Freie Kühlung : Frei, aber nicht umsonst: Der Einsatz von Free Cooling im Rechenzentrum

Der Einsatz der Freien Kühlung ist nicht nur ein Beitrag zur Green IT, sondern auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten durchaus lohnend. Dies wird umso deutlicher, wenn man sich vor Augen hält, dass Rechenzentren die größten Verbraucher in der ITK-Branche darstellen. Dabei muss der größte Teil des Energieverbrauchs für Kühlung und Klimatisierung des White Space aufgewendet werden. Durch die Nutzung der Freien Kühlung ist es RZ-Betreibern nicht nur möglich, ihre Energiekosten zum Teil drastisch zu senken, als positiver Nebeneffekt wird auch noch der CO2-Fußabdruck des Standortes verringert. Free Cooling trägt damit entscheidend zur Wettbewerbsfähigkeit eines RZ-Standortes bei.

Doch wie genau funktioniert das Prinzip der Freien Kühlung? Der Schlüssel liegt im Temperaturgefälle zwischen kühler Außenluft und der wärmeren Luft im Rechenzentrum. Befinden sich die Außentemperaturen oberhalb oder auf dem gleichen Niveau der gewünschten Raumtemperatur, ist der Einsatz der Freien Kühlung nicht oder bestenfalls mit Einschränkungen möglich. In solchen Situationen ist die klassische Kompressorkühlung gefragt, die dann bis zu 100 Prozent der anfallenden Wärmelast abführen muss. Allerdings genügt bereits eine Temperaturdifferenz von lediglich 2°C bis 5°C zur Vorlauftemperatur, um komplett auf mechanische Kälteerzeugung verzichten zu können.

Die einfachste und gleichzeitig effizienteste Art der Freien Kühlung ist die direkte Variante: Dabei wird kühle Außenluft mehrfach gefiltert und ohne Umwege direkt über ein Klappensystem in das RZ geleitet. Als besonders vorteilhaft ist dabei die relativ günstige Realisierung einer solchen Lösung. Dazu gesellt sich ein besonders hoher Wirkungsgrad, der ein großes energetisches Einsparpotential ermöglicht. Doch gibt es auch nicht zu vernachlässigende Nachteile, so muss der Standort des RZ sorgfältig geplant werden. Die Außenluft wird zwar mehrfach gefiltert, bevor sie in das Innere des RZ gelangt, dennoch belasten Autoabgase oder umherfliegende Pollen und Samen die Filter stark und machen eine Reinigung in kurzen Intervallen nötig.

Wird die Wartung dagegen vernachlässigt, ist ein erhöhtes Ausfallrisiko die Folge. Ein Standort, der beispielsweise an einer stark befahrenen Straße oder an landwirtschaftlichen Nutzflächen liegt, scheidet damit grundsätzlich aus. Ein weiterer erheblicher Nachteil der direkten Freien Kühlung ist die Luftfeuchtigkeit. Gelangt zu trockene Luft ins RZ, steigt das Risiko von statischer Aufladung. Ist sie dagegen zu feucht, kann die Oxidation von empfindlichen elektronischen Bauteilen begünstigt werden. Nach ASHRAE TC9.9 darf die relative Luftfeuchtigkeit, abhängig von der Inlet-Temperatur, zwischen 20 und 80 Prozent liegen. In der Praxis bedeutet das, dass die einströmende Außenluft nicht nur gefiltert, sondern auch be- oder entfeuchtet werden muss. Dazu ist ein nicht unerheblicher Aufwand nötig, der Anschaffungs- und Betriebskosten stark ansteigen lässt.

Anders als bei der direkten Freien Kühlung gelangt bei der indirekten Freien Kühlung die kühle Außenluft nicht unmittelbar in das Rechenzentrum. Stattdessen findet der Wärmetransfer in einem außerhalb des Gebäudes installierten Luft-Wasser-Wärmetauschers statt. In seinem Inneren zirkuliert dabei ein Gemisch aus Wasser und Glykol, welches durch die Außenluft heruntergekühlt und schließlich den im RZ installierten Umluftkühlschränken zugeführt wird. Ein integriertes Kühlregister entzieht schließlich der Umgebung die Wärme. Als besonders vorteilhaft erweist sich bei der indirekten Freien Kühlung der Umstand, dass ein Betrieb weder von den örtlichen Gegebenheiten noch von den aktuell vorherrschenden klimatischen Bedingungen abhängig ist. Den einzigen wirklichen Nachteil stellen Übertragungsverluste dar, die den Wirkungsgrad negativ beeinflussen. Da bei der indirekten Freien Kühlung, im Vergleich zur direkten Variante, mindestens ein zusätzlicher Wärmetauscher nötig ist, lässt sich dieses Manko auch nicht umgehen. Ab welcher Außentemperatur auf mechanisch erzeugte Kälte verzichtet werden kann, hängt grundsätzlich vom Aufbau des Kühlsystems ab. Werden beispielsweise Kaltwassersätze eingesetzt, kann die komplette Kühlung des RZ bereits ab einer Außentemperatur von 15°C komplett durch die Freikühlregister abgedeckt werden.

Die Leistungsfähigkeit der Freien Kühlung korreliert immer unmittelbar mit der Außentemperatur. Je höher die Temperatur, desto weniger Reserven bietet Free Cooling. Doch auch für dieses Problem gibt es eine adäquate Lösung: den gleitenden Mischbetrieb. Das bedeutet letztlich, dass die verbleibenden Reserven der Freien Kühlung immer voll genutzt werden und die noch fehlende Differenz zur Soll-Temperatur durch mechanische Kälteerzeugung beigesteuert wird. Bei der direkten Freien Kühlung wird der zugeführten Außenluft einfach direkt von Umluftkühlgeräten gekühlte Luft beigemischt, um so die geforderte Temperatur zu erreichen. Ganz ähnlich verhält es sich beim gleitenden Betrieb der indirekten Freien Kühlung: Liegt die Außentemperatur deutlich unterhalb der benötigten Temperatur im RZ, können bis zu 100 Prozent der anfallenden Wärmelast durch die indirekte Freie Kühlung abgeführt werden. Ermöglicht die Temperatur dagegen nur einen teilweisen Betrieb der indirekten Freien Kühlung, greift die mechanische Kälteerzeugung unterstützend ein. Wenn an einem heißen Sommertag die Leistungsfähigkeit der indirekten Freien Kühlung nicht mehr ausreichend ist, sorgen Umluftkühlgeräte für einen stabilen Betrieb im RZ und übernehmen bis zu 100 Prozent der anfallenden Wärmelast. Bereits ab einer Außentemperatur, die 2°C bis 5°C unterhalb der Rücklauftemperatur liegt, kann der Mischbetrieb eingesetzt werden.

Die Effektivität der Freien Kühlung kann durch den physikalischen Effekt der Verdunstungskälte (Adiabatik) noch weiter gesteigert werden. Dabei wird von Düsen fein zerstäubtes Wasser auf die Lamellen des Wärmetauschers gesprüht. Beim Phasenübergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand entzieht das Wasser der Umgebungsluft Wärme und kühlt diese ab. Das Verfahren hat allerdings auch Nachteile: So ist die Bildung von gesundheitsschädlichen Keimen (Legionellen) möglich. Damit es soweit nicht kommt, sind geeignete Maßnahmen wie eine Erhöhung des Wasserdurchsatzes, eine regelmäßige Reinigung der Wärmetauscher oder der Einsatz von Bioziden zu ergreifen. Dabei ist zu bedenken, dass sich bei einem gesteigerten Durchsatz auch der Wasserverbrauch negativ auf die Bilanz auswirken kann.

Bei einem sogenannten Airhandler handelt es sich um eine Standalone-Klimalösung, die in einem Container untergebracht ist und außerhalb des RZ installiert wird. Diese Geräte sparen wertvollen Platz im Inneren des RZ und weisen eine besonders vorteilhafte CO2-Bilanz auf.

Durch ihren “All-In-One“-Charakter sind sie einfach und ohne größere bauliche Veränderungen am Gebäude in bereits bestehende Infrastrukturen integrierbar. Dabei können Großkühlanlagen, wie etwa die Ecoflair Airhandler von Schneider Electric, ebenfalls auf das Prinzip der Freien Kühlung inklusive Adiabatik zurückgreifen. Die Airhandler bieten einen besonders hohen Wirkungsgrad, der unter anderem aus der schieren Größe der integrierten Wärmetauscher resultiert. Während die Luft-Wasser-Wärmetauscher beim Wärmeübergang deutliche Verluste aufweisen, fällt dieser Nachteil bei Airhandlern deutlich weniger ins Gewicht. Im Vergleich zu konventionellen Kaltwassersätzen, die mit Freier Kühlung und Adiabatik ausgestattet sind, arbeiten Airhandler besonders effektiv. Nachteilig wirken sich dagegen die deutlich höheren Anschaffungskosten gegenüber normalen Chillern aus.

Warum kein RZ-Betreiber auf den Einsatz der Freien Kühlung verzichten sollte, zeigt die folgende Beispielrechnung: Geht man exemplarisch von einem Rechenzentrum (RZ) mit einer benötigten Kälteleistung von 1 Megawatt am Standort Frankfurt am Main aus, liegt der Stromverbrauch der Anlage bei Kühlung durch konventionelle Chiller und Umluftkühlung bei 1.465.290 kWh (1,167 pPUE) pro Jahr. Ersetzt man den Chiller nun durch ein Modell mit Freier Kühlung und Adiabatik, sinkt der Stromverbrauch des RZs auf lediglich 542.384 kWh (1,062 pPUE) pro Jahr. Das energetische Einsparpotential liegt somit bei deutlich über 50 Prozent. Der Einsatz der Freien Kühlung in Kombination mit Adiabatik bringt auch hinsichtlich der CO2-Emissionen beachtliche Vorteile. So fallen beim normalen Chiller 772 t des Treibhausgases pro Jahr an, während die Kombination aus freier Kühlung und Adiabatik noch auf lediglich 286 t im Jahr kommt. Damit ist Free Cooling nicht nur unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten Pflicht, sondern auch aus ökologischer Sicht.

Der Einsatz von Free Cooling trägt ganz erheblich zur Reduzierung der Energiekosten bei. Wird die Freie Kühlung zusätzlich noch um Adiabatik ergänzt, lassen sich die Ergebnisse noch einmal deutlich verbessern. Mit dieser leistungsfähigen Kombination ist der Freikühlbetrieb bereits ab einer Außentemperatur von 28°C möglich. Die freie Kühlung schont so nicht nur die Finanzen des Unternehmens, sondern dank deutlich verringerter CO2-Emissionen auch die Umwelt. Die alleinige Fokussierung auf die Freie Kühlung ist allerdings zu kurz gedacht. Der gleitende Mischbetrieb sowie der Einsatz adiabatischer Kühllösungen sollte in jedem Fall in Betracht gezogen werden, um die Energieeffizienz des Rechenzentrums zu maximieren.