Rechenzentren und Luftfeuchtigkeit: Psychrometrie für die IT-Infrastruktur

Server und Netzwerkkomponenten verhalten sich gegenüber Feuchte nicht neutral. Zu niedrige Feuchte verursacht elektrostatische Entladungen, zu hohe Korrosion und Kondensation. Der zulässige Bereich ist eng, und seine Überschreitung kann einen Hardwareausfall im Wert von Millionen verursachen. Das ASHRAE Technical Committee 9.9 definiert in seinen Thermal Guidelines die zulässigen Bedingungen in vier Klassen; das h,x-Diagramm ist das Werkzeug, um zu überprüfen, ob das geplante System diesen Korridor unter allen Betriebszuständen einhält.

Das Risiko niedriger Feuchte sind elektrostatische Entladungen (ESD)

Unter 30 % r. F. wird die Luft zu einem hervorragenden Isolator. Die Bewegung von Personen, die Handhabung von Komponenten oder der Tausch von Karten und anderen Bauteilen können eine Ladung von Hunderten bis Tausenden Volt erzeugen. Eine Entladung über empfindliche Elektronik (ESD – Electrostatic Discharge) verursacht eine sofortige oder latente Schädigung. Die latente Schädigung ist tückischer, denn das Bauteil funktioniert weiterhin, hat aber eine verkürzte Lebensdauer.

Untere Grenze der ASHRAE TC 9.9 für die Klassen A1–A2: Taupunkt −12 °C oder 8 % r. F. (die strengere gilt). In der Praxis halten Facility-Manager 40 bis 55 % r. F. als Sicherheitsreserve.

Hohe Feuchte zeigt sich als Korrosion und Kondensation

Über 60 % r. F. beginnt die elektrochemische Korrosion der Metalloberflächen von Leiterplatten. Feuchte erleichtert die Ionenmigration und die Bildung leitfähiger Pfade (CAF – Conductive Anodic Filament). Kritischer ist die Kondensation: Kommt warme feuchte Luft in Kontakt mit einer Oberfläche, die kälter als der Taupunkt ist, kondensiert Wasser direkt auf der Hardware. Obere Grenze der ASHRAE TC 9.9: Taupunkt 17 °C und 80 % r. F. (die strengere gilt); in der Praxis wird r. F. < 55–60 % gehalten.

ASHRAE TC 9.9 und die Hülle für die Klassen A1–A4

Die Klassen definieren die Bedingungen am Eintritt in die IT-Geräte (nicht im gesamten Raum). Je höher die Zahl, desto lockerer die Bedingungen:

Klasse	Anwendung	Temperatur	Taupunkt	r. F.
A1	Kritische Infrastruktur	15–32 °C	−12 bis 17 °C	8–80 %
A2	Typischer Serverraum	10–35 °C	−12 bis 21 °C	8–80 %
A3	Robuste Hardware	5–40 °C	−12 bis 24 °C	8–85 %
A4	Outdoor / Edge	5–45 °C	−12 bis 24 °C	8–90 %

Es gilt stets die strengere der beiden Grenzen – der Taupunkt oder die r. F.

Diese Hüllen lassen sich direkt im h,x-Diagramm als Bereiche zulässiger Zustände einzeichnen. Die Klimatisierung muss sicherstellen, dass der Luftzustand am Eintritt in die Racks unter allen Außenbedingungen innerhalb der Hülle bleibt – vom Sommertag 35 °C / 50 % r. F. bis zur Winternacht −15 °C / 80 % r. F.

Free Cooling und seine psychrometrische Analyse

Das Free Cooling (freie Kühlung) nutzt die Außenluft ohne aktiven Verdichter, sofern die Außenbedingungen ausreichend günstig sind:

• Luftseitiges Free Cooling – Außenluft direkt (nach Filterung) in den Saal; zulässig, wenn Temperatur und Feuchte in der zulässigen Hülle liegen.
• Flüssigkeitsseitiges Free Cooling – ein Kühlturm kühlt das zirkulierende Wasser ohne Verdichter.

Für die Prager Klimadaten liegt die Außenluft rund 2 000–3 000 Stunden im Jahr außerhalb der thermischen Hülle der Klasse A1; in den verbleibenden 5 700–6 700 Stunden ist das direkte luftseitige Free Cooling potenziell möglich. Die Feuchtebedingung (r. F. < 80 %) ist im mitteleuropäischen Klima weniger einschränkend als die Temperaturbedingung.

Adiabate (evaporative) Kühlung

Große Betreiber haben das Free Cooling um eine adiabate Vorkühlung erweitert: Die Außenluft wird vor dem Eintritt durch Verdunstung von Wasser gekühlt. Im h,x-Diagramm verläuft die Luft entlang der Isenthalpe nach rechts unten – die Temperatur sinkt, die Feuchte steigt. Damit lässt sich die Zahl der Free-Cooling-Stunden um 500–1 500 pro Jahr erhöhen. Das Risiko besteht im Anstieg der r. F. der Zuluft und in einer möglichen Kontamination durch Mineralien aus dem Wasser, weshalb eine Wasseraufbereitung und die regelmäßige Wartung der porösen Paneele erforderlich sind. Die physikalischen Prinzipien behandelt der Beitrag Verdunstungskühlung.

PUE und der Einfluss der Feuchtestrategie

PUE (Power Usage Effectiveness) = der Gesamtverbrauch des Rechenzentrums ÷ der Verbrauch der IT-Geräte.

Der weltweite Durchschnitts-PUE liegt bei etwa 1,55, Hyperscale-Zentren erreichen 1,1–1,2. Die Klimatisierung macht 30–40 % des Verbrauchs aus, und die Wahl der Feuchtestrategie beeinflusst unmittelbar den Anteil der Stunden mit Free Cooling. Eine Erweiterung des zulässigen Temperaturfensters (der Übergang von A1 zu A2 oder A3) verlängert die Free-Cooling-Saison – jedes Grad höherer Eintrittstemperatur senkt den PUE um etwa 0,02–0,04.

Häufige Fragen

Warum werden im Rechenzentrum sowohl die obere als auch die untere Feuchtegrenze überwacht? Die untere Grenze schützt vor elektrostatischen Entladungen (unter 30 % r. F.), die obere vor Korrosion und Kondensation (über 60 % r. F.). Der zulässige Korridor ist daher eng und wird durch die ASHRAE TC 9.9 definiert.

Was bedeuten die Klassen A1–A4? Sie definieren die zulässigen Temperaturen und Feuchten am Eintritt in die IT-Geräte. Eine höhere Zahl bedeutet lockerere Bedingungen für robustere Hardware, was mehr Free-Cooling-Stunden und einen niedrigeren PUE ermöglicht.

Wie beeinflusst die Feuchtestrategie die Betriebskosten? Je breiter das zulässige Fenster, desto mehr Stunden lässt sich mit Außenluft statt mit dem Verdichter kühlen. Das senkt den PUE und den Verbrauch – deshalb empfiehlt ASHRAE den Betrieb im oberen Bereich der zulässigen Temperaturen.