Kühlung für Rechenzentren: Was die Anlage leisten muss – und wo die Effizienz entsteht

Die Kühlung eines Rechenzentrums läuft im Dauerbetrieb und gehört zugleich zu den größten Posten der Betriebskosten. Wie weit sich Verfügbarkeit und Effizienz zusammenbringen lassen, entscheidet sich früh: bei der Kaltwassertemperatur, beim Redundanzkonzept, bei der Regelstrategie und bei der Frage, wie viel Kühlleistung sich ohne Verdichter erledigen lässt.

Warum die Kühlung im Rechenzentrum ein Sonderfall ist

In vielen Industrieanwendungen schwankt die Kühllast erheblich – mit dem Schichtbetrieb, mit Chargen, über den Tag. Im Rechenzentrum fällt die Wärmelast weitgehend gleichmäßig an: Praktisch die gesamte aufgenommene elektrische Leistung der IT wird wieder als Wärme frei und muss abgeführt werden. Das verschiebt die Prioritäten der Auslegung.

Stabilität vor Spitzenleistung. Die maximale Kälteleistung sagt wenig darüber aus, wie gut eine Anlage im Rechenzentrumsbetrieb arbeitet. Wichtiger ist, wie eng sie die Zulufttemperatur über lange Zeiträume hält. Maßgeblich sind dabei die zulässigen Betriebsbedingungen der IT – Temperatur und Feuchte innerhalb der Grenzen, die Hersteller und Betreiber festlegen. Schwankungen innerhalb dieses Fensters sind in der Regel unkritisch; kritisch wird es, wenn die Grenzen verlassen werden oder die Regelung dem Lastwechsel nicht folgen kann.

Redundanz über die gesamte Kette. Dazu gehören Kälteerzeuger, Pumpen, Hydraulik, Regelung und Stromversorgung. Ein redundant ausgeführter Chiller nützt wenig, wenn die Verteilung einsträngig gebaut ist.

Wartbarkeit im laufenden Betrieb. Für einen Pumpentausch lässt sich ein Rechenzentrum nicht abschalten. Absperrbarkeit, Zugänglichkeit und ein tragfähiges Umschaltkonzept gehören deshalb schon in die Planung.

Serverraum oder Rechenzentrum: zwei verschiedene Aufgaben

„Serverraum-Kühlung” und „Rechenzentrum-Kühlung” werden häufig synonym verwendet. Technisch sind es zwei Klassen.

Ein Serverraum im Unternehmen liegt typischerweise im einstelligen bis niedrigen zweistelligen Kilowattbereich. Dort arbeiten meist Direktverdampfer-Splitgeräte oder kompakte Kaltwassersätze; die Redundanz entsteht über ein zweites, unabhängiges Gerät.

Ein Rechenzentrum beginnt dort, wo Leistungsdichte, Redundanzanforderung und Dauerbetrieb ein eigenes Kältesystem rechtfertigen: zentrale Kälteerzeugung, Kaltwassernetz, definierte Lastzonen, übergeordnete Regelung. Ab dieser Größe geht es in der Planung um die Anlagenstruktur und nicht mehr um die Gerätewahl. Dort liegen dann auch die Unterschiede im Energieverbrauch.

Kälteerzeugung und Klimatisierung getrennt betrachten

In Ausschreibungen tauchen „Rechenzentrum-Klimatisierung” und „Rechenzentrum-Kühlung” oft in einem Atemzug auf. Für die Planung lohnt die Trennung:

• Die Kälteerzeugung stellt Kaltwasser bereit – Chiller, Rückkühler, Pumpen, Hydraulik.
• Die Klimatisierung bringt diese Kälte an die Hardware – Umluftkühlgeräte, Luftführung, Kalt-/Warmgangtrennung, Volumenströme.

Beide Seiten müssen aufeinander abgestimmt sein. Eine effiziente Kälteerzeugung verliert ihren Vorteil, wenn die Luftführung Kalt- und Warmluft vermischt, weil die Rücklauftemperatur dann nicht mehr zur Auslegung passt. In der Bestandsbewertung ist diese Schnittstelle erfahrungsgemäß die ergiebigste Stelle: Sie lässt sich oft ohne Eingriff in die Kälteerzeugung verbessern.

Freie Kühlung und die Kaltwassertemperatur

Den größten Einfluss auf die Betriebskosten hat die freie Kühlung – der Betrieb, bei dem die Außenluft die Wärme abführt und der Verdichter ganz oder teilweise stillsteht.

Eine zentrale Stellgröße ist die Kaltwassertemperatur. Höhere Vorlauftemperaturen vergrößern in der Regel das nutzbare Potenzial für freie Kühlung. Wie viele Freikühlstunden im Jahr tatsächlich zusammenkommen, hängt allerdings vom Gesamtsystem ab – von der Auslegung der Rückkühler, von der Hydraulik, von der Regelung und von den klimatischen Bedingungen am Standort. Eine unnötig tief angesetzte Kaltwassertemperatur schränkt dieses Potenzial über die gesamte Anlagenlebensdauer ein und lässt sich später nur mit erheblichem Aufwand korrigieren.

Ebenso wichtig ist der Übergang zwischen den Betriebsarten. Eine Regelung, die nur zwischen Freikühlung und Verdichterbetrieb umschaltet, lässt den Mischbereich ungenutzt. Sinnvoller ist ein gleitender Übergang, der beide Betriebsarten an die aktuelle IT-Last anpasst.

Die abgeführte Wärme lässt sich über eine Wärmerückgewinnung weiter nutzen, statt sie vollständig an die Umgebung abzugeben. Dafür braucht es allerdings einen Abnehmer und ein Temperaturniveau, das zu dessen Anforderungen passt – beides gehört früh in die Konzeption.

Natürliche Kältemittel im Rechenzentrum

Die europäische F-Gas-Verordnung schränkt synthetische Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial (GWP) schrittweise ein. Für eine Kälteanlage, die 15 Jahre und länger laufen soll, wirkt sich das auf die Wirtschaftlichkeit über die Laufzeit aus: bei Nachfüllmengen, bei der Verfügbarkeit im Servicefall und beim Restwert der Anlage.

Propan (R290) hat sich in diesem Umfeld etabliert. Es hat ein GWP von 0,02, gute thermodynamische Eigenschaften und erreicht hohe Wirkungsgrade auch bei den höheren Vorlauftemperaturen, die für Freikühlung und Wärmerückgewinnung gebraucht werden. Propan ist brennbar und in die Sicherheitsgruppe A3 eingeordnet; begrenzte Füllmengen und ein passendes Sicherheitskonzept gehören deshalb zwingend dazu. In der Praxis wird das häufig über die Aufstellung der Technikzentrale im Außenbereich gelöst.

Einen Überblick über CO₂, Ammoniak und Propan mit ihren Kennwerten und Einsatzbereichen finden Sie auf unserer Seite zu natürlichen Kältemitteln.

Was das Energieeffizienzgesetz für die Kältetechnik bedeutet

Für Rechenzentren in Deutschland stellt das Energieeffizienzgesetz (EnEfG) Anforderungen an die Energieeffizienz. Herangezogen wird dabei die PUE (Power Usage Effectiveness), also das Verhältnis des gesamten Energiebedarfs zum Energiebedarf der IT. Hinzu kommen Anforderungen an die Nutzung der Abwärme.

Welche Werte, Fristen und Nachweispflichten im Einzelfall gelten, hängt unter anderem von der Anschlussleistung, vom Zeitpunkt der Inbetriebnahme und von der jeweils geltenden Fassung der gesetzlichen Vorgaben ab. Für ein konkretes Vorhaben gehört das zu Beginn der Planung geprüft, weil sich daraus Anforderungen an Messtechnik und Anlagenkonzept ergeben.

Für die Kältetechnik ergeben sich daraus einige Konsequenzen, unabhängig vom einzelnen Grenzwert. Der Anteil der Kühlung am Gesamtstromverbrauch wird zu einer Größe, die belegt werden muss – das setzt Zähler, Sensorik und ein Messkonzept voraus, die von Anfang an mitgeplant werden. Kaltwassertemperatur und Freikühlkonzept bestimmen wesentlich mit, welche Werte ein Standort überhaupt erreichen kann, und werden in der Auslegung festgelegt. Und die Wärmerückgewinnung rückt aus der reinen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung heraus.

Aus der Praxis: NorthC Datacenters, München

Für die NorthC Datacenters GmbH hat KSI Kältetechnik am Standort München den ersten Ausbauschritt der Zentralkühlung realisiert – als energetische Sanierung im laufenden Rechenzentrumsbetrieb, ohne Unterbrechung der bestehenden IT-Infrastruktur.

Die Eckpunkte:

• Kältemittel: R290 (Propan)
• Kühlleistung: 1,0 MW
• Redundanz: 100 %, alle Pumpen redundant ausgeführt
• Betriebsweise: dynamischer Wechsel zwischen Kühl- und Freikühlbetrieb, geführt nach aktueller IT-Last
• Wärmerückgewinnung in die Kühlzentrale integriert
• Regelung: Siemens-Zentralsteuersystem mit Visualisierung und gesichertem Fernzugriff
• Aufbau: Technikzentrale vollständig im Außenbereich, parallel zum laufenden Betrieb errichtet
• Planung: vollständig in 3D, wegen der begrenzten Dachfläche

Zwei Punkte prägten die Ausführung. Die Technikzentrale wurde vollständig im Außenbereich und parallel zum laufenden Betrieb errichtet, sodass das Rechenzentrum während der Bauzeit weiterlief. Und die vollständige 3D-Planung war angesichts der begrenzten Dachfläche die Voraussetzung dafür, alle Komponenten sicher aufeinander abzustimmen.

Die Anlage ist so ausgelegt, dass weitere Ausbaustufen ohne Eingriff in die Grundstruktur angeschlossen werden können. Alle Details zum Projekt stehen in der Referenz NorthC Datacenters.

Woran sich eine belastbare Auslegung erkennen lässt

Wer ein Kältekonzept für ein Rechenzentrum bewertet – ob Neubau oder Sanierung –, kommt mit diesen Fragen weit:

1. Welche Kaltwassertemperatur ist angesetzt, und wie ist sie begründet? Höhere Vorlauftemperaturen vergrößern das Potenzial für freie Kühlung, verlangen aber eine entsprechende Auslegung auf der Luftseite.
2. Wie viele Freikühlstunden werden für den Standort gerechnet, und auf welcher Datenbasis? Die Annahmen sollten offenliegen.
3. Ist die Redundanz durchgängig? Über Erzeuger, Pumpen, Hydraulik und Regelung hinweg.
4. Lässt sich im Betrieb warten? Absperrbarkeit, Zugänglichkeit, Umschaltkonzept.
5. Wie verhält sich die Anlage in Teillast? Rechenzentren laufen selten am Auslegungspunkt.
6. Trägt das Kältemittel über die geplante Anlagenlebensdauer?
7. Welche Messtechnik ist vorgesehen? Ohne Zähler auf der Kälteseite lässt sich später weder optimieren noch etwas nachweisen.

Wo diese Fragen belastbar beantwortet werden, ist die Auslegung meist auch energetisch in Ordnung. Bleiben sie offen, zeigt sich das erfahrungsgemäß erst im Betrieb – und dann sind Korrekturen aufwendig.

Wie KSI Kältetechnik dabei unterstützt

KSI plant, baut und wartet industrielle Kälteanlagen mit natürlichen Kältemitteln – von der energetischen Planung und Konzeptionierung über die Revitalisierung von Bestandsanlagen bis zum technischen Support mit 24/7-Bereitschaft.

Was das für Rechenzentren konkret heißt, steht gebündelt auf unserer Seite Kältetechnik für Rechenzentren.

Für Rechenzentren umfasst das die Lastzonen-Analyse und Effizienzbewertung im Bestand, die Auslegung von Kaltwasser- und Freikühlkonzepten, die Sanierung im laufenden Betrieb und die dauerhafte Überwachung der Betriebszustände. Einen Überblick über die Anforderungen der Branche gibt unsere Seite Branchen: Rechenzentrum.