In einem Rack oder einem Rechenzentrumssaal ist die Diagnose „wir haben zu wenig Kühlung" meist falsch. Die Gesamtleistung reicht; was nicht reicht, ist die kalte Luft, die an die Stelle gelangt, die sie braucht. Zwei Verlustmechanismen dominieren:
Bypass-Luft. Kalte Luft entweicht auf den Rückweg, ohne durch ein Gerät zu strömen: offene Rack-Plätze, nicht abgedichtete Kabeldurchbrüche, Leckagen im Doppelboden.
Rezirkulation. Heiße Abluft findet ihren Weg zurück zum Ansaug. Deshalb laufen die obersten Plätze eines Racks oft zehn Grad heißer als die unteren.
Keiner der beiden taucht in einer Gesamtleistungsrechnung auf; beide zeigen sich erst in einer Feldlösung. Aufgaben in Rechenzentren und Schaltschränken sind daher der klassische Fall, in dem es um die Verteilung geht und nicht um den Mittelwert.
Das Abnahmekriterium ist die Ansaugtemperatur, nicht die Raumtemperatur
Die Kriterien von ASHRAE TC 9.9 sind am Geräteansaug definiert, nicht als Raummittelwert [1]. Der empfohlene Bereich beträgt 18–27 °C für die Klassen A1–A4; der zulässige Bereich weitet sich je nach Klasse, von 15–32 °C für A1 bis 5–45 °C für A4.
Genau das sollte die Analyse überwachen: die Temperaturverteilung über die Ansaugfläche jedes Racks. „Der Raum liegt im Mittel bei 24 °C" bedeutet nichts, solange ein Server im obersten Platz Luft mit 38 °C ansaugt.
Auf der Bauteilseite: die Kette der Wärmewiderstände
Auf Leiterplatten- und Bauteilebene ist das Abnahmekriterium die Sperrschichttemperatur, und die vom Hersteller genannten Wärmewiderstände sind nach der Reihe JEDEC JESD51 gemessen [2]. Zu beachten ist, dass diese Werte auf einer genormten Prüfplatine in einer definierten Umgebung gemessen werden — JESD51-2 definiert die Umgebung mit natürlicher Konvektion in ruhender Luft [3].
Die Strömung in Ihrem tatsächlichen Gehäuse ist nicht diese Umgebung. Einen Katalogwert für den Wärmewiderstand Sperrschicht-Umgebung unmittelbar auf den eigenen Entwurf anzuwenden, ist einer der häufigsten und leisesten Fehler. Der richtige Weg ist, Leiterplatte und Gehäuse konjugiert zu lösen und den Katalogwert nur als obere Schranke zur Kontrolle zu verwenden.
Modellierungsentscheidungen
Modellieren Sie nicht jeden Server. Die Innengeometrie von Dutzenden Servern lässt sich weder auflösen noch muss sie es. Jede Einheit wird als poröser Block mit bekanntem Volumenstrom und bekannter Wärmelast abgebildet. Worauf es ankommt: dass Ansaug- und Ausblasfläche an der richtigen Stelle liegen.
Geben Sie die Kennlinie vor, nicht den Volumenstrom. Serverventilatoren sind keine Konstantstromgeräte; steigt der Gegendruck, fällt der Strom. Einen festen Volumenstrom anzunehmen, löscht die Wirkung der Verblockung aus dem Modell. Siehe die Notiz zum Betriebspunkt von Ventilatoren.
Vernachlässigen Sie die Wärmestrahlung in geschlossenen Gehäusen nicht. In einem Gehäuse geringer Leistungsdichte mit natürlicher Kühlung trägt die Strahlung einen erheblichen Anteil der gesamten Wärmeabfuhr [4].
Referenzen
- ASHRAE Technical Committee 9.9 (2021). Thermal Guidelines for Data Processing Environments, 5th ed. ASHRAE, Atlanta.
- JEDEC Solid State Technology Association. JESD51 — Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor Device).
- JEDEC Solid State Technology Association. JESD51-2 — Integrated Circuits Thermal Test Method Environmental Conditions: Natural Convection (Still Air).
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.