Jeder Server, jede GPU und jeder Switch in einem Rechenzentrum wandelt Strom in Wärme um. Diese Wärme muss das Gebäude verlassen, ohne dass die IT-Geräte zu heiß werden. Die Kältemaschine ermöglicht diesen Abtransport. Sie produziert das Kühlwasser, das die Wärme aus dem Gebäude abführt, und ihre Auslegung bestimmt maßgeblich, wie viel Strom und Wasser die gesamte Anlage zur Kühlung benötigt.
Für Anlagenbetreiber und -ingenieure stellt sich in der Praxis selten die Frage, ob ein Standort eine Kältemaschine benötigt. Vielmehr geht es darum, welcher Typ zu Last, Klima und Wassersituation passt. Dieser Artikel konzentriert sich auf diese Entscheidung und lässt die Details der Chip-Ebene außen vor., Flüssigkeitskühlung für Rechenzentren, Die Kühlmittelverteilungseinheit und der Kältekreislauf selbst sollten jeweils in eigenen separaten Diskussionen behandelt werden.
Wo ein Kaltwassersatz in die Kühlkette des Rechenzentrums passt
Ein Kältemaschinenaggregat in einem Rechenzentrum erzeugt Kaltwasser und leitet die Abwärme nach außen ab. Seine Leistung hängt von der Rackdichte und dem Klima im Gebäude ab. Innerhalb des Gebäudes nehmen Klimageräte in Serverräumen, In-Row-Einheiten oder ein direkter Kühlkreislauf die Wärme der Geräte auf und leiten sie in einen Kaltwasserkreislauf. Die Arbeit des Kältemaschinenaggregats beginnt dort, wo das Wasser warm zurückfließt, und endet dort, wo die Wärme die Außenumgebung erreicht.
Die Kältemaschine ist nur ein Glied in der Kette, nicht die gesamte. Die Art und Weise, wie sie die letzte Übergabe an die Außenluft gestaltet, ist genau das, was die beiden Haupttypen von Kältemaschinen unterscheidet, und dieser Unterschied bestimmt maßgeblich die Kosten und die Effizienz der nachfolgenden Prozesse.
Luftkühlung vs. Wasserkühlung: Der eigentliche Unterschied liegt in der Wärmeabfuhr.
Die Bezeichnungen luftgekühlt und wassergekühlt beschreiben, wohin ein Kaltwassersatz seine Wärme abgibt, nicht wie die Server gekühlt werden. Die richtige Wahl hängt von der Wasserverfügbarkeit und der maximalen Umgebungstemperatur ab. Ein Gebäude kann mit gekühltem Wasser betrieben werden und trotzdem als “luftgekühlt” gelten, da sich dieser Begriff auf die Wärmeabfuhr und nicht auf die Serverracks bezieht.
Eine luftgekühlte Kältemaschine gibt die Wärme direkt über Kondensatorspulen und Ventilatoren an die Außenluft ab und benötigt daher keinen Kühlturm. Im Normalbetrieb verbraucht sie wenig bis gar kein Wasser. Eine wassergekühlte Kältemaschine leitet die Wärme an einen Kondensator-Wasser-Kreislauf und einen Kühlturm weiter, wo die Verdunstung die endgültige Wärmeabgabe bewirkt. Der Effizienzvorteil der Wasserkühlung ist physikalischer Natur und nicht marketingtechnisch begründet: Ein Kühlturm arbeitet gegen die Außenlufttemperatur (Feuchtkugeltemperatur), die niedriger ist als die Trockenkugeltemperatur, gegen die ein luftgekühlter Kondensator arbeiten muss. Dadurch kondensiert das Kältemittel bei einer niedrigeren Temperatur. Der Kompressor verbraucht weniger Strom.. Dieser Vorteil hat seinen Preis: kontinuierlicher Wasserverbrauch, Wasseraufbereitung und eine umfangreichere Anlageninfrastruktur.
| Dimension | Luftgekühlter Kaltwassersatz | Wassergekühlter Kühler |
|---|---|---|
| Endgültige Wärmeabfuhr | Außenluft über Kondensatorspulen | Kühlturm durch Verdunstung |
| Effizienztreiber | Begrenzt durch die Trockenkugeltemperatur | Vorteile einer niedrigeren Feuchtkugeltemperatur |
| Wasserverbrauch | Minimal im Normalbetrieb | Kontinuierlich; benötigt Behandlung und Abschlämmung |
| Umgebungsempfindlichkeit | Die Kapazität sinkt mit steigender Außenluft. | Stabiler bei hohen Umgebungstemperaturen |
| Anlageninfrastruktur | In sich abgeschlossen, einfacher zu installieren | Turm, Kondensatorkreislauf, Pumpen, Wassersysteme |
| Typische Passform | Kleinere, randnahe oder wasserarme Standorte | Große zentrale Anlagen, in denen Wasser verfügbar ist |
In dieser Tabelle verbirgt sich ein häufiger Dimensionierungsfehler. In heißen, trockenen Klimazonen verliert die Kondensatorseite eines luftgekühlten Kaltwassersatzes als erstes an Leistung, wenn die sommerlichen Umgebungstemperaturen ihren Höhepunkt erreichen. Eine Anlage, die für einen milden Auslegungstag ausgelegt ist, erreicht dann genau an den kritischsten Tagen nicht die erforderliche Leistung. Um dies zu vermeiden, muss die Auslegungsumgebungstemperatur mit den ungünstigsten lokalen Bedingungen verglichen werden, nicht mit Jahresmittelwerten.
Normen und Bewertungskriterien, die Sie vor dem Vergleich von Kältemaschinen prüfen sollten
Vergleiche von Kältemaschinen sind nur anhand festgelegter Bewertungsstandards aussagekräftig, da die Angaben zweier Hersteller nur vergleichbar sind, wenn sie nach denselben Kriterien ermittelt wurden. Bevor Sie verschiedene Anlagen miteinander vergleichen, prüfen Sie, woher die jeweiligen Daten stammen.
- AHRI 550/590 (IP) oder 551/591 (SI) Die Normen bewerten werkseitig gefertigte Wasserkälteanlagen nach dem Dampfkompressionsprinzip und decken sowohl luft- als auch wassergekühlte Geräte ab. Sie definieren die Volllasteffizienz in kW/Tonne (wobei kW/Tonne ≈ 3,516 ÷ COP) sowie den Teillast-IPLV- und NPLV-Wert. Zu beachten ist der in der Norm selbst enthaltene Hinweis: Der IPLV-Wert repräsentiert die durchschnittliche Leistung einer einzelnen Kältemaschine. Eine gebäudespezifische Analyse liefert daher genauere Prognosen für den tatsächlichen Energieverbrauch.
- ASHRAE-Standard 90.4 Der Energiestandard für Rechenzentren gilt für Einrichtungen mit einer klimatisierten Nutzfläche von über 20 W/ft² und einer IT-Last von über 10 kW. Er bewertet die Anlage anhand der mechanischen Lastkomponente (MLC), dem Verhältnis des Energieverbrauchs für Kühlung, Lüfter, Pumpen und Wärmeabfuhr zum Energieverbrauch der IT-Geräte. ASHRAE weist darauf hin, dass die MLC nicht direkt mit dem PUE vergleichbar ist; daher sollten beide als separate Prüfverfahren betrachtet werden.
- ASHRAE TC 9.9 Thermische Richtlinien Die zulässigen Vorlauftemperaturen und Feuchtigkeitsbereiche werden festgelegt, die bestimmen, wie warm das gekühlte Wasser sein darf, was wiederum die Anzahl der Stunden freier Kühlung regelt, die der Standort in Anspruch nehmen kann.
- Green Grid PUE und WUE Den unten diskutierten Zielkonflikt zwischen Energie und Wasser einrahmen.
Eine kurze Checkliste vor der Auswahl verhindert, dass diese zu abstrakt werden: Trocken- und Feuchtkugeltemperatur am Auslegungstag, Zieltemperaturen für Kaltwasserzulauf und -rücklauf, Volllast kW/Tonne und IPLV/NPLV unter den tatsächlichen Standortbedingungen, Redundanzstufe und daraus resultierende Anzahl der Einheiten sowie der Wasserhaushalt einschließlich Nachspeisung, Abschlämmung und Aufbereitung.
Die Variablen, die darüber entscheiden, welcher Kältemaschinentyp für Ihren Standort geeignet ist
Die Auswahl der Kältemaschine hängt von einer Reihe interagierender Standortvariablen ab und nicht von einer einzigen optimalen Technologie. Die Kühllast bildet den Ausgangspunkt: Luftgekühlte Geräte werden üblicherweise bei kleineren und mittleren Kapazitäten eingesetzt, während die größten zentralen Anlagen häufiger wassergekühlte Geräte verwenden. Die angegebenen Leistungsbereiche variieren jedoch je nach Hersteller, und die optimale Kombination verschiebt sich, sobald Redundanz eingesetzt wird. Auch das Klima beeinflusst das Ergebnis, da die Leistung luftgekühlter Geräte mit steigender Trockentemperatur abnimmt. Ein langer, heißer Sommer spricht daher eher gegen wassergekühlte oder Hybridgeräte.
Die Wasserverfügbarkeit ist häufig der entscheidende Faktor. Wo Wasser knapp, teuer oder reguliert ist, vermeidet ein luftgekühltes oder geschlossenes Kreislaufsystem den kontinuierlichen Wasserverbrauch des Kühlturms und die damit verbundenen Genehmigungsauflagen. Gleiches gilt für Platzbedarf und Gebäudestruktur: Kühltürme, Kondensatorleitungen und Pumpen benötigen Raum und bauliche Unterstützung. Daher ist bei beengten Dachverhältnissen oder nachträglichen Umbauten oft eine autarke, luftgekühlte Anlage die bessere Wahl. Redundanz verstärkt diese Problematik noch, da ein N+1- oder 2N-Ziel die Anzahl der Einheiten und den Platzbedarf so weit erhöht, dass die günstigere Einzelmaschine hinsichtlich der Gesamtinstallationskosten unterlegen sein kann.
Die immer wiederkehrenden Spezifikationsfehler resultieren direkt aus dem Auslassen einer dieser Variablen: Dimensionierung nur anhand der IT-Last in Tonnen, Validierung anhand der durchschnittlichen statt der maximalen Umgebungstemperatur, Ignorieren der Feuchtkugeltemperatur, Vergessen des Platzbedarfs, den Redundanz hinzufügt, und niemals Bestätigen der Rücklaufwassertemperatur, die die Kühlarchitektur tatsächlich liefern wird.
Freie Kühlung und Teillastverhalten, bei dem die Energie tatsächlich verloren geht
Der tatsächliche Energieverbrauch einer Kältemaschine wird maßgeblich durch das Teillastverhalten und die Freikühlstunden bestimmt, welche wiederum viel stärker vom Klima und der Kaltwasser-Solltemperatur abhängen als von der Nennleistung bei Volllast. Da Rechenzentren den Großteil des Jahres im Teillastbereich arbeiten, ist das Verhalten bei 40 oder 60 Prozent Auslastung wichtiger als die Nennleistung bei 100 Prozent. Der IPLV-Wert (Integrated Power Level Value) dient genau der Beschreibung dieses Leistungsbereichs.
Freie Kühlung ist der entscheidende Faktor, der eine effiziente Anlage von einer teuren unterscheidet. Bei ausreichend kühlen Außentemperaturen kann ein Kaltwassersatz die mechanische Kompression reduzieren oder ganz abstellen und das Wasser durch die Umgebungstemperatur abkühlen lassen. In gemäßigten Klimazonen reduziert dies den Energieverbrauch des Kompressors über einen Großteil des Jahres. Durch Anheben des Sollwerts für das Kaltwasser lässt sich dieser Zeitraum noch erweitern, und gut getrennte Warm- und Kaltgänge ermöglichen einen wärmeren Betrieb der Anlage, ohne die IT-Ausrüstung zu gefährden.
Der Zielkonflikt zeigt sich in zwei Kennzahlen. PUE entspricht dem Gesamtenergieverbrauch der Anlage geteilt durch den Energieverbrauch der IT-Ausrüstung, und WUE entspricht dem jährlichen Wasserverbrauch des Standorts geteilt durch den Energieverbrauch der IT-Ausrüstung, angegeben in Litern pro kWh. Ein Design kann bei der einen Kennzahl gut abschneiden, bei der anderen jedoch schlecht. So kann beispielsweise eine wassergekühlte Anlage mit einem exzellenten PUE-Wert einen hohen WUE-Wert aufweisen und in einer wasserarmen Region ungeeignet sein. Bei hybriden Anlagen mit Luft- und Wasserkühlung kann der PUE-Wert allein das Gesamtbild unterschätzen. Daher werden mitunter ergänzende Kennzahlen wie die Gesamtleistungseffizienz (TPUE) herangezogen. Es gilt frühzeitig zu klären, anhand welcher Kennzahl der Standort tatsächlich bewertet wird.
Wie Kältemaschinen und Chipkühlung die Arbeit bei zunehmender Rackdichte aufteilen
Steigt die Rackdichte über die Kapazität der Raumluft hinaus, speist die Kälteanlage zunehmend einen Flüssigkeitskreislauf auf Chipebene anstatt die Luft direkt zu kühlen. Ihre Rolle als Rückgrat der Wärmeabfuhr bleibt jedoch unverändert. Bei einer direkten Chipkühlung, Kühlplatten Wärme am Prozessor aufnehmen, Kühlmittelverteiler Die Technologie wird durch einen Kühlkreislauf gesteuert, und ein Kaltwassersatz oder Trockenkühler leitet die Wärme nach außen ab. Der Kaltwassersatz befindet sich weiterhin am Ende der Kette.
Eine Randbedingung wird häufig falsch interpretiert: Direkte Chipkühlung bedeutet nicht automatisch kälteres Kühlwasser. Abhängig von der Kühlplattenkonstruktion, der Annäherungstemperatur der Kühlaggregate, dem Kühlmitteltyp und den Chip-Einlassgrenzen ermöglichen manche Architekturen deutlich höhere Kühlwasser- oder Sekundärkreislauftemperaturen, was die freie Kühlung erweitern und die Effizienz steigern kann. Diese höheren Sollwerte sind architekturabhängig und keine universellen Auslegungswerte. Daher müssen sie für den jeweiligen Kreislauf bestätigt und dürfen nicht einfach angenommen werden. Konstant bleibt, dass der Kaltwassersatz auf die jeweilige Kühlarchitektur abgestimmt sein muss: Eine höhere Rackdichte und eine bestimmte Kühlmitteltemperatur verändern die Rücklaufwasserbedingungen, die die Anlage bewältigen muss.
Die Entscheidung für den Kältemitteleinsatz hängt von der Last ab, die es bedient.
Die Wahl des Kältemittels hängt von drei miteinander verbundenen Faktoren ab: der Wärmeabfuhr, den klimatischen und wasserwirtschaftlichen Gegebenheiten sowie der Lastverteilung zur Redundanz. Luft- oder Wasserkühlung ist eine standortspezifische Entscheidung, die anhand von AHRI-geprüften Voll- und Teillastwerten sowie einer ASHRAE-90.4-Analyse der gesamten mechanischen Last bestätigt wird – keine Qualitätsbewertung.
Bei Trumonytechs befindet sich unsere Arbeit auf der Seite des Kühlkreislaufs, die vom Chip zum Kühlmittel führt, im Bereich der Kühlplatten und thermische Grenzflächenmaterialien Die vom Kaltwassersatz abgeleitete Wärme wird letztendlich vom Kaltwassersatz abgeführt. Aus dieser Perspektive erweist sich eine Variable immer wieder als entscheidend, noch bevor ein Kaltwassersatz spezifiziert wird: die Rücklauftemperatur. Sie bestimmt nämlich den Verdampferzustand des Kaltwassersatzes, die verfügbaren Freikühlstunden, die Annäherungstemperatur der Kühlaggregate und die tatsächliche Eintrittstemperatur der Kühlplatte, die die Chips erreichen. Selbst wenn der Kühlkreislauf auf Basis einer optimistischen Kühlmitteltemperatur ausgelegt ist, kann eine korrekt dimensionierte Anlage dennoch Probleme haben.
Wenn Sie eine Kühlarchitektur auf eine Kälteanlage abstimmen, sollten Sie im nächsten Schritt die Auslegungstemperaturen (Trocken- und Feuchtkugeltemperatur), die Zieltemperaturen für Vor- und Rücklauf des Kaltwassers sowie die Redundanzstufe festlegen, bevor Sie die Komponenten vergleichen. Teilen Sie uns auf Chip-Seite die Wärmelast der Kühlplatte, die Chip-TDP, den Kühlmitteltyp, die Zieltemperaturen für Ein- und Auslass der Kühlverteilungseinheit (CDU), die Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste sowie das Druckverlustbudget mit. Unser Ingenieurteam unterstützt Sie dann gerne dabei, die Chip-Kühlung optimal auf Ihre geplante Wärmeabfuhranlage abzustimmen.
FAQ
Sind die Kältemaschinen in Rechenzentren luft- oder wassergekühlt?
Beide Arten von Kältemaschinen existieren, und die Bezeichnung beschreibt, wie die Kältemaschine Wärme an die Umgebung abgibt, nicht wie die Server gekühlt werden. Luftgekühlte Kältemaschinen geben Wärme an die Außenluft ab; wassergekühlte Kältemaschinen leiten sie an einen Kühlturm weiter. Viele luftgekühlte Rechenzentren verwenden nach wie vor gekühltes Wasser im Inneren.
Worin besteht der Unterschied zwischen einem Trockenkühler und einem luftgekühlten Kaltwassersatz?
Ein Trockenkühler gibt Wärme aus einem Flüssigkeitskreislauf an die Außenluft ab, ohne selbst einen Kältekreislauf zu besitzen. Daher kann er die Flüssigkeit nur bis auf Umgebungstemperatur abkühlen. Ein luftgekühlter Kaltwassersatz hingegen nutzt einen Dampfkompressionskreislauf und kann Kaltwasser unterhalb der Umgebungstemperatur erzeugen, was einem Trockenkühler nicht möglich ist. Viele Gebäude mit hoher Dichte verwenden Trockenkühler zur freien Kühlung und einen Kaltwassersatz für die Stunden, in denen die Umgebungstemperatur zu hoch ist.
Wird bei luftgekühlten Kältemaschinen Wasser benötigt?
Luftgekühlte Kältemaschinen verbrauchen im Normalbetrieb wenig bis gar kein Wasser, was ihr Hauptvorteil in wasserarmen Regionen ist. Einige Modelle verfügen über eine adiabatische oder Sprühvorkühlung, die nur während der heißesten Stunden geringe Wassermengen verbraucht, um die Kapazität zu erhalten.
Kann für die Direktkühlung des Chips warmes Wasser verwendet werden?
In vielen Fällen ja, da die Wärmeabfuhr am Chip höhere Kühlmitteltemperaturen verträgt als die Kühlung mit Raumluft. Die erreichbare Temperatur hängt von der Kühlplattenkonstruktion, der Annäherungstemperatur der Kühleinheit, dem Kühlmitteltyp und der Einlassgrenze des Chips ab und sollte daher für jede Architektur einzeln geprüft und nicht einfach angenommen werden.
Hat ein wassergekühlter Kaltwassersatz immer einen besseren PUE-Wert?
Nicht immer, denn der PUE-Wert hängt vom Klima, den Sollwerten, den Freikühlstunden und dem Kältemaschinentyp ab. Eine wassergekühlte Anlage ist oft energieeffizienter, kann aber einen hohen WUE-Wert aufweisen, und in kühlen Klimazonen kann eine luftgekühlte Anlage mit vielen Freikühlstunden den Unterschied weitgehend ausgleichen.
Sind bei der direkten Flüssigkeitskühlung des Chips noch Kühler erforderlich?
Ein Kühler oder ein vergleichbares Wärmeabfuhrgerät ist weiterhin erforderlich, da die direkte Chipkühlung die Wärme zwar näher an den Prozessor bringt, sie aber nicht aus dem Gebäude abführt. Der Kühlplattenkreislauf und die Kühlmittelverteilungseinheit führen die Wärme zurück zum Kühler, der sie nach außen abführt.
