Adiabatische Kühlung
Adiabatische Kühlung, auch Verdunstungskühlung, nutzt einen einfachen Effekt: Wasser braucht Energie, um zu verdunsten. Wird es in einen Luftstrom gesprüht oder über feuchte Matten geführt, holt es sich diese Energie aus der Luft, und die Luft wird kühler. Dasselbe passiert auf nasser Haut im Wind.
Ein Kilogramm verdunstetes Wasser nimmt dabei rund 2.450 Kilojoule auf, das sind etwa 0,68 kWh. Für diese Kälte läuft kein Verdichter, nur Pumpen und Ventilatoren.
Warum adiabatisch
In der Thermodynamik heißt ein Vorgang adiabatisch, wenn keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. Bei der Verdunstungskühlung bleibt der Energieinhalt der Luft nahezu gleich: Sie verliert fühlbare Wärme, also Temperatur, und gewinnt im selben Maß latente Wärme, gebunden im Wasserdampf. Die Luft wird kühler und feuchter, aber nicht energieärmer. Daher der Name.
Wie weit sich Luft abkühlen lässt
Die Grenze ist die Feuchtkugeltemperatur: die Temperatur, die ein nasses Thermometer im Luftstrom anzeigt. Je trockener die Luft, desto größer der Abstand zur gemessenen Lufttemperatur und desto mehr Kühlung ist möglich.
| Luft | Lufttemperatur | Feuchtkugeltemperatur | mögliche Abkühlung |
|---|---|---|---|
| warm und trocken | 32 °C, 30 % relative Feuchte | rund 20 °C | bis rund 12 K |
| warm und feucht | 32 °C, 70 % relative Feuchte | rund 27,5 °C | bis rund 4,5 K |
Praktisch erreichen Anlagen 70 bis 90 % dieses Abstands. In Mitteleuropa reicht das an den meisten heißen Tagen, weil hohe Temperaturen hier meist mit eher trockener Luft einhergehen. An schwülen Tagen bleibt wenig Spielraum — dafür steht die Kennzahl Maximum Wet Bulb, mit der Rechenzentren ihre Kühlung auslegen.
Direkt und indirekt
Direkte adiabatische Kühlung. Die befeuchtete Luft wird selbst in den Raum geblasen. Einfach und wirksam, aber die Raumluft wird feuchter und kommt mit Wasser in Berührung. Für Hallen und Werkstätten verbreitet, im Rechenzentrum selten.
Indirekte adiabatische Kühlung. Befeuchtet wird nur ein zweiter Luftstrom, meist Außen- oder Abluft. Er kühlt über einen Wärmetauscher die Raumluft, ohne sich mit ihr zu mischen. Feuchte und Keime bleiben draußen. Diese Bauform ist im Rechenzentrum üblich.
Im Rechenzentrum
| Einsatz | Wie |
|---|---|
| Indirekte Verdunstungskühlung | Luft-Luft-Wärmetauscher zwischen Data Hall und Außenluft, Außenseite bei Bedarf befeuchtet |
| Adiabatische Vorkühlung am Rückkühler | Wasser wird vor die Wärmetauscher-Lamellen gesprüht oder über Matten geführt, die angesaugte Luft kühlt sich ab — siehe Rückkühlwerk |
| Kühlturm | Kreislaufwasser verdunstet teilweise direkt, die effizienteste und wasserintensivste Form |
In allen drei Fällen verlängert die Verdunstung die Stunden, in denen freie Kühlung genügt und der Chiller aus bleiben kann. Das senkt den Stromverbrauch und die PUE.
Wasser und Hygiene
Der Preis ist Wasser. Was verdunstet, ist weg, und zusätzlich muss Wasser abgeschlämmt werden, damit sich Kalk und Salze nicht anreichern. Wie viel ein Rechenzentrum verbraucht, misst die Water Usage Effectiveness. Viele Anlagen befeuchten deshalb nur an heißen Tagen und laufen den Rest des Jahres trocken.
Wo Wasser versprüht wird und warm steht, können sich Legionellen vermehren. Verdunstungskühlanlagen brauchen deshalb Wasseraufbereitung, regelmäßige Untersuchungen und Wartung nach VDI 2047 Blatt 2; Anlagen, bei denen Wasser in die Außenluft gelangt, fallen in Deutschland unter die 42. BImSchV mit Anzeige- und Prüfpflichten.
Normen
- VDI 2047 Blatt 2 – Verdunstungskühlanlagen, Sicherstellung des hygienegerechten Betriebs
- 42. BImSchV – Verordnung über Verdunstungskühlanlagen, Kühltürme und Nassabscheider