Kühlung von Servern / Computern mit Außenluft
Computer und andere elektronische Anlagen erzeugen bei Last Wärme, die abgeführt werden muss. Denn die einzelnen Bauteile wie zum Beispiel Prozessoren und elektrische Widerstände reagieren äußerst empfindlich auf Wärme: hohe Betriebstemperaturen machen die Elektronik anfällig für Fehler und zerstören sie. Mit zunehmender Außentemperatur steigt diese Gefahr an.
Zudem altern elektronische Bauteile bei höheren Temperaturen wesentlich schneller als bei Idealtemperatur. So verkürzt sich z.B. die Lebensdauer von Transistoren laut Herstellerangabe von 125.00 Stunden bei 57 ° C auf unter 25.000 Stunden bei 80 °C!
Um die Temperaturen für Server, Computer und anderes wertvolles elektronische Equipment in Bereichen zu halten, die eine einwandfreie Funktion gewährleisten, ist die Kühlung mit Splitgeräten, bei denen das Außenteil außerhalb der Gebäudehülle angebracht ist, eine probate, aber auch sehr kosten- und energieaufwändige Möglichkeit.
Kostengünstiger in Hinsicht auf Anschaffung und Folgekosten geht es in jedem Fall mittels Zu- und Abluftventilatoren, mit denen die entstehende Wärme abgeführt und frische, kühlere Luft zugeführt wird. Selbst große Rechenzentren mit hoher Leistungsdichte gehen mittlerweile dazu über, diese Art der Kühlung als Basiskühlung anzuwenden - resourcenschonend und nur mit ca. 1/3 der Betriebskosten erheblich günstiger als Klimatisierung mittels Kältemittel.
Zur Auslegung und Dimensionierung der Ventilatoren werden folgende Informationen benötigt:
Wärmeabgabe [Watt]
Die thermische Wärmeabgabe der elektronischen Geräte (Watt). Hier kann man meist davon ausgehen, dass unter Last die max. Wattangabe auf dem Typenschild eines Computers, eines Monitors oder sonstiger elektronischer oder elektrischer Geräte auch in etwa der abgegebenen Wärmelast entspricht.
Maximal zulässige Umgebungstemperatur für das elektronische Gerät
Diese Angabe kann der Hersteller des Computers oder des elektronischen Gerätes liefern. In der Praxis liegt diese meist zwischen 45 und 50° C. Transistoren und CPUs erreichen bei herkömmlichen elektronischen Geräten bei einer Umgebungstemperatur von 50°C schnell über 100° C. Hier gilt: Je kühler, desto besser.
Maximale Temperatur der zugeführten Außenluft
Sinnvoll ist es, Außenluft der kühlsten Seite des Gebäudes, z.B. an der Nordseite, anzusaugen. Selbst im Hochsommer herrschen hier selten Temperaturen von über 33° C. Auch aus einem kühlen Kellerbereich kann die Luft angesaugt werden. Doch Vorsicht! Der dadurch im Keller entstehende Unterdruck lässt warme, feuchte Luft von Außen nachströmen und erwärmt langfristig die Kellerräume. Dies sollte in der Planung berücksichtigt werden.
An folgendem Beispiel soll die Auslegung verdeutlicht werden:
Ein Server steht in einem kleinen, separaten Raum und soll vor dem Hitzetod bewahrt werden.
Das Netzteil, das den Computer mit Spannung versorgt, hat eine elektrische Leistung von 500 Watt.
Da die elektrische Energie auch zum Großteil in Wärmeenergie umgewandelt wird, kann die Wärmeleistung von 500 Watt zugrund gelegt werden.
Der Hersteller nennt für den Server eine maximale Umgebungstemperatur von 50° C. Hierbei erreicht z.B. die CPU bei Volllast eine Temperatur von ca. 90° C.
An der kühlen Nordseite wurde im Hochsommer eine maximale Lufttemperatur von 30 ° C gemessen.
Aus diesen Werten ermittelt sich das Delta-T, nämlich der maximale Unterschied zwischen der Zuluft und der maximal zulässigen Umgebungstemperatur. In unserem Fall sind dies 50° - 30° = 20 °K (Differenzen bei Temperaturen werden in Kelvin (K) angegeben).
Im nachfolgenden Auslegungsdiagramm gehen wir am linken Rand bei 500 Watt Wärmeabgabe nach rechts, bis wir die diagonale, nach rechts oben verlaufende Linie (Delta T 20 °K) kreuzen. Von diesem Punkt wird senkrecht nach unten die erforderliche Luftmenge zur Wärmeableitung abgelesen. In unserem Beispiel sind dies 80 m³/h. Dem Server muss ein Ventilator als stündlich 80 m³ zufächern, um die entstehende, überschüssige Wärme abzuleiten.
Um zu verdeutlichen, wie sich die erforderliche Luftmenge bei einer höheren Zulufttemperatur steigt, haben wir für unser o.g. Beispiel noch den Vektor für den Fall eingezeichnet, wenn die Zuluft von der wärmeren Westseite zugeführt werden muss, an der an heissen Tagen im Hochsommer ca. 40°C im Maximum herrscht. Dann reduziert sich das Delta T auf 10°K und die erforderliche Luftmenge steigt auf ca. 160 m³/h!