Kühlung im Rechenzentrum

Jedes Watt, das ein Server aufnimmt, gibt er als Wärme wieder ab. Ein Rechenzentrum mit 1 MW IT-Leistung muss also 1 MW Wärme abführen, rund um die Uhr. Die Kühlung ist deshalb nach der IT selbst der größte Stromverbraucher und der Teil der Infrastruktur, der sich mit der Leistungsdichte am stärksten verändert.

Der Weg der Wärme

Kühlung ist eine Kette. Die Wärme wandert in mehreren Stufen vom Chip nach draußen:

StufeWas passiertTechnik
Am GerätLüfter oder Kühlplatten nehmen die Wärme von Prozessor und Speicher aufServerlüfter, Kühlkörper, Kühlplatten
Im Saalwarme Abluft oder Kühlflüssigkeit wird gesammeltKalt- und Warmgang, Klimageräte, Rücktür-Wärmetauscher, CDU
Im GebäudeKaltwasser transportiert die Wärme zur KälteerzeugungRohrnetz, Pumpen, Kältemaschine
Nach draußendie Wärme geht an die Außenluft oder in ein WärmenetzRückkühlwerk, freie Kühlung, Abwärmenutzung

An jeder Stufe kostet der Transport Strom — für Lüfter, Pumpen und vor allem für die Kältemaschine. Je weniger Stufen und je höher die Temperaturen, desto effizienter die Kühlung.

Luftkühlung

Der klassische Weg: Klimageräte am Rand des Saals blasen kalte Luft in den Doppelboden oder direkt in den Raum, die Server saugen sie vorne an und blasen sie hinten warm aus.

Entscheidend ist, dass kalte und warme Luft sich nicht mischen. Dafür stehen die Racks abwechselnd Front an Front und Rück an Rück, und die Gänge werden eingehaust — entweder der Kaltgang oder der Warmgang. Ohne Trennung kühlt das Rechenzentrum zu einem guten Teil seine eigene Abluft.

Die Klimageräte heißen Präzisionsklimageräte: mit eigenem Kältekreis (CRAC) oder gespeist mit Kaltwasser aus der Zentrale (CRAH).

Wie warm die Zuluft sein darf, empfiehlt die ASHRAE. Für die gängige Geräteklasse liegt der empfohlene Bereich bei 18 bis 27 °C am Servereinlass. Jedes Grad mehr verlängert die Zeit, in der die Kühlung ohne Kältemaschine auskommt.

Flüssigkeitskühlung

Luft stößt an Grenzen, wenn die Leistung je Rack steigt. Klassische Racks liegen bei einigen Kilowatt, Racks mit KI-Beschleunigern bei über 100 kW. So viel Wärme lässt sich mit Luft nicht mehr wirtschaftlich abführen. Dann rückt Wasser näher an die Wärmequelle:

VerfahrenWo das Wasser hinkommt
Rear Door Heat ExchangerWärmetauscher in der Rücktür des Racks
Direct-to-Chip-KühlungKühlplatten direkt auf Prozessor und GPU
Immersionskühlungder ganze Server liegt in nicht leitender Flüssigkeit

Zwischen dem Kühlkreis im Rack und dem Kaltwassernetz des Gebäudes sitzt meist eine Coolant Distribution Unit, die beide Kreisläufe trennt. Mehr dazu unter Wasserkühlung.

Kälteerzeugung

Irgendwo muss die Wärme das Gebäude verlassen:

Kältemaschine. Ein Chiller erzeugt Kaltwasser mit einem Kompressor — zuverlässig bei jedem Wetter, aber mit hohem Stromverbrauch.

Freie Kühlung. Ist die Außenluft kalt genug, wird das Kaltwasser direkt über Wärmetauscher gekühlt, ohne Kompressor. In Mitteleuropa geht das einen großen Teil des Jahres. Siehe Freie Kühlung.

Rückkühlung. Das Rückkühlwerk auf dem Dach gibt die Wärme an die Außenluft ab, trocken oder mit Verdunstung von Wasser. Verdunstung spart Strom, kostet aber Wasser.

Abwärme. Statt sie an die Luft zu verschenken, kann die Wärme in ein Wärmenetz gehen. Je höher ihre Temperatur, desto leichter — ein Vorteil der Flüssigkeitskühlung. Siehe Abwärmenutzung.

Kennzahlen

KennzahlMisst
PUEGesamtverbrauch im Verhältnis zur IT, enthält die Kühlung
CERabgeführte Wärme je Kilowattstunde Kühlstrom
WUEWasserverbrauch je Kilowattstunde IT
ERFAnteil der Abwärme, der genutzt wird

Ein Beispiel aus dem Rechenzentrumsregister: Im Rechenzentrum „RZ 9“ des Bayerischen Landesamts für Steuern gingen 2025 fast 29 % des Stroms in die Kühlung.

Normen

  • DIN EN 50600-2-3 – Regelung der Umgebungsbedingungen

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