Modulares Rechenzentrums-Containment-System: Leitfaden für Engineering und Integration

Warum ein modulares Rechenzentrums-Containment-System mehr als nur physische Barrieren benötigt

Ein modulares Data-Center-Containment-System besteht aus mehr als nur Dachplatten, Türen und Seitenbarrieren. Sein Hauptziel ist die Steuerung des Zuluftstroms zu IT-Ausrüstung sowie der Rückführung warmer Abluft zu den Kühleinrichtungen. Eine unzureichende Steuerung kann dazu führen, dass kalte Luft die IT-Ausrüstung umgeht und/oder warme Abluft mit der Zuluft vermischt wird. Dadurch können sich an einzelnen Geräteracks Hotspots bilden, während das gesamte Data Center möglicherweise weiterhin ausreichend gekühlt wird. Bei der Planung modularer Data Centers muss sämtliche Ausrüstung sorgfältig integriert werden, um sicherzustellen, dass sie innerhalb einer vorgegebenen Grundfläche Platz findet. Das modulare Data-Center-Containment-System sollte so konzipiert sein, dass es den Luftstrom von warmer und kalter Luft steuert und gleichzeitig Technikern des Data Centers Zugang zur Ausrüstung für Verkabelungsarbeiten, Geräteauswechslung und Wartung ermöglicht. Das System sollte zudem im Notfall den Zugang für Ersthelfer erleichtern. Das Containment ist so zu gestalten, dass es optimal mit dem tatsächlichen Luftstrom, den Abmessungen der Serverracks, der Anordnung der Ausrüstung sowie der Positionierung der Kühleinheiten harmoniert. ZTMMDC ist ein Hersteller modularer Data Centers, der in seinen Data-Center-Konzepten Hot-Aisle- oder Cold-Aisle-Containment einsetzt. ZTMMDC integriert diese Containment-Systeme mit anderen Elementen modularer Data Centers wie Racks, Kühlung, Stromverteilung, Brandunterdrückung sowie Steuerungs- und Überwachungssystemen. Dieses Unternehmen ’sein Ansatz ist vorteilhaft, wenn modulare Rechenzentrumsdesigns Platzbeschränkungen aufweisen und flexibel sein müssen, um die Rechenkapazität zu erweitern.

Er hängt von vielen Faktoren ab, darunter die Inbetriebnahme und der Betrieb des Systems. Dazu zählen die Montage der Dichtungen zwischen den Paneelen, das Gleichgewicht des Luftstroms und die Steuerung der Kühlung, die Anordnung der Geräte sowie die Art und Weise, wie das System betrieben wird. Ziel ist es, eine stabile, vorhersagbare thermische Umgebung zu schaffen – im Gegensatz dazu, lediglich eine Reihe von Racks einzuschließen.

Konstruktionsdesign, Abdichtung der Paneele und praktische Installationsdetails

Die Konstruktion eines modularen Data-Center-Containment-Systems erfordert die Berücksichtigung zahlreicher Faktoren jenseits des Gewichts der Paneele. Ingenieure müssen die Positionierung der Stützstellen, die Bewegung der Türen, die Ausrichtung der Paneele, Öffnungen für Steuerungen und Kabel, die während Installation und Wartung entstehenden Lasten, oberhalb angebrachte sowie aufgehängte Paneele und Komponenten sowie die Wartungsfreundlichkeit der Scharniere und Verriegelungen von Zugangspaneelen berücksichtigen. Seismische Bedingungen und besondere Brandschutzanforderungen erfordern eine gründlichere Prüfung der Struktur, der Verbindungen, der Stützen sowie der Konfiguration des Containment-Systems. Es gibt keine einzige Containment-Konfiguration, die sämtliche Standortanforderungen erfüllt. Daher müssen Ingenieure Lücken und Schnittstellen an der Decke, der Umhüllung sowie an den Oberseiten und Enden der Geräteracks analysieren.

Undichte Öffnungen ermöglichen das Mischen von Abluft und Zuluft, wodurch die Wirksamkeit der Abschottung verringert wird. Das Blockieren erforderlicher Lüftungseinrichtungen sowie des Zugangs für Wartung und Gebäudesicherheitssysteme ist unzulässig. Die Abwägung dieser konkurrierenden Anforderungen erfordert die Einbindung des Abschottungslieferanten, der Kälte- und Elektroingenieure, des Brandschutzingenieurs sowie weiterer Stakeholder in die Entwurfsprüfung. Bei einem werkseitig integrierten modularen Rechenzentrum können einige dieser Schnittstellen bereits vor dem Versand bewertet werden, was dazu beiträgt, vor Ort improvisierte Änderungen zu reduzieren.

Das Abschließsystem des modularen Rechenzentrums muss vor der Installation der Racks am Einsatzort auf Durchgängigkeit der Dichtung, Funktionstüchtigkeit der Türen, Ausrichtung und Befestigung der Paneele sowie Integrität der Dichtungen usw. geprüft werden. Die endgültige Konfiguration der Racks muss mit den Brandschutz- und anderen baulichen Sicherheitssystemen abgestimmt sein. Es ist vorsichtiger anzunehmen, dass eine Sammlung einzelner, miteinander verbundener und integrierter Komponenten nicht automatisch gewährleistet, dass das Gesamtsystem die Anforderungen erfüllt.

Luftstromanalyse und CFD zur Identifizierung thermischer Risiken vor der Inbetriebnahme

CFDIM umfasst verschiedene Werkzeuge zur Simulation und Optimierung von Systemen, darunter auch Kaltgange in Rechenzentren. Mit diesen Werkzeugen können Ingenieure ermitteln, wo sich Hotspots am wahrscheinlichsten bilden und wie die Luftströmung im gesamten Rechenzentrum verteilt ist. Um genaue Ergebnisse zu erhalten, müssen Ingenieure bei der CFD-Simulation zahlreiche detaillierte Angaben eingeben. Wenn das Modell beispielsweise annimmt, dass die Wärmelasten über alle Racks hinweg gleichmäßig verteilt sind, in der realen Umgebung jedoch einige Racks mit einer hohen Dichte an Servern vorhanden sind, dann simuliert dieses Modell nicht korrekt das wahrscheinlichste Ausfallszenario. Mit CFD-Modellierung können Ingenieure realistische Szenarien wie Luftumgehung (air bypassing) oder teilweise bestückte Racks simulieren. Sie können sowohl die Luftströmung durch die Racks als auch die Luftströmung entlang der Zuluft- und Abluftwege bestimmen. Mithilfe dieser Werkzeuge können Ingenieure das System unter erwarteten Spitzenlastbedingungen bewerten und analysieren, was geschieht, falls eine Kühleinheit ausfällt. Diese Werkzeuge helfen dabei, die Stellen zu identifizieren, an denen sich „thermische“ Hotspots im Rechenzentrum bilden werden.

Das Kapitel im ASHRAE-Handbuch zu Rechenzentren und Telekommunikationseinrichtungen erläutert, dass CFD zur Vorhersage der Kühlleistung beitragen kann. Dies hängt jedoch von der Genauigkeit des CFD-Modells ab, mit dem der Raum sowie die Geräte, die die Luftströmung beeinflussen, abgebildet werden. Dies stellt eine entscheidende Einschränkung dar. Eine übermäßig komplexe und visuell detaillierte Simulation ist nicht zwangsläufig verlässlich, nur weil ein fortschrittliches Softwarepaket verwendet wird. Stellen Sie sich eine technische Überprüfung eines modularen Edge-Rechenzentrums vor: Zwei Racks im Rechenzentrum weisen deutlich höhere Wärmelasten als die übrigen Racks auf, und es wurde eine Abschottung (Containment) zur Behebung dieses Problems angefordert.

Nützliche Vergleiche sollten zwischen der Rack-Wärmekarte und der Platzierung der Kühleinheiten angestellt werden. Es sollte die Luftumwälzung in der Nähe der oberen Rackbereiche sowie in der Nähe der Zeilenenden analysiert werden. Es sollte geprüft werden, ob der Zuluftstrom die Server-Einlässe erreicht. Die Abschottung sollte anhand der prognostizierten Ergebnisse angepasst und während der Inbetriebnahme mit den gemessenen Ergebnissen verglichen werden. Wenn Temperatursensoren an repräsentativen Rack-Einlässen sowie Alarme der Kühleinheiten abgefragt werden, kann das Team bewerten, ob die modellierten Bedingungen die tatsächlichen Bedingungen widerspiegeln.

Integration von In-Row-Kühlung in die Abschottungsarchitektur

Die Enthaltung und Kühlung müssen als ein einziges thermisches Managementsystem integriert werden. Ein modulares Data-Center-Enthaltungssystem kann die Zuluft von der heißen Abluft trennen, berücksichtigt jedoch nicht unzureichende Kühllast, falsche Luftstromrichtung und schlecht gestaltete Regelungen. Die HM-Serie In-Row-Kühlung von ZTMMDC bringt Präzisionskühleinheiten zwischen Server-Racks an und verringert so die Strecke, die die Zuluft zurücklegen muss. Sie ist für mittlere bis hohe Dichte im Data-Center-Einsatz konzipiert und kann je nach gewähltem Modell entweder mit Direktverdampfung oder mit Kaltwasser konfiguriert werden. Die veröffentlichten Datenblätter weisen für die ZT-HM12R-bis-60R-Reihe einen Kühlleistungsbereich von 15 bis 62,6 kW und für die Kaltwasser-ZT-HM30RC-bis-80RC-Reihe einen Bereich von 32,9 bis 61,4 kW aus. Die tatsächliche Auswahl sollte von Modell, Betriebsbedingungen, Kühlbedarf und der erwarteten Wärmelast am Standort abhängen.

EC-Lüfter mit stufenloser Regelung und Wechselstromfrequenzkompressoren sind bei bestimmten Modellen verfügbar und werden mit einem 7-Zoll-Touchscreen geliefert. Diese Lüfter können über einen CAN-Bus für die Gruppensteuerung bis zu 32 Einheiten verbunden werden und verfügen über Funktionen für Diagnose und Service. Doppelte Stromversorgungen und Wasseraustrittssensoren sind als Optionen erhältlich. Die Geräte sind modular aufgebaut und können für Luftströmung von oben, vorne oder seitlich konfiguriert werden; die Konfiguration sollte jedoch auf der Luftansaugung und -abfuhr der Geräte sowie auf dem Anordnungskonzept der Umhüllung beruhen. Bei der Integration sind zudem die Positionierung der Kühleinheiten und die Abstimmung der Wartungsfreiräume unter Berücksichtigung des Kondensatmanagements sowie der elektrischen Anschlüsse, Sensoren und Steuerung zu berücksichtigen.

Die Ingenieure sollten ermitteln, wie das Kühlsystem auf Änderungen der IT-Last reagiert und ob das Überwachungssystem ungewöhnliche Einlass-Temperaturen sowie Kühlalarme erkennen und Kommunikationsstörungen identifizieren kann. Während einer Entwurfsprüfung würden die Ingenieure sicherstellen, dass Wartungsarbeiten an den Racks durchgeführt werden können, ohne angrenzende Geräte zu stören, und dass die Luftströmungspfade ausreichend sind. Das endgültige System sollte mittels Funktionsprüfungen und vor Ort erfolgender Inbetriebnahme validiert werden, anstatt davon auszugehen, dass das System wie vorgesehen mit nomineller Kühlleistung arbeitet.

Fabrikintegration, Inbetriebnahme und langfristige Leistungsverifikation

Ein zuverlässiges modulares Rechenzentrums-Containmentsystem sollte während der gesamten Phase von der Planung über die Werkintegration, den Versand bis hin zur Inbetriebnahme vor Ort bewertet werden. Während der Werkintegration sollte die Inspektion die Abmessungen der Paneelöffnungen und Befestigungselemente, die Ausrichtung der Scharniere und des Türverschlusses, die Zugangsfreiräume, die Schnittstellen für Sensoren und Kühleinheiten, die Kabelverlegung, die Übereinstimmung des montierten Layouts mit den genehmigten Zeichnungen sowie den Testbetrieb des Containments und der Kühlsysteme umfassen. Falls die Systeme als komplette Einheit geliefert werden, sollte der Prüfplan die Funktionen des Systems bewerten, die bereits vor dem Versand demonstriert werden können, sowie diejenigen, die von den örtlichen Gegebenheiten und dem Zustand der integrierten IT-Systeme abhängen. Grundlegende Kühl- und Steuerungsfunktionen können vor dem Versand getestet werden; die endgültige Raumtemperatur und die Luftstromverteilung hängen jedoch möglicherweise von den örtlichen Gegebenheiten ab. Nach der Installation sollte die Inbetriebnahme die Dichtungen der Paneele und den Türbetrieb, den Betrieb der Kühleinheiten sowie prüfen, ob die Einlasslufttemperatur der Racks innerhalb der für die IT-Ausrüstung festgelegten Grenzwerte liegt. Thermische Prüfungen sollten nach Möglichkeit durchgeführt und alle relevanten Betriebsbedingungen dokumentiert werden. Falls der Standort verschiedene Betriebsmodi aufweist, sollte die Inbetriebnahme unter den anspruchsvollsten Bedingungen erfolgen.

Das Uptime Institute beschreibt zentrale Strategien für das Management und die Optimierung von Kühlsystemen in Rechenzentren. Diese konzentrieren sich auf das Luftstrommanagement, die Überwachung und die Methodik. Sie sind relevant bei der Bewertung modularer Rechenzentren; obwohl ein gut konstruiertes modulares Rechenzentrum möglicherweise effizienter ist als eine herkömmliche Bauweise, gelten viele der gleichen Grundsätze weiterhin. Es empfiehlt sich zudem, Dokumentationen wie genehmigte Zeichnungen, Übersichten der Kühleinrichtungen, Prüfprotokolle, Sensorstandorte, Alarmeinstellungen und Wartungsanleitungen aufzubewahren.

Es gibt zahlreiche Beispiele aus der Praxis, bei denen die Annahme einer optimalen Systemleistung nach einer Änderung der Auslastung zu Problemen führte, die unmittelbar nach einem Austausch gegen ein anderes Rack offensichtlich wurden. Bei der Bewertung modularer Rechenzentren stellen eine konfigurationsspezifische, auf Containment basierende Anordnung des Kühlsystems sowie die zugehörige Begründung, die Dokumentation wesentlicher Komponenten, die Werksinspektionsprotokolle, die Inbetriebnahmeverfahren und eine klare Definition der Verantwortlichkeiten des Kunden die wertvollsten Nachweise dar, die der Lieferant bereitstellt. ZTMMDC die HM-Serie In-Row-Kühlung ist eines der Produkte, die bei Projekten mit Anforderungen an eine modulare, integrierte Rechenzentrums- und Kühllösung hilfreich sein können. In allen Fällen muss die tatsächliche Systemleistung mit der Planung, den installierten Geräten, den Betriebsbedingungen und den durchgeführten Tests verglichen werden.

Häufig gestellte Fragen

F1: Was leistet ein modulares Rechenzentrum-Containment-System?

Es trennt die Zu- und Abluftströme, um unerwünschte Durchmischung zu reduzieren, kalte Luft gezielt an die Server-Einlässe zu liefern und heiße Abluft zu steuern. Seine Leistung hängt von der Rack-Anordnung, der Abdichtung, dem Kühldesign und den Betriebssteuerungen ab.

Frage 2: Ist Hot-Aisle-Containment besser als Cold-Aisle-Containment?

Keine der beiden Anordnungen ist generell überlegen. Die richtige Wahl hängt von der Kühlarchitektur, der Rack-Anordnung, den Wartungsanforderungen, dem Brandschutzkonzept und der geplanten Betriebsweise der Anlage ab.

Frage 3: Warum ist die CFD-Analyse für modulare Rechenzentren nützlich?

CFD kann potenzielle Hotspots, Umgehungsströmungen und Abgas-Rückführung bereits vor der Inbetriebnahme identifizieren. Ihre Vorhersagen hängen von genauer Geometrie, belastungsgerechten Wärmelastdaten, realistischen Luftstromannahmen und einer geeigneten Validierung ab.

Frage 4: Wie unterstützt In-Row-Kühlung die Containment-Lösung?

Bei der Reihenkühlung werden Kühleinrichtungen in unmittelbarer Nähe der Server-Racks platziert. Bei korrekter Abstimmung mit der Luftabschottung und der Luftströmungsrichtung kann dies helfen, lokal begrenzte Wärmelasten zu bewältigen und unnötige Luftbewegung zu reduzieren.

F5: Was müssen Käufer vor der Systemübernahme prüfen?

Überprüfen Sie den genehmigten Aufbau, die Dichtung der Paneele, das Türfunktionieren, die Kühlleistung, die Luftstromkonfiguration, die Überwachungsfunktionen, die Werks-Testprotokolle sowie die Inbetriebnahmenergebnisse unter repräsentativen betriebsbedingungen.