Freie Kühlung

Abkürzung: Freecooling

Freie Kühlung bezeichnet Verfahren, die Wärme aus einem Rechenzentrum abführen, ohne dass eine Kältemaschine läuft. Genutzt wird stattdessen die Außentemperatur. Der Kompressor, der sonst den größten Einzelverbraucher der Klimatisierung darstellt, bleibt dabei aus.

Weil Kühlung nach der IT-Technik der zweitgrößte Posten im Stromverbrauch ist, schlägt das unmittelbar auf den PUE durch.

Direkt oder indirekt

Direkte freie Kühlung führt Außenluft gefiltert in den Raum und bläst die Warmluft nach draußen. Sie ist die einfachste und wirksamste Variante — und die mit den meisten Nebenbedingungen:

Die Luft muss gefiltert werden, und zwar nicht nur gegen Staub. In Industrie- und Küstennähe sind Schadgase und Salz ein Problem, weil sie Leiterplatten angreifen.
Die Feuchte muss im Rahmen bleiben. Zu trocken begünstigt elektrostatische Aufladung, zu feucht führt zu Kondensation an kalten Bauteilen.
Bei schlechter Außenluft muss die Anlage auf Umluft umschalten können.

Indirekte freie Kühlung trennt die Luftkreisläufe. Ein Wärmetauscher oder ein Kaltwassersatz mit Freikühlfunktion gibt die Wärme nach außen ab, ohne dass Außenluft in den Raum gelangt. Das kostet etwas Wirkungsgrad, ist dafür unempfindlich gegen Luftqualität — und in der Praxis die verbreitetere Lösung.

Die Temperaturfrage entscheidet alles

Wie viele Stunden im Jahr freie Kühlung möglich ist, hängt weniger vom Standort ab als von einer Entscheidung des Betreibers: wie warm die Zuluft sein darf.

Lange galten rund 20 Grad als selbstverständlich. Die Empfehlungen der ASHRAE erlauben deutlich mehr — Geräte der üblichen Klassen vertragen Zulufttemperaturen bis in den Bereich um 27 Grad und darüber, ohne dass die Ausfallraten nennenswert steigen.

Jedes Grad, das man zulässt, verlängert die Freikühlzeit erheblich. In Mitteleuropa lässt sich damit der überwiegende Teil des Jahres ohne Kältemaschine abdecken; vollständig gelingt es nicht, für die heißen Tage bleibt sie als Reserve nötig.

Der Widerstand dagegen ist selten technisch. Ein Serverraum bei 27 Grad fühlt sich für den, der darin arbeitet, falsch an — und viele Betreiber fahren deshalb kälter, als sie müssten.

Adiabate Unterstützung und ihr Preis

Reicht die Außentemperatur nicht ganz, hilft Verdunstung: Wasser wird in den Luftstrom gesprüht oder über Verdunstungsflächen geführt und senkt die Temperatur um einige Grad. Das verlängert die Freikühlzeit in die wärmeren Monate hinein.

Bezahlt wird das mit Wasserverbrauch, und zwar an genau den Tagen, an denen Wasser knapp ist. Hier liegt der Zielkonflikt zwischen PUE und WUE: Wer den einen Wert durch adiabate Kühlung verbessert, verschlechtert den anderen. Eine Anlage mit hervorragendem PUE kann im Sommer erhebliche Mengen Trinkwasser verdunsten, und das taucht in der Effizienzkennzahl nicht auf.

Das Zusammenspiel mit der Luftführung

Freie Kühlung wirkt nur, wenn die kalte Luft dort ankommt, wo sie gebraucht wird. Die Trennung von Kaltgang und Warmgang ist deshalb keine getrennte Maßnahme, sondern die Voraussetzung: Vermischen sich Zu- und Abluft, muss man kälter fahren, als eigentlich nötig wäre — und verliert genau die Stunden, in denen die Außenluft gerade noch gereicht hätte.

Grenzen

Bei hohen Leistungsdichten stößt Luft als Kühlmedium an ihre Grenzen, unabhängig davon, woher sie kommt. Racks mit Beschleunigern für KI-Berechnungen werden mit Wasser am Chip oder mit Immersionskühlung betrieben.

Das hebt die freie Kühlung nicht auf, sondern verschiebt sie: Auch ein Wasserkreislauf muss seine Wärme irgendwo abgeben, und das geschieht bei entsprechender Außentemperatur ebenfalls ohne Kältemaschine. Weil Wasserkreisläufe mit höheren Temperaturen arbeiten können als Luftkühlung, ist dort sogar mehr Freikühlzeit möglich — ein Vorteil, der in der Diskussion um Flüssigkühlung oft untergeht.

Normen

EN 50600-2-3 – Regelung der Umgebungsbedingungen