Beim Versuch, die Energieeffizienz von Rechenzentren zu verbessern, ist die Klimatechnik ein zentraler Ansatzpunkt. Als Königsweg zur Effizienzsteigerung gilt dabei der Einsatz von Freikühlsystemen. Welche der verfügbaren Varianten in Frage kommt, hängt vom Einzelfall ab. Der Trend geht in Richtung der zweistufigen indirekten freien Kühlung.

Rund ein Drittel des Gesamtenergieverbrauchs von Rechenzentren entfällt auf die Klimatisierung. Dies ergab eine Auswertung des Borderstep-Instituts für Innovation und Nachhaltigkeit, das den Energiebedarf deutscher Rechenzentren im Jahr 2013 untersuchte. RZ-Betreiber, die die Energiebilanz ihres Rechenzentrums nachhaltig verbessern wollen, setzen folglich auch meist bei der Klimatechnik an. Folgt man der Einschätzung von Experten, liegen dort enorme Einsparpotenziale brach: Zum Teil ist von Energiesparmöglichkeiten in einer Größenordnung von annähernd 50 Prozent die Rede. Defensivere Schätzungen sprechen immer noch von 15 bis 30 Prozent. Doch die Frage nach der Erschließung der Sparpotenziale lässt sich nicht trivial beantworten.
Als Königsweg zu einer energieeffizienten RZ-Klimatisierung sehen viele Fachleute heute die freie Kühlung an, also die Kühlung durch Einsatz von Außenluft. Neuinstallationen sind inzwischen überwiegend mit Freikühloptionen ausgestattet. Auch die Umrüstung bestehender Systeme hat oft die Nutzung dieser Kühlmethode zum Ziel. Dies hat vor allem zwei Gründe: Zum einen zwingen steigende Stromkosten und verschärfte Umweltschutzvorschriften die RZ-Betreiber dazu, den Einsatz von Kompressoren und Ventilatoren auf ein Minimum zu reduzieren. Zum anderen ist das Gesamttemperaturniveau im Rechenzentrum inzwischen so weit gestiegen, dass die Außenluft speziell in den gemäßigten Breiten effektiver zur RZ-Kühlung dienen kann als in den vergangenen Jahrzehnten.
War vor zwanzig Jahren noch eine Zulufttemperatur von etwa 12°C sowie eine Rücklufttemperatur von 22°C bis 24°C Standard, wird die Zulufttemperatur heute dagegen gemäß ASHRAE-Empfehlung TC 9.9 (2011) zwischen 18°C und 27°C eingeregelt, woraus Rücklufttemperaturen von 25°C bis 40°C resultieren. Da sich Freikühlung wirksam nutzen lässt, sobald die Außentemperatur etwa 5°C unter der Rücklufttemperatur liegt, steht ihrem Einsatz angesichts dieses Wandels nichts mehr entgegen. Im DACH-Raum etwa bie-ten Jahresdurchschnittstemperaturen zwischen 6°C (Österreich) und 9°C (Deutschland) beste Voraussetzungen.
Der Trend zur Freikühlung bedeutet allerdings keineswegs, dass Kompressoren gänzlich in den Hintergrund treten. Auch der effektivsten Freikühlanlage steht immer eine Kompressorkühlung zur Seite, die die Kühlaufgaben komplett übernehmen kann. Ist zum Beispiel die Außenluft zu warm oder entstehen technische Defekte an den Freikühleinrichtungen, muss das Klimasystem jederzeit auf Kompressorbetrieb umstellen können. Das eigentliche Ziel jedoch bleibt, die Zahl der Kompressorstunden zu verringern und so eine nachhaltige Senkung der Klimatisierungskosten zu erreichen. Im Idealfall kommt das RZ dabei so häufig wie möglich allein mit Freikühlung aus. Wo dieses Ziel nicht erreichbar ist, bringt jedoch oft auch schon ein Mix aus Kompressor- und Freikühlung exzellente Resultate. In jedem Fall geht es darum, für die angestrebte Kühlwirkung so wenig Energie wie möglich einzusetzen und die schon vorhandene Kaltluft deshalb optimal zu nutzen.
RZ-Betreibern, die auf freie Kühlung setzen, stehen grundsätzlich mehrere Wege offen. Die höchste Effizienz aller Freikühlsysteme bietet – zumindest in der Theorie – die direkte freie Kühlung, bei der kalte Außenluft durch das RZ transportiert wird. Der Energieaufwand dieses Verfahrens, das mit einer Durchzugslüftung vergleichbar ist, beschränkt sich dabei zunächst auf den Transport der Luft durch das RZ-Gebäude.
Dies erscheint auf den ersten Blick als nahezu perfekte, weil äußerst Kosten sparende Lösung. Bei näherem Hinsehen indessen relativiert sich dieser Eindruck. Denn die Qualität der Außenluft ist IT-Anlagen nicht immer zuträglich: Hohe Luftfeuchtigkeit oder -trockenheit, Staubteilchen oder Rußpartikel können das empfindliche IT-Equipment irreversibel beschädigen, sodass die Außenluft gefiltert und ent- oder befeuchtet werden muss, ehe sie in das Rechenzentrum gelangt. Dieser Zusatzaufwand kann jedoch abhängig vom RZ-Standort derart hoch ausfallen, dass er die Vorteile der direkten freien Kühlung zunichte macht. Diese Klimatechnik lässt sich folglich nur in Regionen mit sehr sauberer und mäßig feuchter Luft sinnvoll nutzen.
Will der Betreiber vermeiden, dass das IT-Equipment mit der Außenluft in Berührung kommt, bieten sich als Alternativen die einstufige und zweistufige indirekte Freikühlung an. Bei beiden Lösungen wird die Kühlwirkung der Außenluft genutzt, ohne diese in den Innenbereich eines Rechenzentrums einzuleiten. Die einstufige Freikühlung bedient sich dazu eines Luft-Luft-Wärmetauschers, der sich im Rechenzentrum in der Regel direkt an der Außenwand befindet und wahlweise als würfelförmiges Gehäuse oder als rotierendes Wärmerad ausgeführt ist.
Die Luft im RZ ist durch den Innenbereich des Wärmetauschers, die Außenluft hingegen durch dessen Außenbereich geführt, sodass sich beide Luftströme nicht miteinander vermischen und nur der angestrebte Wärmeaustausch stattfindet. Dieses Klimasystem zeichnet sich ebenfalls durch sehr hohe Effizienz aus, weist jedoch zwei Nachteile auf: Erstens müssen große Luftmengen zielgenau zu dem Wärmetauscher gelangen, was den Energieaufwand des Lufttransports deutlich erhöht. Zweitens benötigen die Luft-Luft-Wärmetauscher sehr viel Platz, da sie weit größer sind als Wärmetauscher herkömmlicher Klimageräte. Die Vorteile dieses Systems lassen sich deshalb letztlich nur in sehr großzügig dimensionierten Räumlichkeiten nutzbar machen, wo die erforderlichen Öffnungen in der Bausubstanz ohne Schwierigkeiten zu realisieren sind.
Da der Platz zur Unterbringung des Klimasystems in den meisten Rechenzentren tendenziell begrenzt ist, stellt die zweistufige indirekte freie Kühlung die gegenwärtig am weitesten verbreitete indirekte Freikühllösung dar. Dieses Konzept arbeitet mit zwei Wärmetauschern. Der erste befindet sich im Klimagerät im RZ und überträgt die Abluftwärme auf ein Fluid, das über Rohrleitungen in den Außenbereich des RZs gepumpt wird. Dort wird die Wärme über einen zweiten Wärmetauscher an die Außenluft abgegeben und das heruntergekühlte Fluid anschließend zurück ins RZ geleitet. Ist die Außenluft nicht kalt genug, um das Fluid ausreichend zu kühlen, realisiert das System einen Mischbetrieb aus Freikühlung und ergänzender Kompressorkühlung oder stellt sich komplett auf Kompressorkühlung um. Moderne Anlagen wie etwa die Klimasysteme von Stulz zögern diese Komplettumstellung durch einen gleitenden Mischbetrieb höchst wirkungsvoll hinaus: Abhängig von der aktuellen Freikühlleistung regeln die Kompressoren stufenlos höher oder tiefer, sodass der Effekt der freien Kühlung so lange wie möglich bestehen bleibt. Selbst bei Außentemperaturen von 30°C kann die Außenluft auf diese Weise noch immer einen Teil zur Klimatisierung der Server-Räume beitragen.
Bei der zweistufigen indirekten freien Kühlung haben sich zwei Grundvarianten herausgebildet, deren Einsatz von der Größe des Rechenzentrums abhängt. Bis zu einer Klimatisierungsleistung von 500 kW kommen meist DX-Geräte (Direct Expansion) mit geschlossenem Kältemittelkreislauf und Freikühlwärmetauscher sowie externem Rückkühler zum Einsatz. Zwischen dem Klimagerät und dem Rückkühler zirkuliert ein Wasser-Glykol-Gemisch.
Ist die Außenluft so warm, dass sie das Wasser-Glykol-Gemisch nicht hinreichend herunterkühlen kann, entsteht die Kälte teilweise oder komplett durch dezentrale Verdichter direkt in den Klimageräten. Auch größere Rechenzentren mit über 500 kW Wärmelast sind heute teilweise schon in Ausbaustufen zu je 500 kW unterteilt und dann jeweils mit DX-Klimatisierungen versehen.
Alternativ dazu setzen Betreiber ab einer Klimatisierungsleistung von 500 kW CW-Systeme (Chilled Water) – sogenannte Kaltwassersätze – mit Kaltwasserklimageräten im RZ und Freikühlregister außerhalb des Gebäudes ein. Bei diesem Ansatz geht die Wärme an ein Wasser-Glykol-Gemisch über, das auf dem Gebäudedach durch Außenluft gekühlt wird. Reicht die Außenluftkälte alleine nicht aus, schaltet sich ein Kältemittelkreislauf mit zentralem Verdichter zu, der für die erforderliche Kaltwasser-Temperatur sorgt. Auch dabei ermöglichen moderne Klimasysteme einen gleitenden Mischbetrieb von Freikühlung und Kompressorkühlung, sodass die Vorteile der freien Kühlung optimal zur Geltung kommen.
 
Entscheidung des Betreibers
Welcher Weg der freien Kühlung für ihr Rechenzentrum in Frage kommt, müssen RZ-Betreiber letzten Endes anhand einer konsequenten Analyse aller Standort- und Bedarfsfaktoren ermitteln. Spezielle Prüfstände, wie sie etwa Stulz zur Verfügung stellt, bieten dabei Unterstützung und erleichtern die individuelle Konfiguration und Parametrisierung des Klimasystems.
Auf jeden Fall aber sollten Betreiber sich darauf einstellen, dass an der freien Kühlung bereits heute kein Weg mehr vorbeiführt. Tatsächlich gehen Experten sogar davon aus, dass die Temperaturresistenz des IT-Equipments weiter steigen wird und so das Ende der Kompressorkühlung eingeläutet naht: Das RZ der Zukunft jedenfalls, so die Vision, kommt allein mit freier Kühlung aus. So weit ist es zwar noch nicht. Doch wer nach wie vor allein auf Kompressoren setzt, entscheidet sich zugunsten einer Technik, deren Tage gezählt sind und die keine vertretbaren Effizienzwerte mehr verspricht.

Indirekte freie Kühlung mit Kaltwassersätzen am Beispiel eines CW-Systems.

Aufbau eines RZs mit Kaltwassersätzen und CW-Geräten.

Indirekte freie Kühlung mit Rack-Kühlern am Beispiel eines GE-Systems von Stulz.