Eine der wich­tigsten Aufgaben eines jeden Betrei­bers von Rechen­zen­tren ist es, die klima­ti­schen Bedin­gungen in Server­räumen zu über­wa­chen und zu steuern. Hohe Tempe­ra­turen und Luft­feuch­tig­keit schaden den IT-Geräten und führen zu Ausfällen. Klima­ti­sie­rungs­kon­zepte müssen dem entge­gen­wirken. Dabei kommen unter­schied­liche Lösungen zum Einsatz, denn schon baulich gesehen gleicht kein Rechen­zen­trum dem anderen (Bild 1).

Typi­sche Kühl-Anwen­dungen reichen vom In-Row-Cooling der Server­racks über Kalt­was­ser­sätze (Chiller) bis hin zu Präzi­si­ons­kli­ma­ge­räten oder anderen Raum­luft­tech­ni­schen Geräten (RLT). Für diese unter­schied­li­chen Klima­ti­sie­rungs­lö­sungen hat ebm-papst eine Viel­zahl passender EC-Axial- und Radi­al­ven­ti­la­toren im Programm, die im Hinblick auf die in Rechen­zen­tren geltenden Anfor­de­rungen ausge­legt sind.

Ein Beispiel aus der Praxis: NTT Global Data Center

NTT Global Data Centers EMEA GmbH ist ein welt­weit führender IT-Dienst­leister mit allein vier Rechen­zen­trums­stand­orten in Frank­furt. Der Rechen­zen­trums­campus Frank­furt 1 beispiels­weise ist mit rund 50.000 Quadrat­meter IT-Fläche einer der größten Rechen­zen­trums­stand­orte Europas. Für die Kühlung sorgen Präzi­si­ons­kli­ma­ge­räte. Sie saugen die rund 36 bis 39 °C warme Abluft an, filtern, kühlen und befeuchten sie und führen die auf 23 bis 24 °C abge­kühlte Luft durch einen Doppel­boden und Auslässe gezielt zu den Server­racks. Das konti­nu­ier­liche Fördern über­nehmen in jedem Klima­gerät drei EC-Radi­al­ven­ti­la­toren der RadiPac Reihe von ebm-papst.

Insge­samt sind diese Venti­la­toren seit fast 10 Jahren in Frank­furt 1 in Betrieb. Dabei gibt es eine Beson­der­heit: Die Standby-Präzi­si­ons­kli­ma­ge­räte sind nicht nur aus Gründen der Redun­danz aufge­stellt, sondern sie laufen parallel immer mit nied­riger Dreh­zahl mit. Das erhöht die Lebens­dauer der Venti­la­toren und stei­gert gleich­zeitig die Effi­zienz.

Dank der präzisen Diffe­renz­druck­re­ge­lung im Bereich von vier bis sechs Pascal passt sich die Lüfter­dreh­zahl aller Klima­ge­räte auto­ma­tisch an, wenn ein Präzi­si­ons­kli­ma­gerät ausfällt oder wenn sich die Server­leis­tung dyna­misch verän­dert. Alle Venti­la­toren verbrau­chen dadurch beacht­liche 30 Prozent weniger Strom und tragen damit zu einem guten EER-Wert bei, der die Kühl­ka­pa­zität eines Klima­ge­räts im Vergleich zum Strom­ver­brauch angibt.

Axial­ven­ti­la­toren: leise und für hohen Gegen­druck geeignet

Rechen­zen­tren rücken zuneh­mend nicht nur näher an Indus­trie- sondern auch an Wohn­ge­biete, um die Daten­lei­tungen kurz und damit möglichst stör­si­cher zu halten. Das hat für die Betreiber Konse­quenzen. Die großen Chiller, Dry Cooler oder Condenser müssen die im jewei­ligen Gebiet geltenden Lärm­schutz­be­stim­mungen einhalten. Für die einge­setzten Venti­la­toren bedeutet das zwei­erlei: Zum einen sollten sie selbst möglichst leise arbeiten und keine unan­ge­nehmen Geräu­sche verur­sa­chen. Zum anderen müssen sie auch mit höherem Gegen­druck zurecht­kommen, falls die Klima­ge­räte zusätz­liche Schall­schutz­maß­nahmen benö­tigen, weil beispiels­weise der Kompressor sonst zu laut ist.

Mit AxiBlade und AxiEco gibt es hierfür gleich zwei Axial­ven­ti­la­toren-Baureihen, die die unter­schied­li­chen Anfor­de­rungen abde­cken (Bild 2). Erstere über­zeugen durch ihre hohe Leis­tungs­dichte bei geringer Geräusch­emis­sion, während die andere Baureihe sich vor allem für Anwen­dungen eignet, bei denen ein beson­ders hoher Druck­aufbau gefragt ist, zum Beispiel wegen zusätz­li­chen Schall­schutz­maß­nahmen oder spezi­eller Tauscher-Geome­trien.

Radi­al­ven­ti­la­toren: hohe Leis­tungs­dichte und breites Wirkungs­grad­op­timum

Auch Radi­al­ven­ti­la­toren finden in Rechen­zen­tren typi­sche Einsatz­be­reiche. Bei der Entwick­lung der RadiPac Radi­al­ven­ti­la­toren beispiels­weise wurde die reale Einbau­si­tua­tion in Computer Room Air Handler (CRAH) und RLT bereits mit einbe­zogen. Insbe­son­dere wurde das Abström­ver­halten des Lauf­rads opti­miert und Umlenk­ver­luste im Klima­kas­ten­gerät ebenso wie die Austritts­ver­luste durch eine spezi­elle Form­ge­bung redu­ziert. Beim glei­chen Betriebs­punkt können die Venti­la­toren dadurch mit nied­ri­gerer Dreh­zahl laufen, was wiederum Ener­gie­ein­spa­rungen ermög­licht (Bild 3). Durch ein breites Wirkungs­grad­op­timum und einen hohen stati­schen Gesamt­wir­kungs­grad arbeiten die Venti­la­toren in weiten Betriebs­be­rei­chen mit geringer Leis­tungs­auf­nahme.

Wie kühlt man Rechen­zen­tren?

Das erklärt Ihnen dieses What the Tech?!-Erklärvideo.

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Reso­nan­zer­ken­nung erhöht die Betriebs­si­cher­heit

Venti­la­toren werden in Rechen­zen­tren in unter­schied­lichsten Anwen­dungen einge­setzt. Je nach Einbau­si­tua­tion kann es in nicht vorher­seh­baren Dreh­zahl­be­rei­chen zu Reso­nanzen kommen. Wird ein Venti­lator häufig in einem solchen kriti­schen Bereich betrieben, kann das Lager­system Schaden nehmen und so zum vorzei­tigen Ausfall des Venti­la­tors führen. Für Anla­gen­be­treiber sind diese Vibra­tionen zwar messbar, lassen sich aber nicht einfach abstellen. ebm-papst löst dieses Problem mit einer auto­ma­ti­schen Reso­nan­zer­ken­nung, die den Betrieb mit kriti­schen Dreh­zahlen vermeidet und so die Lebens­dauer bzw. die Betriebs­si­cher­heit erhöht.

Dazu kann bei der Inbe­trieb­nahme ein Test-Hoch­lauf durch­ge­führt werden, bei dem die Schwing­ge­schwin­dig­keit über den gesamten Dreh­zahl­ver­lauf vom Still­stand bis zur Nenn­dreh­zahl analy­siert wird. Werden in bestimmten Berei­chen zu hohe Schwing­ge­schwin­dig­keiten erkannt, stellt sich die Steu­er­soft­ware nach einer kunden­sei­tigen Akti­vie­rung so ein, dass diese Dreh­zahl­be­reiche zukünftig „über­fahren“ werden. Das heißt, sie werden zwar durch­laufen, aber ein dauer­hafter Betrieb in diesen Berei­chen wird vermieden (Bild 4).

Der Anwender kann die Einstel­lungen der Soft­ware jeder­zeit manuell bear­beiten, hat also immer die volle Kontrolle. Der inte­grierte Schwin­gungs­sensor kann zudem für eine Zustands­über­wa­chung genutzt werden. Dadurch wird eine vorbeu­gende Wartung möglich und die Service­ein­sätze lassen sich besser planen.

Aktive „Leis­tungs­fak­tor­kor­rektur“ mini­miert Netz­rück­wir­kungen

Eine Dreh­zahl­re­ge­lung ist für eine bedarfs­ge­rechte Klima­ti­sie­rung obli­ga­to­risch. Beim Betrieb dreh­zahl­ge­re­gelter Antriebe entstehen prin­zip­be­dingt aber immer Strom­ober­wellen. In Verbin­dung mit einer nicht ausrei­chend dimen­sio­nierten Span­nungs­ver­sor­gung können diese in kriti­schen Infra­struk­turen proble­ma­tisch werden. Die resul­tie­renden Ober­schwin­gungen führen zu einer stär­keren Belas­tung des Versor­gungs­netzes und zu Verlusten durch Blind­leis­tung. Außerdem können andere Geräte im Anla­gen­netz negativ beein­flusst werden. Für den Betreiber hieß das bisher: Er muss externe Filter vorsehen, für eine ausrei­chende Blind­leis­tungs­kom­pen­sa­tion sorgen und even­tuell auf größere Leitungs­quer­schnitte achten.

Solche externen Maßnahmen werden jetzt über­flüssig. Um störende Ober­schwin­gungen beim Paral­lel­be­trieb von EC-Venti­la­toren zu mini­mieren, hat ebm-papst eine Lösung entwi­ckelt, bei der der Strom­ober­wel­len­filter bereits inte­griert ist: die Aktiv PFC (Power Factor Correc­tion), zu Deutsch „Leis­tungs­fak­tor­kor­rektur“ (Bild 5).

Sie verfolgt den Ansatz, Strom­ober­wellen gar nicht erst entstehen zu lassen, anstatt sie hinterher aufwendig mit zusätz­li­chen Kompo­nenten heraus­zu­fil­tern. Infra­struk­tur­kom­po­nenten für Energie- und Notstrom­ver­sor­gung können dadurch kleiner und somit kosten­op­ti­miert ausge­legt werden, zum Beispiel Trans­for­ma­toren und Notstrom­ge­ne­ra­toren. Die Werte, die sich mit der Aktiv PFC errei­chen lassen, sind beacht­lich: Der Leis­tungs­faktor liegt bei über 0,99, der THD(I) beträgt bei Nenn­leis­tung typisch ca. 2 % und bleibt auch nach unten bis zu 10 % der Nenn­leis­tung unter 5 %. THD(I) bedeutet Total Harmonic Distor­tion of Current und gibt das Ausmaß der Verzer­rung des Stroms an.

Gerüstet für natür­liche Kälte­mittel

Eben­falls ein Thema, das die Betreiber von Rechen­zen­tren beschäf­tigt, ist der Einsatz natür­li­cher und brenn­barer Kälte­mittel. Auch hierfür können die beschrie­benen Venti­la­toren gerüstet werden. Ihre Elek­tronik­schal­tungen wären dann so ausge­legt, dass sie der EN 60335-2-40 für Klima­ge­räte mit brenn­baren Kälte­mit­teln entspre­chen, das heißt die maxi­male Ober­flä­chen­tem­pe­ratur muss im Fehler­fall mindes­tens 100 Kelvin unter der Zünd­tem­pe­ratur des einge­setzten Kälte­mit­tels liegen. Bei Propan, das sich wegen seiner guten Wärme­über­tra­gungs­leis­tung und seines nied­rigen GWP-für viele Anwen­dungen eignet, liegt die Zünd­tem­pe­ratur bei 470 °C. Die entspre­chend getestet und zerti­fi­zierten Elek­tronik­bau­gruppen garan­tieren dann, dass ihre maxi­male Ober­flä­chen­tem­pe­ratur auch im Falle einer Fehl­funk­tion immer unter 370 °C bleibt und sie somit nicht zur Zünd­quelle werden.