Wärmemanagement

Zuverlässige Druck- und Temperaturüberwachung für eine effiziente Kühlung

Moderne Rechenzentren müssen enorme Datenmengen verarbeiten. Cloud-Anwendungen, künstliche Intelligenz, High Performance Computing und datenintensive Unternehmensprozesse benötigen leistungsfähige Prozessoren, Grafikprozessoren und Speichersysteme. Mit steigender Rechenleistung steigt jedoch auch die Wärmemenge, die innerhalb der Server entsteht. Diese Wärme muss zuverlässig abgeführt werden, damit die technischen Komponenten innerhalb ihrer vorgesehenen Temperaturbereiche arbeiten können. Genau hier setzt das Wärmemanagement, auch Thermal Management genannt, an. Wärmemanagement umfasst alle technischen Maßnahmen, mit denen Wärme innerhalb eines Rechenzentrums erfasst, transportiert, kontrolliert und abgeführt wird. Dazu gehören klassische Luftkühlung ebenso wie moderne Flüssigkeitskühlung, Wärmepumpen, Wärmetauscher, Pumpen, Kühlmittelkreisläufe und die dazugehörige Sensorik. Temperatur- und Drucksensoren von i2s können wichtige Messwerte für diese Systeme liefern und damit eine zuverlässige Überwachung und bedarfsgerechte Regelung der Kühlung unterstützen.

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Sensorsysteme für Wärmemanagement

Druck-/ Temperatur­sensor CCT

Für das Wärmemanagement in Rechenzentren

Der Druck-Temperatursensor CCT erfasst Druck und Temperatur gleichzeitig und kommt im Wärmemanagement von Rechenzentren zum Einsatz – insbesondere in Kälteanlagen, Wärmepumpen und Kühlkreisläufen zur Abwärmenutzung. Das spezielle Design ermöglicht eine hohe Messgenauigkeit und eine schnelle Ansprechzeit in strömenden Medien.

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Data Center Coolant Pressure Sensor DCP

Für Flüssigkeitskühlkreisläufe am Serverschrank

Der Data Center Coolant Pressure Sensor (DCP) ist für den Einbau in den Flüssigkeitskühlkreislauf von Serverschränken konzipiert und überwacht den Kühlmitteldruck am Einlass und Auslass, um die Kühlleistung zu bewerten und die Server-Blades zu schützen.

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Drucksensor CCT

Für Rechenzentren

Der Climate Control Pressure Transmitter (CCT) wurde speziell für die Druckmessung von Kältemitteln in Kälteanlagen und Wärmepumpen entwickelt. Das leichte und robuste Aluminium-Gehäuse macht diesen Sensor zu einer überzeugenden Lösung für das Thermal Management in Data Centern.

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Drucksensor IPS

Für harte Einsatzbedingungen

Der Drucksensor IPS kommt in industriellen Applikationen und Rechenzentren zum Einsatz, bei denen hohe Anforderungen an Robustheit und Medienkompatibilität gestellt werden. Bei rauen Einsatzbedingungen, grobem Handling und hohen Vibrationen erweist sich der IPS als zuverlässiger Partner und liefert präzise und stabile Messdaten über den gesamten Lebenszyklus.

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Drucksensor VSP

Für Industrieanwendungen und HVACR

Der Drucksensor VSP ist in einer Voll-Edelstahlausführung für den universellen Einsatz in allgemeinen Industrieanwendungen erhältlich. Die robuste, komplett verschweißte Edelstahlkonstruktion macht ihn zu einer zuverlässigen Lösung überall dort, wo breite Medienverträglichkeit und Beständigkeit gegenüber rauen Einsatzbedingungen gefordert sind.

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Wärmemanagement im Rechenzentrum

Wärmemanagement beschreibt den gesamten Weg der Wärme von ihrer Entstehung bis zur Abgabe an die Umgebung oder zur weiteren Nutzung.

Die Wärme entsteht hauptsächlich in elektronischen Komponenten wie:

  • CPUs
  • GPUs und KI-Beschleunigern
  • Arbeitsspeichern
  • Netzteilen
  • Speichersystemen
  • Netzwerkkomponenten
  • Stromversorgungs- und Leistungselektronik

Diese Wärme muss zunächst von den einzelnen Bauteilen aufgenommen werden. Anschließend wird sie über Luft oder Flüssigkeit aus dem Server transportiert. Von dort gelangt sie über Server-Racks, Kühlkreisläufe und Wärmetauscher schließlich zur zentralen Kühltechnik des Rechenzentrums.

Bedeutung des Wärmemanagements für Rechenzentren

Elektronische Komponenten funktionieren nur innerhalb bestimmter Temperaturbereiche zuverlässig. Wird ein Prozessor zu warm, kann er seine Leistung automatisch reduzieren. Dieser Vorgang wird häufig als Thermal Throttling bezeichnet. Steigt die Temperatur weiter an, können Schutzmechanismen einzelne Komponenten oder ganze Systeme abschalten. Dauerhaft hohe Temperaturen können außerdem die Alterung elektronischer Bauteile beschleunigen.

Ein gutes Wärmemanagement verfolgt deshalb mehrere Ziele:

  • zuverlässiger Betrieb der IT-Systeme
  • Vermeidung von Überhitzung
  • gleichmäßige Temperaturverteilung
  • bedarfsgerechte Kühlung
  • Reduzierung unnötiger Kühlleistung
  • frühzeitige Erkennung ungewöhnlicher Betriebszustände
  • Schutz von Servern und Infrastruktur
  • möglichst hohe Energieeffizienz


Mit zunehmender Leistungsdichte in modernen Rechenzentren wird diese Aufgabe anspruchsvoller. Insbesondere Server für künstliche Intelligenz enthalten leistungsstarke GPUs und Beschleuniger, die auf kleiner Fläche große Wärmemengen erzeugen können. Dadurch werden neben der klassischen Luftkühlung zunehmend Flüssigkeitskühlsysteme eingesetzt.

Funktionsweise des Wärmemanagements

Das Grundprinzip ist einfach: Wärme wird an einer Stelle aufgenommen und anschließend an eine andere Stelle transportiert.

Ein typischer Wärmeweg kann beispielsweise folgendermaßen aussehen:

  • Ein Prozessor erzeugt Wärme.
  • Ein Kühlkörper oder eine Cold Plate nimmt die Wärme auf.
  • Luft oder Kühlflüssigkeit transportiert sie aus dem Server.
  • Ein Wärmetauscher übernimmt die Wärme.
  • Ein weiterer Kühlkreislauf transportiert sie aus dem Rechenzentrum.
  • Wärmepumpen können dabei eingesetzt werden, um Wärme auf ein anderes Temperaturniveau zu bringen und für weitere Anwendungen nutzbar zu machen.
  • Die Wärme wird an die Außenluft abgegeben oder weiterverwendet.


In der Praxis können mehrere Kühlkreisläufe miteinander verbunden sein. Gerade bei großen Rechenzentren entsteht dadurch ein komplexes Zusammenspiel aus Pumpen, Ventilen, Wärmetauschern, Kühleinheiten und Sensoren. Damit dieses System zuverlässig arbeitet, müssen wichtige Betriebsgrößen kontinuierlich überwacht werden.

Drucküberwachung im Kühlkreislauf

In einem Flüssigkeitskühlsystem muss das Kühlmedium zuverlässig durch Leitungen, Wärmetauscher und Kühlkörper transportiert werden. Pumpen erzeugen dafür den benötigten Druck. Gleichzeitig verursachen Leitungen, Filter, Ventile und Cold Plates einen Strömungswiderstand.

Drucksensoren können helfen, diesen Betriebszustand zu überwachen.

Sie können beispielsweise eingesetzt werden zur:

  • Überwachung des Systemdrucks,
  • Kontrolle des Pumpenbetriebs
  • Erkennung ungewöhnlicher Druckschwankungen
  • Überwachung einzelner Kühlzweige
  • Kontrolle von Wärmetauschern
  • Erkennung zunehmender Druckverluste
  • Überwachung von Filtern

Da Leitungen, Verbindungen, Wärmetauscher und Dichtungen für bestimmte Druckbereiche ausgelegt sind, gehört die Drucküberwachung zu einem sicheren Anlagenbetrieb.

Anforderungen an Sensoren im Wärmemanagement

Ein Sensor in einem Kühlsystem muss über lange Zeit zuverlässige Werte liefern. Dabei kann er dauerhaft mit Kühlmitteln in Kontakt stehen und wechselnden Temperaturen und Drücken ausgesetzt sein. Bei der Auswahl sind deshalb mehrere Faktoren wichtig.

Medienverträglichkeit
Alle medienberührenden Teile des Sensors müssen zum verwendeten Kühlmedium passen. Dabei sind beispielsweise Wasser, deionisiertes Wasser, Wasser-Glykol-Gemische sowie Kältemittel in Wärmepumpen- und Kälteanlagen relevant. Nicht nur die Flüssigkeit selbst, sondern auch Konzentration, Temperatur und Druck beeinflussen die Materialauswahl.

Schnelle Reaktionszeit
Temperaturen innerhalb eines Kühlsystems können sich dynamisch verändern. Steigt die Auslastung der Server, kann auch die Wärmeentwicklung kurzfristig zunehmen. Eine schnelle Temperaturmessung ermöglicht es der Steuerung, Veränderungen zeitnah zu erkennen.

Genauigkeit
Die benötigte Genauigkeit hängt von der jeweiligen Aufgabe ab. Für eine einfache Überwachung kann eine andere Genauigkeit ausreichend sein als für eine präzise Regelung. Wichtig ist, dass der Sensor über den gesamten vorgesehenen Betriebsbereich stabile Werte liefert.

Langzeitstabilität
Rechenzentren arbeiten rund um die Uhr. Sensoren sollten ihre Messwerte deshalb auch über lange Betriebszeiten zuverlässig und reproduzierbar bereitstellen. Eine hohe Langzeitstabilität erleichtert zudem die Erkennung langfristiger Veränderungen.

Kompakte Bauform
Innerhalb von Server-Racks, CDUs und Kühlmittelverteilern steht häufig nur begrenzt Platz zur Verfügung. Kompakte Sensoren lassen sich leichter in bestehende Systeme integrieren.

Elektrische Schnittstellen
Die gemessenen Werte müssen an eine Steuerung weitergeleitet werden. Je nach Anwendung können unterschiedliche Signale und Schnittstellen benötigt werden. Auch elektrische Anschlüsse und Steckverbindungen können für die Integration entscheidend sein.

Sensorik für eine bedarfsgerechte Kühlung

Ein modernes Kühlsystem sollte möglichst nur so viel Leistung bereitstellen, wie tatsächlich benötigt wird. Wenn Pumpen, Lüfter und Kälteanlagen dauerhaft mit maximaler Leistung arbeiten, kann unnötig Energie verbraucht werden. Eine zu stark reduzierte Kühlung kann dagegen zu erhöhten Temperaturen führen. Sensoren schaffen die Grundlage für einen geregelten Betrieb.

Auf Basis der Messwerte können Steuerungen beispielsweise:

  • Pumpendrehzahlen erhöhen oder reduzieren
  • Ventile öffnen oder schließen
  • Kühlzweige zuschalten
  • Wärmetauscher regeln
  • Lüfterleistungen anpassen
  • Warnmeldungen auslösen

Der Sensor selbst steuert diese Komponenten nicht. Er stellt jedoch die Informationen bereit, die eine intelligente Regelung benötigt.

Wärmemanagement und Energieeffizienz

Kühlung gehört zu den wichtigen Energieverbrauchern eines Rechenzentrums. Deshalb besteht ein wesentliches Ziel des Wärmemanagements darin, die notwendige Kühlleistung möglichst effizient bereitzustellen. Dabei können Druck- und Temperaturmesswerte helfen, den tatsächlichen Betriebszustand besser zu verstehen. Statt mit großen Sicherheitsreserven zu arbeiten, kann eine Anlage anhand realer Messwerte geregelt werden. Sensoren sparen dabei nicht direkt Energie. Sie ermöglichen jedoch eine genauere Steuerung der Systeme.

Wärmepumpen im Wärmemanagement

Wärmepumpen können im Wärmemanagement eingesetzt werden, um Wärme gezielt zwischen unterschiedlichen Temperaturniveaus zu übertragen. Sie nutzen dafür einen Kältemittelkreislauf, in dem Druck und Temperatur eng miteinander zusammenhängen. Für einen effizienten und zuverlässigen Betrieb müssen diese Betriebsgrößen deshalb kontinuierlich überwacht werden.

Druck- und Temperatursensoren liefern wichtige Messwerte für die Regelung des Kältemittelkreislaufs und können beispielsweise zur Überwachung von Verdichter, Verdampfer und Verflüssiger eingesetzt werden. i2s bietet mit den CCT Druck-/Temperatursensoren kombinierte Sensorlösungen für Wärmepumpenanwendungen an. Unsere Druck-/Temperatursensoren sind auch in einer Edelstahl-Ausführung verfügbar, die auch bei Einsatz mit korrosiven Medien zuverlässigen Langzeitbetrieb sicherstellt.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Wärmemanagement in einem Rechenzentrum?

Wärmemanagement umfasst alle Maßnahmen, mit denen die von Servern erzeugte Wärme aufgenommen, transportiert und abgeführt wird. Dazu gehören Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Pumpen, Wärmetauscher, Cooling Distribution Units, Sensoren und Steuerungssysteme.

Warum ist Wärmemanagement für Server wichtig?

Server erzeugen während des Betriebs Wärme. Wird diese nicht ausreichend abgeführt, können Prozessoren ihre Leistung reduzieren oder Systeme abgeschaltet werden. Eine kontrollierte Kühlung unterstützt einen zuverlässigen Betrieb.

Welche Sensoren werden für das Wärmemanagement benötigt?

Je nach System werden Sensoren für Temperatur, Druck, Differenzdruck, Durchfluss, Luftfeuchtigkeit, Füllstand oder Leckage eingesetzt. i2s konzentriert sich insbesondere auf Druck- und Temperatursensoren sowie kombinierte Sensorlösungen.

Welche Aufgabe haben Temperatursensoren im Kühlkreislauf?

Temperatursensoren überwachen beispielsweise Vor- und Rücklauftemperaturen. Dadurch lässt sich erkennen, wie stark sich das Kühlmedium erwärmt und ob die Kühlung wie vorgesehen funktioniert.

Welche Aufgabe haben Drucksensoren?

Drucksensoren überwachen den Betriebsdruck innerhalb eines Kühlkreislaufs. Veränderungen können Hinweise auf Pumpen, Ventile, blockierte Leitungen oder andere Veränderungen im System geben.

Wo können Drucksensoren in einem Rechenzentrum eingesetzt werden?

Mögliche Messstellen befinden sich unter anderem an Cooling Distribution Units, Pumpen, Wärmetauschern, Kühlmittelverteilern, Rack-Zuleitungen sowie im Vor- und Rücklauf eines Flüssigkeitskühlsystems.

Warum werden Vorlauf und Rücklauf gemessen?

Der Vorlauf zeigt die Temperatur des Kühlmediums vor der Wärmeaufnahme. Der Rücklauf zeigt die Temperatur danach. Die Differenz zwischen beiden Werten liefert Informationen über die Wärmeaufnahme des Systems.

Was ist der Unterschied zwischen Wärmemanagement und Kühlung?

Kühlung bezeichnet vor allem den eigentlichen Vorgang der Wärmeabfuhr. Wärmemanagement betrachtet das gesamte System inklusive Sensorik, Steuerung, Wärmeverteilung und Optimierung.

Welche Rolle spielt Liquid Cooling beim Wärmemanagement?

Liquid Cooling nutzt eine Flüssigkeit zum Transport der Wärme. Dadurch kann Wärme näher an leistungsstarken Prozessoren und GPUs aufgenommen werden. Das Verfahren ist insbesondere für Server mit hoher Leistungsdichte interessant.

Können Druck und Temperatur gleichzeitig gemessen werden?

Ja. Kombinierte Druck- und Temperatursensoren erfassen beide Werte an derselben Messstelle.

Welche Anforderungen gelten für Sensoren im Kühlkreislauf?

Wichtige Kriterien sind unter anderem:

  • Medienverträglichkeit (dabei sind beispielsweise Wasser, deionisiertes Wasser, Wasser-Glykol-Gemische sowie Kältemittel in Wärmepumpen- und Kälteanlagen relevant)
  • Messbereich
  • Genauigkeit
  • Reaktionszeit
  • Langzeitstabilität
  • Dichtheit
  • Prozessanschluss
  • elektrische Schnittstelle
Können Sensoren die Energieeffizienz verbessern?

Sensoren senken den Energieverbrauch nicht unmittelbar. Ihre Messwerte ermöglichen jedoch eine bedarfsgerechte Regelung von Pumpen, Lüftern, Ventilen und Kälteanlagen.

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