Betriebsoptimierung der Kühlung ohne Risiko für die Verfügbarkeit

Wer den PUE seines Rechenzentrums kennt, hat bereits einen wichtigen Schritt getan. Wer ihn verbessern will, steht vor der eigentlichen Herausforderung: Massnahmen im laufenden Betrieb umsetzen, ohne die Verfügbarkeit zu gefährden. Wie man den PUE korrekt erhebt, haben wir in Teil 3 der Serie «Leittechnik im Rechenzentrum» beschrieben, im Beitrag «PUE richtig messen nach EN 50600». Dieser Artikel setzt dort an und zeigt, welche Massnahmen in der Kühlung wirklich etwas bringen, in welcher Reihenfolge man sie angeht und warum jeder Schritt mit einer Messung beginnt und endet.

Die gute Nachricht: Viele der wirksamsten Massnahmen erfordern keine grossen Investitionen. Sollwertanpassungen, eine verbesserte Luftführung und eine längere Nutzung der freien Kühlung lassen sich oft mit bestehenden Mitteln umsetzen. Die schlechte Nachricht: Wer ohne Vorbereitung und ohne Rückfallebene vorgeht, riskiert genau das, was er vermeiden will. Ein strukturiertes Vorgehen ist deshalb keine Bürokratie, sondern Voraussetzung für jeden nachhaltigen Erfolg.

Warum Reihenfolge und Messung entscheiden

Betriebsoptimierung im Rechenzentrum ist kein einmaliges Projekt, sondern ein iterativer Prozess. Jede Massnahme verändert das thermische Gleichgewicht des Raums, manchmal auf eine Art, die erst Wochen später sichtbar wird. Wer mehrere Massnahmen gleichzeitig einführt, verliert den Überblick darüber, welche Wirkung von welcher Ursache stammt. Und wer eine Massnahme ohne Rückfallebene einführt, hat im Problemfall keine schnelle Option.

Unser Vorgehen folgt deshalb einem einfachen Grundsatz: eine Massnahme nach der anderen, mit Messung vor und nach jeder Änderung. Dieser Grundsatz gilt unabhängig davon, ob es sich um eine Sollwertverschiebung von zwei Grad oder um den Einbau einer Kaltgang-Einhausung handelt. Die Messung vor der Massnahme liefert den Ausgangszustand. Die Messung danach zeigt, ob die Wirkung eingetreten ist und ob sich die thermischen Bedingungen an den Servern verändert haben.

Wichtig ist dabei die Wahl der richtigen Messpunkte. Nicht der Rücklauf der Kältemaschine allein entscheidet, sondern die Zulufttemperatur an den Racks, die Warmlufttemperatur im Abluftbereich und die Gesamtleistungsaufnahme der Kühlung. Wer diese Werte nicht kontinuierlich erfasst, kann keine verlässliche Aussage über den Erfolg einer Massnahme machen. Trenddaten aus der Leittechnik sind hier das wichtigste Werkzeug. Was diese Daten verraten und wie man sie liest, haben wir in Teil 2 dieser Serie beschrieben, im Beitrag «Was die Trenddaten über Ihre Kühlung verraten».

Schritt 1: Luftführung bereinigen, bevor Sollwerte verändert werden

Der erste und oft wirksamste Schritt ist nicht die Anpassung eines Sollwerts, sondern die Bereinigung der Luftführung. In vielen bestehenden Rechenzentren ist die Trennung von Kalt- und Warmluft unvollständig. Kabelöffnungen im Doppelboden sind nicht verschlossen, Rack-Einschübe fehlen oder wurden nie eingebaut, und die Kaltgang-Warmgang-Trennung ist nur teilweise realisiert. Das Ergebnis ist eine Durchmischung von Kalt- und Warmluft, die dazu führt, dass die Kühlung mehr Energie aufwenden muss, um dieselbe Kühlwirkung zu erzielen.

Blindplatten in leeren Rack-Einschüben sind das einfachste Mittel. Sie verhindern, dass Warmluft aus dem Warmgang durch den Rack zurück in den Kaltgang zieht. Ihr Fehlen ist in der Praxis häufiger als man annehmen würde, weil bei jeder Erweiterung oder Umrüstung neue Lücken entstehen. Eine systematische Begehung mit Thermokamera zeigt schnell, wo die grössten Leckagen sind.

Die Kaltgang-Einhausung geht einen Schritt weiter. Sie trennt den Kaltgang physisch vom Rest des Raums und verhindert so die Durchmischung vollständig. In bestehenden Rechenzentren ist eine vollständige Einhausung nicht immer möglich, weil Raumgeometrie, Sprinkleranlage oder Fluchtwege dagegensprechen. Aber auch eine teilweise Einhausung, etwa durch Vorhänge oder einfache Abtrennungen an den Gangenden, bringt bereits eine messbare Verbesserung. Wichtig ist, dass man die Wirkung misst, bevor man auf dieser Basis Sollwerte verändert. Eine verbesserte Luftführung erlaubt höhere Sollwerte, aber nur wenn die Verbesserung tatsächlich eingetreten ist.

Die Bereinigung des Doppelbodens ist ebenfalls Teil dieses Schritts. Kabelöffnungen, die nicht mehr benötigt werden, sollten verschlossen werden. Gitterroste und Perforationsplatten sollten so angeordnet sein, dass die Kaltluft dort austritt, wo sie gebraucht wird, und nicht dort, wo sie den geringsten Widerstand findet. Auch hier gilt: Messung vor und nach der Massnahme.

Schritt 2: Sollwerte anheben, mit Bedacht und Rückfallebene

Wenn die Luftführung bereinigt ist, ist die Grundlage für eine Sollwertverschiebung gelegt. ASHRAE TC 9.9 definiert in seinen Thermal Guidelines einen empfohlenen Zulufttemperaturbereich von 18 bis 27 °C für die meisten IT-Geräte der Klasse A1 und A2. Viele Rechenzentren betreiben ihre Kühlung mit Sollwerten deutlich unterhalb dieses Bereichs, oft aus historischen Gründen oder weil die ursprünglichen Einstellungen nie hinterfragt wurden.

Eine Anhebung des Zuluft-Sollwerts um wenige Grad kann die Effizienz der Kühlung spürbar verbessern, weil die Kältemaschine mit einer höheren Verdampfungstemperatur arbeiten kann und weil die freie Kühlung länger nutzbar wird. Entscheidend ist dabei, dass die Anhebung schrittweise erfolgt, typischerweise in Schritten von einem Grad, mit einer Beobachtungsphase von mindestens einer Woche zwischen den Schritten.

Die Rückfallebene muss vor der ersten Anhebung definiert sein. Das bedeutet: Welche Temperaturen an welchen Messpunkten führen dazu, dass der Sollwert wieder abgesenkt wird? Diese Grenzwerte sollten in der Leittechnik als Alarme hinterlegt sein, nicht als manuelle Kontrolle. Wer die Grenzwerte erst dann sucht, wenn ein Problem auftritt, handelt zu spät.

Ein weiterer Aspekt, der in der Praxis oft übersehen wird, ist die Heterogenität der IT-Ausstattung. Ältere Server haben andere thermische Anforderungen als aktuelle Hochleistungssysteme. Wenn im selben Rack oder im selben Kaltgang Geräte verschiedener Generationen stehen, muss der Sollwert auf das empfindlichste Gerät ausgerichtet sein. Eine Inventarisierung der IT-Ausstattung mit den jeweiligen thermischen Spezifikationen ist deshalb Voraussetzung für jede Sollwertoptimierung. Diese Arbeit lohnt sich auch aus einem anderen Grund: Sie zeigt, welche Geräte ersetzt werden sollten, weil sie die Kühlungsoptimierung des gesamten Raums limitieren.

Schritt 3: Freie Kühlung verlängern

Freie Kühlung, also die Nutzung der Aussenluft oder eines Kühlturms zur Wärmeabfuhr ohne mechanische Kälteerzeugung, ist einer der wirksamsten Hebel zur PUE-Verbesserung. Je länger die freie Kühlung genutzt werden kann, desto weniger Stunden pro Jahr läuft die Kältemaschine im vollmechanischen Betrieb.

Die Betriebsstunden der freien Kühlung hängen direkt vom Zuluft-Sollwert ab. Ein höherer Sollwert erlaubt es, die freie Kühlung bei höheren Aussentemperaturen zu nutzen, weil die Anforderungen an die Kühlleistung geringer sind. Das ist der direkte Zusammenhang zwischen Schritt 2 und Schritt 3: Eine Sollwertanhebung verlängert automatisch die Nutzungsdauer der freien Kühlung, wenn die Anlage entsprechend konfiguriert ist.

In der Praxis sehen wir häufig, dass die Umschaltlogik zwischen freier Kühlung und mechanischer Kühlung nicht optimal eingestellt ist. Die Umschalttemperatur ist zu konservativ gewählt, oder die Hysterese ist so gross, dass die freie Kühlung zu früh abgeschaltet und zu spät wieder eingeschaltet wird. Eine Überprüfung und Anpassung dieser Logik ist oft ohne Hardwareänderungen möglich und bringt messbare Ergebnisse.

Wichtig ist auch hier die Messung. Die Betriebsstunden der freien Kühlung sollten als Trenddaten erfasst sein, damit man den Effekt einer Anpassung quantifizieren kann. Wer diese Daten nicht hat, kann nicht nachweisen, ob eine Massnahme gewirkt hat. Das ist nicht nur für die interne Erfolgskontrolle relevant, sondern auch für den Nachweis gegenüber Eigentümern oder Behörden.

Der EU Code of Conduct for Data Centre Energy Efficiency listet die Verlängerung der freien Kühlung explizit als Best Practice und empfiehlt, die Umschaltbedingungen regelmässig zu überprüfen und an die tatsächlichen Betriebsbedingungen anzupassen. Das ist ein Hinweis, der in der Praxis häufig unterschätzt wird: Die optimale Einstellung von heute ist nicht notwendigerweise die optimale Einstellung in zwei Jahren, wenn sich die IT-Last oder die Raumkonfiguration verändert hat.

Schritt 4: Antriebe drehzahlvariabel betreiben

Pumpen und Ventilatoren, die mit fester Drehzahl laufen, verbrauchen unabhängig von der tatsächlichen Last dieselbe Energie. Drehzahlvariable Antriebe, also Frequenzumrichter für Pumpen und Lüfter, passen die Leistung dem tatsächlichen Bedarf an. Da die Leistungsaufnahme eines Antriebs mit der dritten Potenz der Drehzahl sinkt, bringt bereits eine moderate Drehzahlreduktion eine überproportionale Energieeinsparung.

In bestehenden Rechenzentren sind Frequenzumrichter nicht immer vorhanden, insbesondere bei älteren Anlagen. Die Nachrüstung ist in vielen Fällen möglich, erfordert aber eine sorgfältige Planung, weil die Regelstrategie angepasst werden muss. Ein Ventilator, der früher mit fester Drehzahl lief, braucht jetzt eine Regelgrösse, die seinen Betrieb steuert. Typischerweise ist das der Differenzdruck im Kaltgang oder die Zulufttemperatur an den Racks.

Auch hier gilt das Prinzip der schrittweisen Einführung. Die Regelparameter sollten zunächst konservativ eingestellt und dann schrittweise optimiert werden. Eine zu aggressive Regelung kann dazu führen, dass der Ventilator bei kurzen Lastspitzen zu langsam reagiert und die Zulufttemperatur kurzzeitig über den Sollwert steigt. Solche Ereignisse sind in den Trenddaten sichtbar und sollten ausgewertet werden, bevor weitere Anpassungen vorgenommen werden.

Für Pumpen in Kaltwassersystemen gilt dasselbe Prinzip. Die Pumpenregelung sollte auf den tatsächlichen Volumenstrom ausgerichtet sein, nicht auf einen fixen Druckpunkt. Eine differenzdruckgeregelte Pumpe, die ihren Sollwert in Abhängigkeit von der Last anpasst, ist effizienter als eine Pumpe mit festem Differenzdrucksollwert. Diese Anpassung ist oft ohne Hardwareänderungen möglich, wenn die Leittechnik entsprechend konfiguriert wird.

Der Zusammenhang zwischen Massnahmen und PUE

Alle beschriebenen Massnahmen wirken auf den PUE, aber auf unterschiedliche Weise. Die Verbesserung der Luftführung reduziert den Energiebedarf der Kühlung, weil weniger Kühlleistung benötigt wird, um dieselbe IT-Last zu versorgen. Die Sollwertanhebung verbessert den Wirkungsgrad der Kältemaschine und verlängert die freie Kühlung. Die drehzahlvariablen Antriebe reduzieren den Hilfsstromverbrauch der Kühlung.

Der PUE nach EN 50600-4-2 setzt die gesamte Eingangsleistung des Rechenzentrums ins Verhältnis zur IT-Leistung. Jede Reduktion der Kühlungsleistung bei gleichbleibender IT-Last verbessert den PUE. Wie man diesen Wert korrekt misst und interpretiert, haben wir im Beitrag «PUE richtig messen nach EN 50600» ausführlich beschrieben. Wichtig ist, dass der PUE nicht als einzige Kennzahl betrachtet wird. Er sagt nichts darüber aus, wie effizient die IT-Ausstattung selbst ist, und er kann durch eine Reduktion der IT-Last verbessert werden, ohne dass die Kühlung effizienter geworden ist. Für eine vollständige Bewertung braucht es deshalb mehrere Kennzahlen, wie sie die Normenreihe EN 50600-4 definiert.

Die Wirkung der einzelnen Massnahmen lässt sich nur dann dem PUE zuordnen, wenn die Messung konsequent durchgeführt wird. Wer den PUE nur einmal im Jahr erhebt, kann keine Aussage darüber machen, welche Massnahme welchen Beitrag geleistet hat. Eine kontinuierliche Erfassung der relevanten Messgrössen ist deshalb keine Option, sondern Voraussetzung für eine seriöse Betriebsoptimierung.

Risiken und wie man sie beherrscht

Betriebsoptimierung im laufenden Betrieb ist mit Risiken verbunden. Das grösste Risiko ist eine unzureichende Kühlung der IT-Ausstattung, die zu Überhitzung, Drosselung oder Ausfall führt. Dieses Risiko lässt sich beherrschen, aber nicht eliminieren. Die wichtigsten Massnahmen zur Risikobeherrschung sind:

Erstens die Definition klarer Grenzwerte vor jeder Massnahme. Welche Temperaturen an welchen Messpunkten sind akzeptabel? Welche Werte führen zu einem sofortigen Rückgängigmachen der Massnahme? Diese Grenzwerte müssen in der Leittechnik als Alarme hinterlegt sein.

Zweitens die Wahl des richtigen Zeitpunkts. Massnahmen sollten nicht in Zeiten hoher IT-Last oder hoher Aussentemperaturen eingeführt werden. Ein kühles Wochenende mit geringer Last ist ein besserer Zeitpunkt als ein heisser Sommertag mit Vollbetrieb.

Drittens die Einbeziehung der IT-Verantwortlichen. Betriebsoptimierung der Kühlung betrifft die IT-Ausstattung direkt. Die IT-Verantwortlichen müssen informiert sein und die Möglichkeit haben, Einwände zu äussern. In vielen Organisationen ist die Kommunikation zwischen Facility Management und IT-Betrieb unzureichend. Das ist ein organisatorisches Risiko, das durch technische Massnahmen allein nicht behoben werden kann.

Viertens die Dokumentation jeder Änderung. Wer hat was wann geändert, mit welcher Begründung und mit welchem Ergebnis? Diese Dokumentation ist nicht nur für die interne Nachvollziehbarkeit wichtig, sondern auch für den Fall, dass ein Problem auftritt und die Ursache gesucht werden muss. Wie man Betriebsoptimierungen prüfsicher dokumentiert, haben wir im Beitrag «Betriebsoptimierung dokumentieren: So wird der Nachweis prüfsicher» beschrieben.

Ein weiteres Risiko, das in der Praxis unterschätzt wird, ist die Redundanz. Wenn eine Kühleinheit während der Optimierungsarbeiten ausfällt, muss die verbleibende Kapazität ausreichen, um die IT-Last zu versorgen. Ob die Redundanz im Bestand noch der ursprünglichen Auslegung entspricht, ist eine Frage, die vor jeder Optimierungsmassnahme beantwortet werden sollte. Wir behandeln dieses Thema ausführlich in Teil 4 dieser Serie, im Beitrag «Ist N+1 noch N+1? Redundanz im Bestand prüfen».

Priorisierung: Wo anfangen?

Die beschriebenen Massnahmen haben unterschiedliche Aufwände und unterschiedliche Wirkungen. Eine sinnvolle Priorisierung orientiert sich an drei Kriterien: dem Aufwand der Umsetzung, dem erwarteten Nutzen und dem Risiko der Massnahme.

Blindplatten und die Bereinigung des Doppelbodens sind in der Regel schnell umzusetzen, kostengünstig und mit geringem Risiko verbunden. Sie sollten immer am Anfang stehen, weil sie die Grundlage für alle weiteren Massnahmen legen.

Die Überprüfung und Anpassung der Umschaltlogik für die freie Kühlung ist ebenfalls oft ohne grosse Investitionen möglich und kann einen erheblichen Effekt haben, insbesondere wenn die Anlage schon länger nicht überprüft wurde.

Die Sollwertanhebung erfordert mehr Vorbereitung und Beobachtung, ist aber in den meisten Fällen ohne Hardwareänderungen möglich. Sie sollte erst nach der Bereinigung der Luftführung angegangen werden.

Die Nachrüstung von Frequenzumrichtern ist die aufwendigste Massnahme und erfordert eine sorgfältige Planung. Sie lohnt sich besonders dort, wo grosse Antriebe mit hohen Betriebsstunden vorhanden sind und wo die Regelstrategie klar definiert werden kann.

Der EU Code of Conduct for Data Centre Energy Efficiency empfiehlt, Massnahmen nach ihrem Kosten-Nutzen-Verhältnis zu priorisieren und dabei auch die Wechselwirkungen zwischen den Massnahmen zu berücksichtigen. Das ist ein Hinweis, der in der Praxis wichtig ist: Eine Massnahme, die allein wenig bringt, kann in Kombination mit einer anderen Massnahme deutlich wirksamer sein.

Der rote Faden zu unseren Fachbeiträgen

Dieser Artikel ist Teil 3 der Serie «Rechenzentrum im Bestand: Analyse, Optimierung, Sicherheit». Teil 1, «Leittechnik-Check im bestehenden Rechenzentrum», zeigt, wie man den Zustand der Leittechnik systematisch erhebt. Teil 2, «Was die Trenddaten über Ihre Kühlung verraten», erklärt, wie man aus den vorhandenen Betriebsdaten die richtigen Schlüsse zieht. Teil 4, «Ist N+1 noch N+1? Redundanz im Bestand prüfen», behandelt die Frage, ob die Redundanz der Kühlung noch der Auslegung entspricht, eine Frage, die vor jeder Optimierungsmassnahme beantwortet sein sollte.

Aus der Serie «Leittechnik im Rechenzentrum» ist besonders Teil 3, «PUE richtig messen nach EN 50600», relevant, weil er die Messmethodik beschreibt, auf der die Erfolgskontrolle der hier beschriebenen Massnahmen beruht. Teil 4 derselben Serie, «Abwärme aus dem Rechenzentrum nach MuKEn Art. 1.18», zeigt, wie die Abwärme, die durch eine effizientere Kühlung entsteht, sinnvoll genutzt werden kann.

Wer die Betriebsoptimierung nicht nur im Rechenzentrum, sondern im gesamten Gebäudeportfolio angehen will, findet in unseren Beiträgen «Betriebsoptimierung Kälte: Teillast, Free Cooling und Rückkühlung» und «Betriebsoptimierung dokumentieren: So wird der Nachweis prüfsicher» weitere Grundlagen.

Fazit

Betriebsoptimierung der Kühlung im laufenden Rechenzentrum ist möglich, aber sie erfordert Struktur. Die Reihenfolge der Massnahmen ist nicht beliebig: Luftführung bereinigen, dann Sollwerte anheben, dann freie Kühlung verlängern, dann Antriebe optimieren. Jeder Schritt beginnt mit einer Messung und endet mit einer Messung. Jeder Schritt hat eine definierte Rückfallebene.

Die wirksamsten Massnahmen sind oft die einfachsten: Blindplatten einbauen, Kabelöffnungen schliessen, Umschaltlogik überprüfen. Sie kosten wenig, bringen schnell Ergebnisse und legen die Grundlage für weitergehende Optimierungen. Wer diese Grundlagen überspringt und direkt mit Sollwertverschiebungen beginnt, riskiert, die Wirkung seiner Massnahmen falsch einzuschätzen und im Problemfall keine klare Ursache benennen zu können.

Der PUE ist das Mass für den Erfolg. Er verbessert sich nicht durch eine einzelne Massnahme, sondern durch ein konsequentes, dokumentiertes Vorgehen über mehrere Schritte. Wer diesen Weg geht, schafft nicht nur Energieeinsparungen, sondern auch eine bessere Grundlage für den Betrieb und für künftige Entscheide.

Sie haben Fragen dazu?

Sie möchten wissen, wo in Ihrer Kühlungsanlage die grössten Optimierungspotenziale liegen, und wie Sie diese ohne Risiko für die Verfügbarkeit erschliessen können? Wir begleiten Sie von der ersten Bestandsaufnahme bis zur dokumentierten Massnahmenumsetzung. Nehmen Sie Kontakt auf über wenget.ch oder info@wenget.ch.

Quellenverzeichnis

• EN 50600-4-2: Informationstechnik, Einrichtungen und Infrastrukturen für Rechenzentren, Teil 4-2: Power Usage Effectiveness (PUE), Kennzahl und Messverfahren
• EN 50600-2-3: Informationstechnik, Einrichtungen und Infrastrukturen für Rechenzentren, Teil 2-3: Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Luftqualität)
• ASHRAE TC 9.9: Thermal Guidelines for Data Processing Environments, empfohlener Zulufttemperaturbereich und Geräteklassen
• EU Code of Conduct for Data Centre Energy Efficiency, Best Practices Guidelines (aktuelle Ausgabe), European Commission Joint Research Centre
• ISO/IEC 30134-2: Information technology, Data centres key performance indicators, Part 2: Power Usage Effectiveness (PUE)
• Eigene Projekterfahrung der WENGET GmbH aus Betriebsanalysen, Kühlungsoptimierungen und Leittechnikprüfungen in bestehenden Rechenzentren