Freie Kühlung ganz sicher

Das Rechenzentrum als Stromfresser

Die größten Stromfresser in der IT-Branche, und damit hauptverantwortlich für CO₂-Emissio­nen, sind Rechenzentren mit deren Servern. Leistungsstark und hochverfügbar müssen sie sein – wie zum Beispiel nach der Verfügbarkeitsklasse 4 des Bundesamts für Sicherheit, die lediglich eine Ausfallzeit von rund fünf Minuten pro Jahr erlaubt. Doch die leistungsstarken Rechner und die hohe Verfügbarkeit haben auch ihren Preis. Um die geringen Ausfallzeiten sicherstellen zu können, ist eine redundante Ausführung der Versorgungstechnik unabdingbar. Das kostet jedoch nicht nur in der Anschaffung, sondern verbraucht selbst im Standby-Betrieb Energie. Kosteneffizienz und ein schonender Umgang mit Ressourcen sind hier nur schwer möglich. Der Ansatz für einen „grüneren“ Betrieb von Rechenzentren liegt demnach woanders.

Effiziente Klimatechnik für „grüneren“ Betrieb

Die Klimatisierung bietet einen hervorragenden Ansatzpunkt, ein Rechenzentrum deutlich effizienter und grüner zu betreiben. Gerade der Einsatz der sogenannten Indirekten Freien Kühlung amortisiert sich betriebswirtschaftlich meist in erstaunlich kurzer Zeit. Anstatt die warme Luft innerhalb des Rechenzentrums aufwendig herunterzukühlen, bedient man sich der in der Regel deutlich kühleren Außenluft. In Nord- und Mitteleuropa funktioniert dies – mit Ausnahme weniger Tage im Hochsommer – das gesamte Jahr hindurch.

Indirekte Freie Kühlung

Ein Beispiel für eine Indirekte Freie Kühlung ist das Prinzip „KyotoCooling“. Bei dieser Lösung, die speziell für Rechenzentren entwickelt wurde, kommen große Wärmetauscherräder aus Aluminium zum Einsatz. Die kalte Außenluft wird über die Aluminiumlamellen der Räder geführt und diese somit gekühlt. Im Inneren des Rechenzentrums wird die warme Innenluft angesaugt und ebenfalls über die Lamellen geleitet. Der Effekt: Das Aluminium gibt die Kälte an die Rechenzentrumsluft ab, nimmt die Wärme aus dem Inneren auf und gibt sie in der Folge durch die Rotation wieder an die Außenluft ab.

Herausforderung für den Brandschutz

Im Rechenzentrum werden in der Regel Gaslöschanlagen mit dem natürlichen Löschgas Stickstoff verbaut. Stickstoff bietet zahlreiche Vorteile wie z. B. eine schonende, rückstandsfreie Löschung ohne Beeinträchtigungen für die IT-Hardware. Schäden, wie sie beispielsweise beim Einsatz wassergeführter Systeme auftreten, bleiben beim Löschen mit dem Inertgas aus. Im Fall einer Branddetektion wird durch die Löschgaszufuhr der Sauerstoff in den zu schützenden Bereichen verdrängt und der Brand erstickt.

Im Hinblick auf den Brandschutz sind Methoden zur Freien Kühlung, wie das „KyotoCooling“, eine besondere Herausforderung. Denn beim Einsatz einer Löschanlage ist im Brandfall entscheidend, dass eine löschfähige Gaskonzentration aufgebaut und auch über einen ausreichenden Zeitraum hinweg aufrechterhalten werden kann. Um eine erneute Entzündung zu vermeiden, fordert das unabhängige Prüfinstitut VdS Schadenverhütung GmbH in EDV-Bereichen eine Haltezeit von zehn Minuten. Die dafür notwendige Raumdichtigkeit ist jedoch beim Einsatz einer Freien Kühlung durch die Abströmverluste am Wärmetauscher nicht gegeben.

Im neuen Rechenzentrum der noris network AG in Nürnberg wurde erstmalig die neuartige Indirekte Freie Kühlung mit dem System „KyotoCooling“ in einem deutschen Rechenzentrum eingesetzt. Nach einer umfassenden Risikoanalyse und der Definition des entsprechenden Schutzziels wurde für die noris network AG ein individuelles Brandschutzkonzept entwickelt.

Technik für Hochverfüg­barkeit und Kosteneffizienz

Die 1993 gegründete noris net­work AG zählt zu den deutschen Pionieren auf dem Gebiet mo­der­ner IT-Dienstleistungen. Zum Angebot gehören maßgeschneiderte Informations- und Kommu­ni­kationstechnik-Lösungen (IKT) in den Bereichen IT-Outsourcing, Cloud Services sowie Network & Security.

Mit dem NBG6, einem neu errichteten Rechenzentrum am Unternehmensstandort Nürnberg, hat die noris network AG eines der derzeit modernsten IT-Zentren Europas aufgebaut. Die rund zweijährige Konzep­tionsphase bestand hauptsächlich darin, die jeweils beste Technik – angefangen von den Servern, der unterbrechungsfreien Stromversorgung, der Klimatisierung bis hin zur Sicherheits- und Brand­schutztechnik – zu finden. Entscheidend waren eine maxi­male Verfügbarkeit von Rechenleistung und Daten sowie eine hohe Energieeffizienz. Modernste Sicherheitssysteme, redundant betrieben, sollten für einen umfassenden physika­li­schen Schutz sorgen.

Neue Wege bei der Kühlung

Im Hinblick auf möglichst ge­ringe Betriebskosten entschied sich noris network für eine Indirekte Freie Kühlung mittels modular aufbaubarer „KyotoCooling“-Technik. Die Rota­tionswärmetauscher aus Aluminium mit einem Durchmesser von 6 m nehmen die Wärme­energie der IT-Raumluft auf und geben sie an die Außen­luft ab. Dabei nutzt „KyotoCoo­ling“ aus, dass zu 95 % des Jah­res die Außenlufttemperatur geringer ist, als die Raumluft im IT-Zentrum. Als Kosten fallen nur die Antriebsenergie des Wärme­tauscherrads und der Ventilatoren an. Als Ersatzsystem und für die wenigen Stunden im Jahr, in denen die Außenluft zu warm zur Kühlung ist, lassen sich Luft-/Wasser-Wärmetauscher zuschalten.

Brandrisiken und Folgen

Die Abwärme der IT-Racks, die hohe Energiedichte der elektrischen Anlagen und damit verbundene technische Defekte stellen, ebenso wie von außen mit der Frischluft zugeführte Partikel durch das freie Kühlsystem, in der Regel das größte Brandrisi­ko dar. Von umso größerer Bedeutung ist daher eine frühestmögliche und täuschungsalarmsichere Branddetektion. Im Rechenzentrum der noris network AG werden hochsensible Ansaugrauchmelder sowohl im Schutzbereich selbst als auch in den Bereichen eingesetzt, in denen der Luftaustausch aufgrund der indirekten freien Kühlungsmethode stattfindet. Auch gegebenenfalls kontaminierte Außenluft muss ebenfalls überwacht werden. Durch die besonders täuschungsalarmsichere Detektion der „Titanus“-Ansaugrauchmelder werden Fehlalarme vermieden und die Verfügbarkeit des Rechenzentrums bleibt erhalten. Zudem detektieren die Melder im Brandfall so früh wie möglich und sorgen für eine deutliche Schadensbegrenzung.

Im Fall einer Detektion wird nach Möglichkeit schnellstens die Energiezufuhr unterbrochen, um dem Feuer die Stützenergie zu entziehen, sowie die Löschung und das anschließende Halten eingeleitet. Der Betrieb des Rechenzentrums bleibt dabei erhalten, Daten sind weiterhin verfügbar und Schäden werden minimiert bzw. vermieden. Größer als die Angst vor dem Brandschaden selbst war für den Betreiber die Vorstellung einer Unterbrechung der IT-Prozesse durch ein Stromlosschalten der gesamten IT-Infrastruktur, da den Kunden eine durchgängige Verfügbarkeit von Rechenkapazität und gespeicherten Daten vertraglich zugesichert wird. Ein Stromlosschalten kam daher nicht in Frage.

Individuelle Ingenieur-Lösungen

Als man Wagner bat, ein Angebot für den Brandschutz im NBG6 abzugeben, hatte das Unternehmen in einer zweijährigen Testreihe in einem Versuchszentrum des niederländischen Telekommunikationsunternehmens Royal KPN NV bereits umfassende Erfahrungen mit dem Einsatz von „KyotoCooling“ im Zusammenspiel mit „OxyReduct“ gesammelt. Daher war bekannt, dass die konventionellen Konzepte der Gaslöschtechnik bzw. Brandvermeidung in diesem Fall allein  für sich nicht geeignet waren.

Keine Standard-Lösung

Die Abströmverluste beim Betrieb eines Rotationswärmetauschers machen den Einsatz einer konstanten Sauerstoffreduzierung unwirtschaftlich. Mit dem konventionellen Einsatz einer Gaslöschanlage hingegen hätte man aufgrund der sehr starken Druckunterschiede beim Betrieb der Ventilatoren des Kühlsystems keine löschfähige O₂-Konzentration über eine ausreichende Zeitspanne aufrechterhalten können. Große Sorge bereitete den Planern auch ein möglicher Eintrag kontaminierter Außenluft über die Freie Kühlung.

Mehrstufiges Konzept

Ein wichtiger Eckpfeiler für den Schutz der beiden Bereiche mit insgesamt 16 000 m³ war eine frühestmögliche Branderkennung. Dazu werden Ansaugrauchmeldesysteme der „Titanus“-Familie von Wagner in Zwei-Melder-Abhängigkeit eingesetzt. Sie detek­tie­ren einen Brand hochsensibel und täuschungsalarmsicher bereits in der Frühphase – ein Alarm wird jedoch erst ausgelöst, wenn beide Melder einen Brand detektieren. Zudem wurden die Ansaugrauchmelder zur Überwachung der Luftqualität im Außen­luft­kreislauf des „KyotoCooling“-Systems installiert.

Kontrollierte Abläufe im Alarmfall

Bei Auslösen des sehr empfindlichen Voralarms werden bereits erste Brandfallsteuerungen eingeleitet, zu denen ein Stoppen des „Kyoto“-Rades, Aktivierung der Abdichtungen, Umschalten auf Ersatzkühlung und Schließen der Brandschutztore gehören.

Beim ersten Hauptalarm löst die erste Stufe der „FirExting“-Löschanlage aus und leitet Stickstoff aus 70 Druckgasflaschen in vier Minuten in den Bereich ein. Bei der Schnellabsenkung von 20,9 Vol.-% auf 16,0 Vol.-% O₂ zeigt sich bereits ein deutlich reduziertes Brandverhalten, so dass sich die üblichen Stoffe in einem IT-Raum nicht mehr entzünden. Die angeschlossene „OxyReduct“-Anlage hält den Sauerstoffgehalt dann kontinuierlich auf diesem Niveau.

Erkennt ein zweites Ansaugrauchmeldesystem, dass der Brand nicht vollständig erstickt wurde, werden ein zweiter Hauptalarm und die zweite Stufe der Löschanlage ausgelöst. Das O₂-Niveau wird dann innerhalb von weiteren vier Minuten auf eine Konzen­tration von 13,5 Vol.-% abgesenkt. „OxyReduct“ kann dieses Niveau für theoretisch unbegrenzte Zeit halten, was Rückzündun­gen verhindert, ohne dass der betroffene Bereich stromlos geschaltet werden muss.

Sicherstellung der Raumdichtigkeit

Nur in einem dichten Raum kann die erforderliche Gaskonzentration lange genug aufrechterhalten werden, damit im Brandfall das Löschen effektiv und sicher erfolgt. Selbst wenn zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme eine ausreichende Dichtigkeit nachgewiesen wurde, so ergeben sich z. B. durch Anpassungen der Hardware oder durch Bewegungen des Gebäudes im Laufe der Zeit unbemerkt Leckagen, die den Brandschutz dramatisch gefährden können.

Mit „OxyReduct“ kann regelmäßig die Dichtigkeit des Bereiches und so die Wirksamkeit der Löschanlage getestet werden. Dazu wird zu bestimmten Zeiten auf die Ersatzkühlung umgeschaltet und der Sauerstoffgehalt leicht gegenüber dem Normalniveau reduziert.

Aus der erforderlichen Zeit zum Aufbau der vorab definierten Sauerstoffkonzentration können Rückschlüsse auf die aktuelle Dichtigkeit des Bereiches gezogen werden – ein nicht zu unterschätzendes Sicherheitsplus. Die Lösung bei noris network bietet den Betreibern eine optimale Kombination aus energieeffi­zien­ter Kühlung und effektivem Brandschutz. Für das Brandschutzkonzept erhielt Wagner 2012 den Deutschen Rechenzentrumspreis in der Kategorie IT-Sicherheit.