Was die Trenddaten über Ihre Kühlung verraten

Wer ein Rechenzentrum betreibt, hat in der Regel eine Leittechnik, die Temperaturen, Ventilstellungen, Verdichterleistungen und Betriebsstunden aufzeichnet. Diese Daten liegen vor, oft seit Jahren. Trotzdem werden sie selten systematisch ausgewertet. Die meisten Betreiber schauen auf Alarme und auf den aktuellen Betriebszustand, aber nicht auf die Muster, die sich über Wochen und Monate in den Trenddaten abzeichnen.

Genau dort liegt ein erhebliches Potenzial. Zuluft- und Rücklufttemperaturen, Temperaturspreizung, Freikühlstunden und Teillastverhalten lassen sich in den meisten bestehenden Anlagen ohne neue Sensoren auswerten. Dieser zweite Teil der Serie zeigt, welche Auswertungen aussagekräftig sind, welche Muster auf Probleme hinweisen und wie man die Analyse strukturiert angeht.

Was die Leittechnik aufzeichnet und was davon nützlich ist

Moderne Kältemaschinen, Präzisionsklimaanlagen und Rückkühler liefern eine Vielzahl von Messwerten. Nicht alle sind für eine Trendanalyse gleich wertvoll. Entscheidend ist, welche Grössen tatsächlich mit ausreichender Auflösung und Regelmässigkeit aufgezeichnet werden.

In vielen bestehenden Anlagen sind Trendaufzeichnungen vorhanden, aber nicht gepflegt. Typische Probleme: Die Aufzeichnungsintervalle sind zu gross gewählt, sodass kurze Ereignisse nicht sichtbar werden. Oder die Daten werden nach wenigen Wochen überschrieben, weil der Speicher begrenzt ist. Manchmal sind Trendlisten zwar angelegt, aber seit Jahren nicht mehr abgerufen worden.

Der erste Schritt einer Analyse ist deshalb immer die Prüfung der Trendkonfiguration selbst. Welche Datenpunkte werden aufgezeichnet? In welchem Intervall? Wie weit reicht die Historie zurück? Und sind die aufgezeichneten Werte plausibel, oder gibt es Lücken, Sprünge oder offensichtliche Sensorfehler? Erst wenn diese Grundlage stimmt, lohnt sich die eigentliche Auswertung. Wie eine solche Bestandsaufnahme der Leittechnik strukturiert wird, beschreiben wir in Teil 1 dieser Serie, «Leittechnik-Check im bestehenden Rechenzentrum».

Für die Kühlungsanalyse sind folgende Grössen besonders aussagekräftig: die Zulufttemperatur in den Serverraum, die Rücklufttemperatur aus dem Serverraum, die Vorlauf- und Rücklauftemperatur des Kälteträgers, die Betriebszustände der Kältemaschinen und Freikühlstufen sowie die Ventilstellungen und Lüfterleistungen der Klimaeinheiten.

Zulufttemperatur: der häufigste Fehler liegt im Sollwert

Die Zulufttemperatur ist der zentrale Regelgrösse der Rechenzentrumskühlung. ASHRAE TC 9.9 empfiehlt für den empfohlenen Bereich eine Zulufttemperatur zwischen 18 und 27 Grad Celsius. Viele bestehende Anlagen laufen mit Sollwerten deutlich unterhalb dieses Bereichs, häufig bei 16 oder sogar 14 Grad Celsius.

Warum ist das ein Problem? Weil jeder Grad, um den die Zuluft kälter als nötig ist, die Kältemaschine auf einem ungünstigeren Betriebspunkt zwingt. Die Verdampfungstemperatur sinkt, der Verdichter muss mehr Arbeit leisten, und der Wirkungsgrad verschlechtert sich. Gleichzeitig steigt das Risiko von Kondensation an kalten Oberflächen, und die Temperaturspreizung zwischen Zu- und Rückluft wird kleiner, was auf Bypass-Strömungen hinweisen kann.

Wenn man die Zulufttemperatur über mehrere Wochen als Trendkurve betrachtet, zeigen sich oft charakteristische Muster. Eine Kurve, die dauerhaft am unteren Anschlag liegt und kaum variiert, deutet darauf hin, dass der Sollwert zu tief gewählt ist und die Anlage ständig auf Volllast kühlt. Eine Kurve mit starken Schwankungen kann auf ein Regelungsproblem hinweisen, auf Pendeln zwischen Heiz- und Kühlbetrieb oder auf eine zu aggressive Regelparametrierung.

Wichtig ist dabei, die Zulufttemperatur nicht nur am Gerät zu messen, sondern möglichst nah an den tatsächlichen Einlassöffnungen der Server. Wer nur die Geräteaustrittstemperatur kennt, sieht nicht, was nach dem Mischraum passiert. EN 50600-2-3 gibt Hinweise zu den Umgebungsbedingungen und zur Messpunktlage, die bei einer Analyse berücksichtigt werden sollten.

Temperaturspreizung: was eine kleine Differenz verrät

Die Temperaturspreizung zwischen Zuluft und Rückluft ist ein einfacher, aber sehr aussagekräftiger Indikator. In einem gut ausgelegten Serverraum nimmt die Luft auf dem Weg durch die IT-Last Wärme auf. Die Rückluft ist entsprechend wärmer als die Zuluft. Eine typische Spreizung liegt je nach Lastdichte und Raumgeometrie im Bereich von mehreren Grad Celsius.

Eine sehr kleine Spreizung, also Zuluft und Rückluft fast auf gleichem Temperaturniveau, ist ein Warnsignal. Sie bedeutet, dass ein erheblicher Teil der gekühlten Luft nicht durch die IT-Last fliesst, sondern direkt vom Kaltgang in den Warmgang zurückströmt, ohne Wärme aufgenommen zu haben. Man spricht von Bypass-Strömung oder Kurzschlussströmung. Die Kältemaschine kühlt Luft, die keine Wärme transportiert, und muss deshalb mehr Luftmenge umwälzen, um die gleiche Kühlleistung zu erbringen.

Bypass-Strömungen entstehen durch fehlende oder beschädigte Kaltgang-Einhausungen, durch nicht belegte Rack-Einschübe ohne Blindplatten, durch Kabelöffnungen im Doppelboden oder durch eine ungünstige Aufstellung der Klimaeinheiten. Wenn die Trenddaten eine dauerhaft kleine Spreizung zeigen, lohnt sich eine Begehung mit gezielter Suche nach diesen Leckagen. Die Massnahmen sind oft einfach und günstig, die Wirkung aber erheblich.

Eine sehr grosse Spreizung kann dagegen auf eine Unterkühlung oder auf eine zu geringe Luftmenge hinweisen. Auch hier hilft der Trendvergleich über verschiedene Lastszenarien.

Freikühlstunden: wie viel kostenlose Kälte nutzen Sie wirklich?

Freikühlung, also die direkte oder indirekte Nutzung der Aussenluft zur Kühlung ohne mechanischen Kälteprozess, ist in der Schweiz ein erhebliches Potenzial. Die Anzahl der Stunden, in denen Freikühlung möglich ist, hängt vom Standort, von der Aussentemperatur und vom gewählten Zuluft-Sollwert ab. Je höher der Sollwert, desto mehr Stunden im Jahr ist Freikühlung möglich.

Viele bestehende Anlagen haben Freikühlstufen, die aber selten genutzt werden. Die Ursachen sind vielfältig: Der Sollwert ist zu tief, sodass die Aussentemperatur fast nie tief genug ist, um Freikühlung auszulösen. Oder die Freikühlstufe ist zwar vorhanden, aber die Umschaltlogik ist nicht korrekt parametriert. Oder die Anlage schaltet zwar auf Freikühlung, aber gleichzeitig läuft die Kältemaschine weiter, weil die Regelung nicht sauber entkoppelt ist.

Die Auswertung der Freikühlstunden aus den Trenddaten ist einfach: Man vergleicht die Betriebszustände der Kältemaschinen mit der Aussentemperatur über das Jahr. Wenn die Kältemaschine auch bei tiefen Aussentemperaturen durchgehend läuft, fehlt entweder die Freikühlstufe oder sie wird nicht genutzt. Wenn die Freikühlstunden deutlich unter dem standortüblichen Potenzial liegen, lohnt sich eine Überprüfung der Sollwerte und der Umschaltlogik.

Dieser Zusammenhang zwischen Freikühlpotenzial und Zuluft-Sollwert ist auch ein zentrales Argument für eine vorsichtige Anhebung des Sollwerts, sofern die IT-Last und die Raumgeometrie das erlauben. Wie eine solche Optimierung ohne Risiko für die Verfügbarkeit durchgeführt wird, beschreiben wir in Teil 3 dieser Serie, «Betriebsoptimierung der Kühlung ohne Risiko für die Verfügbarkeit».

Teillastverhalten: wann die Anlage ineffizient wird

Kältemaschinen und Klimaeinheiten sind auf einen bestimmten Lastbereich ausgelegt. Im Teillastbetrieb, also wenn die tatsächliche Kühllast deutlich unter der Auslegungsleistung liegt, kann der Wirkungsgrad erheblich schlechter sein als im Nennbetrieb. Das gilt besonders für ältere Anlagen mit fixer Verdichterleistung.

In vielen Rechenzentren ist die IT-Last über den Tag und über das Jahr nicht konstant. Nachts und am Wochenende sinkt die Last, die Kühlung läuft aber oft auf demselben Sollwert weiter. Wenn die Trenddaten zeigen, dass die Kältemaschine auch bei geringer Last ständig taktet, also ein- und ausschaltet, ist das ein Hinweis auf eine zu grosse Auslegung oder auf eine fehlende Teillastoptimierung.

Moderne Anlagen mit drehzahlgeregelten Verdichtern und Lüftern können das Teillastverhalten deutlich verbessern. Aber auch bei bestehenden Anlagen gibt es Möglichkeiten: Stufenschaltung mehrerer Kältemaschinen, Anpassung der Sollwerte in Abhängigkeit von der Last oder eine Nachtabsenkung der Kühlleistung. Voraussetzung ist, dass die Trenddaten das Lastprofil über einen repräsentativen Zeitraum zeigen.

Ein weiteres Muster, das im Teillastbereich auftritt, ist das gleichzeitige Heizen und Kühlen. Das klingt absurd, kommt aber in der Praxis vor. Eine Klimaeinheit kühlt, eine andere heizt nach, weil die Regelung der einzelnen Geräte nicht koordiniert ist. In den Trenddaten zeigt sich das als gleichzeitig aktive Heiz- und Kühlsignale in benachbarten Einheiten. Die Energie für beide Vorgänge wird verbraucht, ohne dass ein Nettoeffekt entsteht. Dieses Muster ist einer der häufigsten und vermeidbarsten Energieverluste in bestehenden Rechenzentren.

Pendeln und Instabilität: wenn die Regelung kämpft

Ein weiteres Muster, das in Trenddaten sichtbar wird, ist das Pendeln der Regelgrössen. Die Zulufttemperatur schwankt rhythmisch um den Sollwert, die Ventilstellungen wechseln ständig zwischen offen und geschlossen, oder die Kältemaschine taktet in kurzen Intervallen. Solches Pendeln ist ein Zeichen dafür, dass die Regelung nicht stabil arbeitet.

Ursachen können falsch eingestellte Regelparameter sein, zu kurze Totzeiten, eine zu aggressive Proportionalverstärkung oder ein Integralanteil, der zu schnell reagiert. Manchmal liegt das Problem aber auch in der Hydraulik: Wenn das Kälteträgersystem hydraulisch nicht abgeglichen ist, reagiert die Anlage auf Sollwertänderungen unvorhersehbar, und die Regelung kann nicht stabil arbeiten.

Pendeln ist nicht nur ein Komfortproblem. Es erhöht den Verschleiss an Ventilen, Verdichtern und Lüftern und kann die Lebensdauer der Anlage verkürzen. Ausserdem verbraucht eine pendelnde Anlage mehr Energie als eine stabile, weil sie ständig zwischen verschiedenen Betriebspunkten wechselt.

Wenn die Trenddaten Pendeln zeigen, ist eine Überprüfung der Regelparameter der nächste Schritt. Das ist in vielen Fällen eine reine Softwareanpassung ohne Hardwareeingriff. Voraussetzung ist allerdings, dass die Regelparameter zugänglich und dokumentiert sind, was in älteren Anlagen nicht immer der Fall ist.

Wie man die Analyse strukturiert angeht

Eine Trendanalyse der Kühlung ist kein einmaliges Ereignis, sondern ein strukturierter Prozess. Wir empfehlen folgende Schritte.

Schritt 1: Datenverfügbarkeit prüfen

Bevor man auswertet, muss man wissen, was vorhanden ist. Welche Datenpunkte sind aufgezeichnet? Wie weit reicht die Historie? Sind die Daten vollständig und plausibel? Dieser Schritt dauert je nach Anlage einige Stunden, ist aber unverzichtbar.

Schritt 2: Repräsentativen Zeitraum wählen

Eine Analyse über eine Woche zeigt andere Muster als eine über ein Jahr. Für die Beurteilung des Freikühlpotenzials braucht man mindestens einen vollständigen Jahreszyklus. Für die Erkennung von Pendelverhalten reichen oft wenige Tage. Für das Teillastverhalten ist ein Zeitraum sinnvoll, der verschiedene Lastsituationen abdeckt.

Schritt 3: Kennwerte berechnen und visualisieren

Aus den Rohdaten werden Kennwerte berechnet: mittlere Zulufttemperatur, mittlere Spreizung, Freikühlstunden pro Monat, Takthäufigkeit der Kältemaschinen. Diese Kennwerte werden als Zeitreihen und als Häufigkeitsverteilungen dargestellt. Erst die Visualisierung macht Muster sichtbar, die in Zahlentabellen verborgen bleiben.

Schritt 4: Muster identifizieren und bewerten

Die identifizierten Muster werden bewertet: Welche sind kritisch für die Verfügbarkeit? Welche sind primär energetisch relevant? Welche lassen sich ohne Eingriff in die Hardware beheben? Diese Priorisierung ist wichtig, weil nicht alle Massnahmen gleichzeitig umgesetzt werden können und weil die Verfügbarkeit immer Vorrang hat.

Schritt 5: Massnahmen ableiten und dokumentieren

Jedes identifizierte Muster führt zu einer konkreten Massnahme oder zumindest zu einer Empfehlung für weitere Untersuchungen. Die Dokumentation ist wichtig, damit die Analyse nicht im Schubladenprojekt endet, sondern in einen Optimierungsprozess mündet.

Was die Analyse nicht ersetzen kann

Eine Trendanalyse aus der Leittechnik ist mächtig, aber sie hat Grenzen. Sie zeigt, was die Sensoren messen, nicht was tatsächlich an den Servern ankommt. Wenn Sensoren falsch positioniert, falsch kalibriert oder ausgefallen sind, führt die Analyse zu falschen Schlüssen.

Deshalb gehört zur vollständigen Beurteilung immer auch eine Begehung des Serverraums. Hotspots, Bypass-Strömungen und Kabelöffnungen im Doppelboden sind oft mit einfachen Mitteln sichtbar zu machen, aber nicht aus den Trenddaten allein. Die Kombination aus Datenanalyse und Vor-Ort-Begehung ergibt ein vollständiges Bild.

Ausserdem ersetzt die Trendanalyse keine Redundanzprüfung. Ob die Kühlung bei Ausfall einer Einheit noch ausreichend ist, lässt sich aus dem Normalbetrieb nicht ablesen. Diese Frage behandeln wir in Teil 4 dieser Serie, «Ist N+1 noch N+1? Redundanz im Bestand prüfen».

Und schliesslich: Die Trendanalyse zeigt Muster, aber sie erklärt nicht immer deren Ursachen. Manchmal braucht es zusätzliche Messungen, hydraulische Überprüfungen oder eine Überprüfung der Regelparameter, um die Ursache eines Musters sicher zu identifizieren.

Der rote Faden zu unseren Fachbeiträgen

Dieser Artikel baut auf Teil 1 dieser Serie auf, «Leittechnik-Check im bestehenden Rechenzentrum», der beschreibt, wie man den Zustand der Leittechnik insgesamt beurteilt und welche Grundlagen für eine Analyse vorhanden sein müssen.

Die Erkenntnisse aus der Trendanalyse führen direkt zu Teil 3, «Betriebsoptimierung der Kühlung ohne Risiko für die Verfügbarkeit», der zeigt, wie man auf Basis der Analyseergebnisse Sollwerte und Regelparameter anpasst, ohne die Verfügbarkeit zu gefährden.

Wer die Redundanz der Kühlung beurteilen möchte, findet die passende Methodik in Teil 4, «Ist N+1 noch N+1? Redundanz im Bestand prüfen».

Für das Verständnis, wie Trendaufzeichnungen in BACnet-Anlagen technisch funktionieren und wie sie korrekt konfiguriert werden, empfehlen wir den Artikel «BACnet Objekte verstehen, Teil 4: Trend Log und Trend Log Multiple. Wie BACnet Betriebsdaten sichert» aus unserer BACnet-Objektserie. Wer wissen möchte, wie Trending, Alarming und Scheduling in der Planung berücksichtigt werden müssen, findet dazu den Artikel «Trending, Alarming & Scheduling: Die drei Betriebsfunktionen, die oft vergessen werden».

Wer die Kühlungsanalyse in einen breiteren energetischen Kontext stellen möchte, findet in «Betriebsoptimierung Kälte: Teillast, Free Cooling und Rückkühlung» und in «Einsparpotenziale lesen und priorisieren: was die Monitoring-Daten wirklich zeigen» weitere Grundlagen.

Und wer die Frage stellt, wie der PUE korrekt gemessen und berechnet wird, findet die Antwort in «PUE richtig messen nach EN 50600» aus unserer Serie «Leittechnik im Rechenzentrum».

Fazit

Die Daten für eine fundierte Kühlungsanalyse sind in den meisten bestehenden Rechenzentren vorhanden. Sie werden nur selten systematisch ausgewertet. Zulufttemperatur, Temperaturspreizung, Freikühlstunden und Teillastverhalten lassen sich aus der bestehenden Leittechnik ablesen, ohne neue Sensoren zu installieren.

Die häufigsten Muster, die wir in der Praxis sehen, sind zu tiefe Sollwerte, kleine Spreizungen durch Bypass-Strömungen, kaum genutzte Freikühlstufen, gleichzeitiges Heizen und Kühlen sowie Pendelverhalten durch falsch eingestellte Regelparameter. Jedes dieser Muster hat eine konkrete Ursache und eine konkrete Massnahme.

Der erste Schritt ist immer die Prüfung der Trendkonfiguration. Erst wenn klar ist, was aufgezeichnet wird und wie weit die Historie reicht, kann die eigentliche Analyse beginnen. Dieser Schritt kostet wenig Zeit und liefert oft überraschende Erkenntnisse.

Sie haben Fragen dazu?

Sie möchten wissen, was die Trenddaten Ihrer Kühlung verraten, oder Sie sind unsicher, ob Ihre Trendkonfiguration überhaupt eine sinnvolle Analyse erlaubt? Wir schauen gemeinsam mit Ihnen in die Daten und zeigen, wo die grössten Hebel liegen. Schreiben Sie uns unter info@wenget.ch oder besuchen Sie wenget.ch.

Quellenverzeichnis

• ASHRAE TC 9.9: Thermal Guidelines for Data Processing Environments (empfohlener Zulufttemperaturbereich 18 bis 27 °C)
• EN 50600-2-3: Informationstechnik, Einrichtungen und Infrastrukturen von Rechenzentren, Teil 2-3: Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Messpunktlage)
• EN 50600-4-2: Informationstechnik, Einrichtungen und Infrastrukturen von Rechenzentren, Teil 4-2: Power Usage Effectiveness (PUE) als Kennzahl
• Eigene Projekterfahrung der WENGET GmbH aus Leittechnik-Analysen, Kühlungsoptimierungen und Betriebsbegleitung in Rechenzentren im Bestand