Mechanische Kühlung
Mechanische Kühlung, oft einfach als Kühlung oder Klimatisierung bezeichnet, ist ein Prozess, bei dem ein von Menschen geschaffenes Wärmeaustauschsystems einem Gebäude Wärme entzieht. In einem Rechenzentrum ist die Klimatisierung von Computerräumen (Computer Room Air Conditioning, CRAC) die häufigste Anwendung der Kälteerzeugung.
Grundsätze der mechanischen Kälteerzeugung
Das zugrundeliegende physikalische Prinzip der mechanischen Kältetechnik ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik. Dieses Gesetz besagt, dass Energie – oder in diesem Fall Wärme – weder erzeugt noch zerstört werden kann, sondern nur von einem Ort zum anderen übertragen und dass für die Übertragung von Energie Arbeit erforderlich ist. Bei einem Kühlprozess wird die Wärmeenergie an einem Ort absorbiert, an dem sie nicht erwünscht ist, und durch einen Prozess an einen anderen Ort gepumpt, wo die Wärme ausgestoßen oder abgestrahlt werden kann. Die für die Wärmeübertragung erforderliche Arbeit leistet eine Pumpe oder ein Motor, nicht ein elektrischer oder chemischer Prozess, daher spricht man von mechanischer Kühlung.
Die gebräuchlichste Form der mechanischen Kälteerzeugung ist der Dampfkompressionskreislauf, auch bekannt als Reverse-Rankine-Kreislauf. Dabei zirkuliert ein Kältemittel, um die Wärme aufzunehmen und abzugeben. Das Kältemittel funktioniert nach dem Prinzip, dass Wärme aufgenommen wird, wenn eine Flüssigkeit kocht oder verdampft, und dass Wärme abgegeben wird, wenn ein Dampf kondensiert. Kältemittel haben Siedepunkte unterhalb der Raumtemperatur, um diesen Kühleffekt zu erzielen.
In einem typischen Dampfkompressionskühlschrank wird das unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel zunächst durch ein Expansionsventil gedrückt. Anschließend gelangt es in eine Reihe von Rohren mit niedrigerem Druck, den Verdampfer, wo das flüssige Kältemittel siedet. Durch den Siedevorgang nimmt es Wärme aus der Luft um den Verdampfer herum auf und wird zu Dampf. Der erhitzte Dampf durchläuft dann einen Kompressor oder eine Pumpe, der oder die ihn in die unter höherem Druck stehenden Rohre oder Schlangen des Kondensators drückt. Im Verflüssiger kondensiert das Kältemittel aufgrund des hohen Drucks wieder zu einer Flüssigkeit, welche die Wärme abgibt, in der Regel an eine Art Heizkörper. Das flüssige Kältemittel ist nun bereit, wieder durch das Expansionsventil zu fließen und den Prozess zu wiederholen.
Ein weiterer Effekt der Kälteerzeugung ist die Verringerung der Luftfeuchtigkeit oder das Trocknen der kühleren Luft. Das hat viele nützliche industrielle Anwendungsszenarien. Die Systeme müssen so ausgelegt sein, dass sie Kondenswasser, das sich an den Verdampferschlangen bildet, auffangen. Es ist auch möglich, dass sich Eis auf den Verdampferschlangen bildet, was zu Leistungsproblemen führt.
Mechanische Kühlung in einem Rechenzentrum
Abwärme ist ein Hauptproblem bei der Planung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (Heating, Ventilation, Air Conditioning, HVAC) in Rechenzentren, da die Elektronik Wärme erzeugt. In Rechenzentren sind viele Computer auf engstem Raum untergebracht und erzeugen somit große Mengen an Abwärme. Außerdem kann eine hohe Luftfeuchtigkeit die Computer beschädigen. Daher ist eine mechanische Kühlung erforderlich. Wenn ein Rechenzentrum oder ein Computerraum nicht aktiv gekühlt wird, kann es schnell so heiß werden, dass die Computerkomponenten Schaden nehmen.
Die meisten Rechenzentren betreiben ihre Server nicht mit Immersionskühlung sondern an der Luft. Sie geben ihre Wärme an die Umgebungsluft ab. Eine große CRAC-Einheit kühlt und entfeuchtet die Luft innerhalb des Rechenzentrums. In der Regel gibt es in jedem Rechenzentrum mehr als ein CRAC-Gerät, um Redundanz zu schaffen und die Wartung zu erleichtern.
In den meisten Fällen drückt die CRAC-Einheit die gekühlte Luft in den Doppelboden des Rechenzentrums. Perforierte Bodenplatten werden strategisch so positioniert, dass die kühle Luft an den Lufteinlässen der Serverschränke ankommt. Es hat sich bewährt, die Serverschränke so in den Gängen zu platzieren, dass die Ein- und Auslässe der Lüfter einander gegenüberliegen, wodurch heiße und kalte Gänge entstehen. Die erwärmte Luft wird dann von Lüftungsgeräten an der Decke angesaugt.
Bei den meisten kleinen bis mittelgroßen Anwendungen befindet sich der Kälteverdampfer im Inneren des Rechenzentrums. Dabei kann es sich um ein einzelnes Gerät handeln, bei dem Verdampfer und Verflüssiger zusammen in einer geschlossenen Einheit untergebracht sind und die Warmluft nach außen geleitet wird. Häufiger nutzen Rechenzentren ein Split-System, bei dem sich der Verflüssiger außerhalb des Rechenzentrums befindet und das Kältemittel zwischen den beiden separaten Einheiten gepumpt wird.
Bei großen Systemen befindet sich das gesamte Kältesystem außerhalb des Rechenzentrums in einer Kühlanlage, und nur das gekühlte Wasser oder Glykol wird in das Rechenzentrum gepumpt. Die gekühlte Flüssigkeit wird von einem Computerraum-Lufthandler (CRAH) verteilt. Der CRAH drückt die heiße Luft über das gekühlte Wasser und kühlt so die Luft. In einigen Fällen kann die gekühlte Flüssigkeit direkt zu den Serverschränken geleitet werden.
Die Umweltüberwachung ist in Rechenzentren wichtig. Sie prüft die Gesamttemperatur und Luftfeuchtigkeit und löst Alarm aus, wenn die Messwerte zu hoch werden. Außerdem werden in der Nähe der CRAC-Einheiten Wassermelder angebracht, die bei einem versehentlichen Überlaufen von Wasser Alarm schlagen, um Schäden an den Computern zu verhindern. Diese können in ein Gebäudemanagementsystem eingebunden werden.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Leistung eines mechanischen Kühlsystems zu messen. Sie kann in Kilowatt, Kilojoule pro Sekunde oder Britischen Wärmeeinheiten pro Stunde angegeben werden – oder in Nordamerika als Kältetonnen. Die Energieeffizienz eines Systems kann als Leistungsfaktor, Leistungskoeffizient, Energieeffizienzverhältnis, saisonale EER oder integrierte EER angegeben werden.
In der Vergangenheit galten 21 Grad Celsius als die optimale Temperatur für Rechenzentren. Moderne Rechenzentren können auf 26 Grad Celsius gehalten werden, da neue Geräte weniger temperaturempfindlich sind und eine höhere Energieeffizienz ermöglichen. Die optimale Luftfeuchtigkeit für ein Rechenzentrum liegt zwischen 40 und 50 Prozent.
Künftige Nutzung der mechanischen Kühlung, andere Formen der Kühlung von Rechenzentren
Die mechanische Kühlung ist die heute bei weitem am häufigsten verwendete Form der Kühlung. Leider benötigt sie viel Strom. Daher wird sie bei der Planung großer Rechenzentren immer seltener eingesetzt. Aufgrund ihrer Allgegenwärtigkeit und Benutzerfreundlichkeit wird sie jedoch noch viele Jahre lang in kleinen und mittelgroßen Rechenzentren zu finden sein.
Um die Umweltbelastung zu verringern, setzen einige Rechenzentren auf Wasserkühlung oder Tauchkühlung. Der Einsatz von Verdunstungskühltürmen ist in extrem großen Rechenzentren aufgrund des geringen Energieverbrauchs üblich. Ein Peltier-Kühler kann Wärme gezielt von einer bestimmten Computerkomponente abführen.
Da Rechenzentren jedes Jahr einen immer größeren Teil der weltweiten Energie aufnehmen, gibt es viele Initiativen, ihren Bedarf zu senken. Dazu gehören der Netto-Null-Energieverbrauch oder der kohlenstoffneutrale Energieverbrauch, die Reduzierung des Wasserverbrauchs für Kühltürme, Abwärmerückgewinnungssysteme und passive Kühlung.
