Projekt
Dass eines der leistungsfähigsten wissenschaftlichen Rechenzentren in Deutschland äußerst energie- und kosteneffizient sein kann, zeigt der Green Cube des GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Ein besonderes Kühlsystem ermöglicht das: Denn die Darmstädter Rechner werden ohne die sonst üblichen Umluftkühlgeräte gekühlt. Die Wasserkühlung erfolgt über die Türen der Rechnerschränke. Da so auf Raum-Umluftkühlung verzichtet werden konnte, erlaubte die dichte „Hochregallager“-Stapelung, obendrein den Platzbedarf für das Rechenzentrum zu reduzieren. Auf nur 27 Meter mal 30 Meter mal 22 Meter stehen 768 Racks à 2,2 Meter Höhe auf sechs Etagen - eine bis dahin unerreichte Dichte für wissenschaftliche Rechenzentren.
Der Green Cube ist ein Novum. Um dieses hochleistungsfähige Rechenzentrum zu planen, das Messdaten des neuen Teilchenbeschleunigers FAIR auswertet und Simulationen und Experimente durchführt, mussten die Ingenieure neue Wege beschreiten (siehe Herausforderungen).
- Energieeffizienz
- Neubau
- Nichtwohngebäude
Bautafel:
BAUVOLUMEN
5.200 m² BGF
BAUZEIT
12/2014 – 11/2015
BAUKOSTEN
21 Mio. Euro (Endausbau)
ENERGETISCHER ZUSTAND
hocheffizientes wissenschaftliches HPC-Rechenzentrum mit PUE,Kühlung < 1,07 und PUE,gesamt 1,08
zertifiziert mit dem „Blauen Engel“
VERWENDETE GEBÄUDETECHNIK
13 MW Gesamtkühlleistung, vollständig ohne Kältemaschinen, nur mit Verdunstungskühltürmen
Keine Umluftkühlung mittels Präzisionsklimaschränken, sondern ausschließlich Rack-Rücktür-Wärmetauscher
Abwärmenutzung zur Beheizung eines benachbarten Büro- und Kantinengebäudes
Herausforderungen
Rechenzentren erzeugen viel Abwärme, die zur Sicherstellung der Funktion und Leistung der Rechner abgeführt werden muss. Je mehr Rechenleistung Rechner haben, umso mehr Energie verbrauchen sie und umso mehr Wärme produzieren sie auch. Rechenzentren müssen also gekühlt werden, da es ihnen sonst geht wie überhitzten Motoren: Sie können beschädigt werden oder gleich ganz ausfallen. Die richtige Kühlung ist also essenziell, um die Funktion und Leistung der Rechner zu gewährleisten.
Die meisten Rechenzentrenten sind so angelegt, dass die Umgebungstemperatur zwischen etwa 18 und 24 Grad liegt. Klimaschränke (= Umluftkühlgeräte) gewährleisten diese Temperaturen, die die Lufttemperatur der zur Kühlung der Rechner genutzten Umluft darstellen. Die Luft wird in diesen Klimaschränken mittels Kaltwasser, das durch Kältemaschinen erzeugt wird, gekühlt. Zusammen mit den IT-Verantwortlichen des Helmholtzzentrums, die das neuartige Kühlkonzept, das auf einem Temperaturniveau von über 30°C arbeitet, im Versuchsmaßstab entwickelten, planten die Ingenieure von T.P.I. Trippe und Partner Ingenieurgesellschaft eine Kühlanlage mit einer Gesamtleistung von über 13 Megawatt. Das neuartige Kühlkonzept kommt dabei völlig ohne Kältemaschinen aus.
Ziele & Erfolge
Der Green Cube war als der energieeffizienteste Großcomputer Europas auf der Liste der 500 schnellsten Supercomputer aufgeführt, der sogenannten „Green 500“. Weltweit lag er zeitweise sogar auf Rang drei.
Die Rack-Rücktür-Wasserkühlung hat einige Vorteile gegenüber der herkömmlichen Kühlung mit Umluft:
- Wasser hat eine höhere Wärmekapazität als Luft. Das bedeutet, dass es mehr Wärme aufnehmen und transportieren kann. Dadurch wird die Kühlleistung erhöht und der Energieverbrauch gesenkt.
- Wasserkühlung ermöglicht eine kompakte und platzsparende Bauweise des Rechenzentrums, da keine Luftkanäle oder doppelte Böden benötigt werden. Die Rechnerschränke des Green Cube konnten daher in einem Stahlgerüst gestapelt werden. Das kompakte Kühlsystem reduzierte auch Baukosten und Baufläche.
- Wasserkühlung verbessert die Nachhaltigkeit des Systems, da die entstehende Abwärme zum Heizen eines Büro- und Kantinengebäudes genutzt wird.
In Zahlen: Der Energieaufwand für die Kühlung entspricht weniger als sieben Prozent der für das Rechnen aufgewendeten elektrischen Leistung. Bei herkömmlichen Rechenzentren mit Luftkühlung beträgt dieses Verhältnis 30 bis 100 Prozent. Das bedeutet, dass das Kühlsystem des Green Cube bis zu 85 Prozent weniger Energie für die Kühlung benötigt als ein konventionelles Rechenzentrum. Auf diese Weise sparen die Betreiber jährlich etwa vier Millionen Euro an Stromkosten und etwa 14.000 Tonnen an energiebedingtem CO2-Ausstoß.
Die passiven Rack-Rücktür-Wärmetauscher sorgen in Verbindung mit Verdunstungskühltürmen dafür, dass auf mechanische Kältemaschinen gänzlich verzichtet werden kann. So wird nicht nur der Energieverbrauch für die Kühlung reduziert, sondern auch rund 30 Prozent bei der Grundfläche und bis zu 50 Prozent beim Bauvolumen im Vergleich mit ähnlichen Rechenzentren eingespart.
Lessons learned
Dass ein Temperaturniveau der Kühlung von 30 Grad Celsius ausreicht, wurde im Vorfeld durch die IT-Verantwortlichen um Prof. Dr. Lindenstruth im Versuchsmaßstab gezeigt. Für die Planung künftiger Rechenzentren können die Ingenieure auf das funktionierende Beispiel Green Cube verweisen und zeigen, dass auch in der Realität Rechner bei 30 Grad Celsius Kühltemperatur reibungslos funktionieren.
