windgeschwindigkeit von 3,4 m/s (12 km/h)
Relative Luftfeuchtigkeit 50%
Luftleckrate (Durchschnittswert für den Luftaustritt durch Türfugen und/oder
eine abgehängte Decke)
Innere Seitenwände: R* = 0,29
Boden: R = 0,1
Decke: R = 0,22
Außenwand: R = 1,32
*R = Wärmedurchgangswiderstand
h = 22,7 (m² °C/W)
23,6 Liter/Sekunde
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