Freie Kühlung: Definition & Funktionsweise

Das Prinzip der freien Kühlung von Servern ist einfach zu verstehen: Kalte Außenluft wird dem Server zugeführt, nimmt dessen Wärme auf und wird wieder an die Umgebung abgegeben. Die freie Kühlung benötigt einen minimalen technischen Aufwand. Abgesehen vom Stromverbrauch der Ventilatoren wird keine zusätzliche Energie benötigt. Zudem ist Luft als Kühlmittel unbegrenzt und kostenlos verfügbar.

Kalt- und Warmgangeinhausungen mit Komponenten von SCS FACO stellen eine innovative Erweiterung der freien Kühlung für den Einsatz in Rechenzentren und Serverräumen dar. Im Gegensatz zur freien Kühlung verhindern Kalt- und Warmgangsysteme von SCS FACO auf serverroom-security.com zuverlässig Temperaturschwankungen und bieten eine gezielte Luftführung in Serverräumen. Die Kaltgang-Einhausung leitet die kalte Luft gezielt zu den Servern und verhindert Hotspots durch eine gleichmäßige Luftführung. Die Warmgangeinhausung leitet die warme Abluft der Server in die Doppeldecke und verhindert so eine Vermischung der durch die Server erwärmten Luft mit der kühleren Umgebungsluft.

Dieser Artikel ist eine detaillierte Erklärung zum Prinzip der freien Kühlung. Darüber hinaus werden die Funktionsweise sowie die Vor- und Nachteile der Freikühlung detailliert erläutert und Alternativen zur freien Kühlung für Server aufgezeigt. 

Was ist die Freie Kühlung?

Die freie Kühlung ist ein Kühlsystem, bei dem ungekühlte Luft oder ungekühltes Wasser zur Kühlung von Gebäuden oder Prozessen genutzt wird, anstatt auf mechanische Kühlgeräte wie Klimaanlagen oder Kältemaschinen zurückzugreifen. Die Freikühlung ist eine effiziente Möglichkeit, um Energie zu sparen.

Die freie Kühlung nutzt die natürlichen Umgebungstemperaturen, um ohne zusätzlichen Energieaufwand die durch die IT-Geräte erwärmte Luft herunterzukühlen. Im Gegensatz zu elektrischen Kühlsystemen stellt die freie Kühlung bei geeigneten Umgebungsbedingungen eine kostengünstige und energieeffiziente Alternative dar. Laut “Fachzeitschrift IKZ Fachplaner” liegen die Energieeinsparpotenziale bei freier Kühlung bei bis zu 80%. Freikühlsysteme bieten hohe Energieeinsparpotenziale, weil die Nutzung natürlicher Umgebungstemperaturen Betriebskosten spart und die Umwelt entlastet. 

Die Technologie der freien Kühlung wird in verschiedenen Sektoren genutzt. In der Lebensmittelindustrie ist die freie Kühlung eine beliebte Kühlmethode, um eine optimale Lagertemperatur zu gewährleisten. Die Energiekosten werden gesenkt und die Frische und Qualität der Lebensmittel bleibt erhalten. In der Automobilindustrie wird das Prinzip der freien Kühlung zudem zur Temperierung von Fahrzeugmotoren genutzt. 

Laut der Fachzeitschrift “IKZ Haustechnik” nutzten bereits die Menschen der Antike die kühlende Wirkung der Luft in Wassernähe. Mit Wasser gefüllte, poröse Tongefäße dienten zur Kühlung. Der Effekt der Verdunstungskühlung wurde durch die Bewegung eines großen Fächers über dem Tontopf verstärkt. Schon die prähistorischen Jäger und Sammler wussten, dass es Vorteile hat, die Temperatur zu senken, um das Leben zu erleichtern. Die Konservierung von leicht verderblichen Nahrungsmitteln erfolgte nicht nur durch Trocknen und Pökeln, sondern auch durch die Lagerung der Reserven in kühlen Höhlen oder Erdlöchern. Freie Kühlung funktioniert nach einem einfachen physikalischen Prinzip.

Wie funktioniert die Freie Kühlung?

Freie Kühlung funktioniert durch einen Wärmeaustausch. Kalte Luft oder kaltes Wasser werden verwendet, um Wärme abzuführen und einen Kühleffekt zu erzielen. Der Wärmeaustauschprozess erfolgt durch den Kontakt der warmen Luft mit der kühleren Umgebung. Außer dem Strom für Ventilatoren wird keine Energie verbraucht.

Bei der freien Kühlung wird zwischen der direkten und indirekten freien Kühlung unterschieden. Die direkte freie Kühlung nutzt ausschließlich natürliche Kältequellen wie Außenluft oder das Grundwasser, um Rechenzentren und Server zu kühlen. Bei der direkten freien Kühlung sind Luftfilter erforderlich, um Luftqualität, Feuchte und Temperatur auf die gewünschten Grenzwerte zu regeln. Bei Temperaturen unter 18°C wird kalte Luft durch geöffnete Fenster oder eine Lüftungsanlage in das Gebäude geleitet. Bei Temperaturen über 20°C hat die freie Kühlung jedoch zunehmend Probleme, die Wärme vollständig abzuführen. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie des Bundesamtes für Energie und der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften. 

Bei der indirekten freien Kühlung wird die Innenluft des Rechenzentrums mittels eines Kältemittels gekühlt, welches durch die Außenluft gekühlt wird  Bei der freien Kühlung mit Kaltwassersystemen kommen entweder Rückkühlwerke oder Freikühlregister in Kältemaschinen zum Einsatz. Die doppelte Kälteübertragung führt zu einem höheren Energieverbrauch. Bei geringer Wärmelast erfolgt die Kältebereitstellung direkt durch Rückkühlwerke. In diesem Fall bleibt die Kältemaschine außer Betrieb oder wird bei mehreren Rückkühlwerken parallel zur direkten freien Kühlung eingesetzt. 

Die direkte freie Kühlung lässt sich bis zu einer Außentemperatur von 22 Grad Celsius nutzen. Bei einer Steigerung der Außenlufttemperatur auf Werte über ca. 22 °C sind weitere Kühlmaßnahmen erforderlich, um die Temperatur im Serverraum auf maximal 27 °C zu begrenzen. Laut einer Studie des Bundesamtes für Energie und der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften werden bei der indirekten freien Kühlung Rückkühler und Wärmetauscher mit einer Temperaturdifferenz von 3 bis 4 K eingesetzt. Bei Außentemperaturen von 14°C beträgt die Raumtemperatur in einem Rechenzentrum etwa 20°C.

Freie Kühlung mit Luft ist die energetisch effizienteste Methode, während freie Kühlung mit Wasser die niedrigsten Kosten verursacht. Dies geht aus einer Fallstudie der “Fachzeitschrift  KI - Kälte Luft Klimatechnik” zur Kühlung von Rechenzentren hervor. Die exakten Kosten für die freie Kühlung sind individuell zu berechnen.

Wie wird die Freie Kühlung berechnet?

Die freie Kühlung wird durch die Bilanzierung der mittleren jährlichen Erzeugungsleistung (Q KK,el,m), der Rückkühlleistung (Q KR,el,m) und der Verteilungsleistung (Q KV,el,m) berechnet. 

Die Berechnungsformel für den Einsatz regenerativer Energien im Bereich der Kühlung setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

Die Berechnung der Teilkennwerte für freie Kühltechnologien basiert auf einem systematischen Ansatz, der verschiedene Energieanteile der Kühlung berücksichtigt. Die Herleitung eines Teilkennwertes erfolgt gemäß einem Algorithmus, der auf der DIN V 18599-7 basiert. Die Norm legt die Regeln zur Berechnung von Energiekennwerten für Kühltechniken fest.  Der Teilkennwert berücksichtigt die Erzeugereffizienz mit Berücksichtigung des Teillastbetriebes, die Hilfsenergie der Rückkühlung und die Hilfsenergie der Verteilung. Der Teilkennwert entspricht einer Systemjahresleistungszahl unter Berücksichtigung aller wesentlichen Systemverluste.

Im Rahmen eines vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung geförderten Forschungsvorhabens haben das Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden, das Ingenieurbüro schiller engineering und der Fachverband Gebäude-Klima neue Berechnungsverfahren für die freie Kühlung entwickelt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung vereinfachter Bewertungsverfahren für den Einsatz regenerativer Energien im Bereich der Kühlung. 

Die freie Kühlung bietet einige Vorteile, ist jedoch auch mit bestimmten Nachteilen verbunden.

Vor- und Nachteile der Freien Kühlung

Die freie Kühlung bietet einige Vorteile, darunter Energieeinsparungen, Kostenreduktion und ein nachhaltiger Energieverbrauch. Zu ihren Nachteilen zählen eingeschränkte Anwendungsbereiche, umfangreiche Zusatzmaßnahmen und externe Bedingungsabhängigkeit. 

Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile näher erläutert.

Was sind Vorteile der freien Kühlung?

Die Vorteile der freien Kühlung sind der geringe Energieverbrauch und die Verbesserung der Effizienz des Kühlprozesses durch die Nutzung der Umgebungstemperatur.

Freikühlende Kältemaschinen sind energieeffizienter als konventionelle Kältemaschinen. Freie Kühlung trägt zur Nachhaltigkeit und Kosteneinsparung bei.

Die wichtigsten Vorteile der freien Kühlung sind in der folgenden Liste zusammengefasst.

1. Effiziente Energieeinsparung: Freie Kühlung nutzt die natürliche Umgebungstemperatur zur Kühlung. Dadurch wird der Energieverbrauch deutlich reduziert. Besonders in kalten oder gemäßigten Klimazonen kann durch die Nutzung der Außentemperaturen eine erhebliche Energieeinsparung erzielt werden. 
2. Nachhaltiger Energieverbrauch: Geringer Energieverbrauch und die Nutzung natürlicher Ressourcen machen die freie Kühlung umweltfreundlicher als konventionelle Kühlsysteme. Im Gegensatz zu konventionellen Kühlsystemen, die oft auf energieintensive Kompressoren angewiesen sind, arbeitet die freie Kühlung mit der Umgebungstemperatur.
3. Erhebliche Kostenreduktion: Die Betriebskosten können erheblich gesenkt werden, da keine zusätzliche Energie für die Kühlung benötigt wird. Freie Kühlung führt zu erheblichen Kosteneinsparungen, da sie primär auf natürliche Ressourcen wie Außenluft oder Wasser zurückgreift, anstatt energieintensive Kühlsysteme zu verwenden.

Neben den Vorteilen der freien Kühlung sind auch einige Nachteile dieser Kühlungsart zu beachten. 

Was sind Nachteile der freien Kühlung?

Die wichtigsten Nachteile der freien Kühlung sind die Abhängigkeit von den Umweltbedingungen, die Einschränkung auf bestimmte Anwendungsbereiche und umfangreiche Zusatzmaßnahmen. Regionen mit hohen Außentemperaturen und Räume, die eine konstante Kühltemperatur benötigen, sind für die freie Kühlung nicht geeignet. 

1. Externe Bedingungsabhängigkeit: Die Effizienz der freien Kühlung hängt von den Umgebungsbedingungen ab. In Bereichen mit konstant hohen Außentemperaturen oder hoher Luftfeuchtigkeit ist die freie Kühlung weniger effizient. 
2. Eingeschränkte Anwendungsbereiche: Freie Kühlung ist ungeeignet für Räume, in denen die Aufrechterhaltung einer konstanten Kühltemperatur erforderlich ist. Freie Kühlung nutzt die Außentemperatur zur Kühlung und ist daher von den klimatischen Bedingungen abhängig. 
3. Umfangreiche Zusatzmaßnahmen: Die freie Kühlung benötigt Filteranlagen, um die Luft zu reinigen. Vorab sind außerdem Maßnahmen erforderlich, um witterungsbedingte Temperaturschwankungen auszugleichen. Bei zu kalter Außenluft ist über einen Mischer gezielt warme Abluft aus der Kälteanwendung zuzuführen. Bei zu warmen Außentemperaturen wird ein Kältekompressor zugeschaltet, um die Temperatur zu regulieren.

Was kostet die freie Kühlung?

Laut einer Studie der “Fachzeitschrift KI - Kälte Luft Klimatechnik” kostet die freie Kühlung mit Wasser ca. 70.000 € pro Jahr. Das untersuchte Rechenzentrum hat eine IT-Leistung von 400 kW und verfügt über einen luftgekühlten Serverraum. Die Wasserkühlung liegt ca. 11.000 € unter den Kosten der freien Luftkühlung.

Die Kosten für das Umluftsystem sind unabhängig von der gewählten Variante der freien Kühlung. Das in der Studie der “Fachzeitschrift KI - Kälte Luft Klimatechnik”analysierte Rechenzentrum weist eine IT-Nennleistung von 400 kW auf und ist mit einem luftgekühlten Serverraum ausgestattet. Die maximal zulässige Lufteintrittstemperatur beträgt 22 °C bei einer Temperaturdifferenz zwischen Lufteintritts- und Luftaustrittstemperatur von 10 K. 

Während bei der freien Kühlung mit Luft die Komponenten des Außenluftsystems komplett neu installiert werden müssen, sind die Investitionskosten bei der freien Kühlung mit Wasser geringer. Das für heiße Sommertage erforderliche Kaltwassersystem ist nur geringfügig zu verändern. 

Freie Kühlung ist eine effiziente Methode zur Kühlung von Servern und bietet viele Vorteile gegenüber anderen Kühlsystemen. Je nach Anwendungsbereich und Klimabedingungen sind jedoch andere Kühlmethoden effizienter.

Alternativen zur freien Kühlung: Kaltgang- und Warmgangsysteme mit Komponenten von SCS FACO

Kaltgang- und Warmgangsysteme mit Komponenten von SCS FACO bieten eine sichere und innovative Alternative gegenüber der freien Kühlung. Die effiziente Trennung von Kalt- und Warmluft und die konstante Temperaturkontrolle gewährleisten eine stabile und zuverlässige Kühlung von Serverräumen im Vergleich zur freien Kühlung. 

Die Kalt- und Warmgangsysteme von SCS FACO stellen im Vergleich zur freien Kühlung eine sichere Alternative für Serverräume dar. Die Kaltgang-Einhausung von SCS FACO auf serverroom-security.com leitet die Kaltluft gezielt zu den Racks, wodurch sich die Energieeffizienz steigern lässt. Der modulare Aufbau der Kalt- und Warmgangsysteme ermöglicht eine einfache Anpassung an die Kundenbedürfnisse.

Die Kaltgang-Einhausung von SCS FACO verhindert Hotspots und Warmluftrückführungen zu den Servern. Das CAC-Dachsystem umfasst transparente und widerstandsfähige Dachelemente aus Makrolon oder Exolon mit einer Höhe von 150 mm. Das Dach ermöglicht die nahtlose Integration bestehender Brandschutzsysteme. Durch die CAC-Türsysteme von SCS FACO auf serverroom-security.com wird die Kaltgangeinhausung verschlossen, sodass die kalte Luft effizient zu den Servern gelangt. Die Türen der CAC-Türsysteme sind selbstschließend, manuell schließend, freilaufend oder synchron laufend erhältlich. 

Die SCS FACO Warmgang-Einhausung ermöglicht eine effiziente Trennung von Warm- und Kaltluft. Die Warmgang-Einhausung leitet die warme Abluft der Server durch den Kamin in die Doppeldecke. Eine Vermischung der Luftströme wird verhindert und die Entstehung von Wärmenestern verhindert. Der modulare Aufbau der Warmgangsysteme ermöglicht die Anpassung an verschiedene Serverräume. Die HAC Kaminbauweise ist aus Stahl, Makrolon oder Exolon gefertigt. SCS FACO Kamin-Elemente sind individuell konfigurierbar und an bestehende Schranksysteme anpassbar. Sie sind zudem als freistehende Ganglösung für den individuellen Einsatz und Austausch der Serverschränke erhältlich.  HAC Kamin-Elemente von SCS FACO sorgen für eine gezielte Luftführung und den konsequenten Abzug der Warmluft in die Doppeldecke. Die Wände des SCS FACO Warmgangsystems bestehen aus Stahl, Makrolon oder Exolon. HAC-Türsysteme verschließen das Warmgangsystem, sodass die warme Luft effizient nach oben abgeleitet wird. Die Schiebetüren mit Füllungen aus Sicherheitsglas oder Kunststoff sind in selbstschließender oder manuell schließender Ausführung mit Freilauf oder Synchronlauf erhältlich.