Mit jeder neuen Servergeneration steigen die thermischen Lasten und damit die Anforderungen an Kühlkonzepte im Rechenzentrum. Ganz gleich, ob freie Kühlung, Direct-to-Chip Cooling, Immersionskühlung oder andere Lösungen: Es kommt darauf, dass die Kühlung sowohl zuverlässig als auch wirtschaftlich arbeitet.
In vielen Anlagen entfallen laut IEA zwischen 7 % bis über 30 % des gesamten Stromverbrauchs auf die Kühlung. Ein Anteil, der durch KI-Server, GPU-Cluster und zunehmend kompakte Rack-Architekturen weiter steigt. Gleichzeitig nimmt der regulatorische Druck zu. Betreiber und Planer von Rechenzentren müssen daher Lösungen finden, die Energie sparen, Lastspitzen vermeiden und eine stabile Temperaturführung gewährleisten.
Vor diesem Hintergrund gewinnt die freie Kühlung im Rechenzentrum an Bedeutung. Sie nutzt niedrige Außentemperaturen, um Kälte mit minimaler mechanischer Unterstützung bereitzustellen. Ein einfaches Prinzip mit erheblichem Effizienzpotenzial.
Freie Kühlung nutzt niedrige Außentemperaturen, um Wärme aus dem Rechenzentrum ohne oder mit deutlich reduzierter mechanischer Kälteerzeugung wie der Flüssigkeitskühlung abzuführen. Entscheidend ist die thermische Differenz: Erst wenn die Außenluft oder das Rückkühlmedium kälter ist als der interne Kühlkreislauf, entsteht ein nutzbarer Temperaturgradient.
Im Gegensatz zum Kältekreislauf im Rechenzentrum mit klassischen Kältemaschinen, deren Verdichter permanent elektrische Energie benötigt, arbeitet die freie Kühlung mit deutlich weniger Leistungsaufnahme. Sie übernimmt je nach Klimazone vor allem in Übergangszeiten, in den Wintermonaten oder nachts einen großen Anteil der Kältebereitstellung.
Dabei wird der mechanische Betrieb nicht ersetzt, sondern ergänzt. Moderne Anlagen schalten dynamisch zwischen Freikühlung und Kältemaschine um, abhängig von Lastprofil und Außentemperatur.
Ein Kühlkonzept im Rechenzentrum kann entweder auf Wasser- oder Luftkühlung basieren oder als hybride Technik ausgelegt sein. Freie Kühlung ist ein zusätzlicher Betriebsmodus. Genutzt wird dabei die kühle Außenluft oder ein kaltes Außenmedium, um die Wärme aus dem Rechenzentrum mit minimalem Energieaufwand abzutransportieren.
Drei zentrale Bausteine prägen den Aufbau:
Luftbasierte Systeme führen Außenluft direkt oder indirekt zu, während wasserbasierte Systeme auf einen sekundären Kaltwasserkreislauf setzen, der die IT-Abwärme aus den Serverräumen führt. Niedrige Außentemperaturen ermöglichen es, dass Rückkühler oder Trockenkühler die Wärme abgeben. Moderne Sensorik und Regelalgorithmen steuern die Umschaltung zwischen freier und mechanischer Kühlung gleitend.
Die Effizienz der freien Kühlung hängt maßgeblich von den klimatischen Bedingungen ab. In gemäßigten Regionen Europas lassen sich – je nach Standort und Auslegung – oft mehrere tausend Jahresstunden Freikühlbetrieb erreichen. Entscheidend ist die Temperaturdifferenz zwischen:
Ein Serverraum muss nicht - wie oftmals angenommen - eiskalt sein. Moderne Server können auch bei höheren Vorlauftemperaturen des Kühlmediums zuverlässig betreiben. Hier kommt das sogenannte Freikühlfenster ins Spiel.
Als Freikühlzeit oder Freikühlfenster (hours of free cooling oder free cooling window) bezeichnet man den Zeitraum, in dem freie Kühlung ohne oder mit reduzierter mechanischer Kälteerzeugung möglich ist. Je höher die zulässige Temperatur des Kühlmediums, desto größer wird dieses Zeitfenster. Vereinfacht lässt sich das wie folgt darstellen:
Das Zeitfenster, in dem die Außentemperatur niedrig genug ist, wird also viel größer; daher spricht man von einer erweiterten Freikühlzeit. Das Resultat: Je länger die freie Kühlung genutzt werden kann, desto höher fällt das Energieeinsparpotenzial aus.
Trotz aller Effizienz kann man sich nicht allein auf die Außenluft verlassen. Wenn es im Sommer beispielsweise 35 °C heiß ist, reicht die Außenluft nicht mehr aus. In diesen Phasen springt die mechanische Kühlung (die Kompressionskältemaschine/der Chiller) ein. Sie arbeitet vereinfacht gesagt wie eine Klimaanlage und erzeugt die Kälte künstlich mit hohem Energieverbrauch.
In der Realität laufen Rechenzentren daher fast nie nur in einem Modus. Hybridbetrieb bedeutet: Das System mischt. Wenn es draußen kühl ist, wird die freie Kühlung maximal genutzt; wenn es wärmer wird, unterstützt die Kältemaschine schrittweise, bis sie bei extremer Hitze komplett übernimmt.
Grundsätzlich unterscheidet man zwei Hauptarten bei der freien Kühlung. Beide Ansätze entlasten den Kältekreislauf und tragen so zu geringeren Energieverbräuchen bei.
Bei der direkten freien Kühlung im Rechenzentrum wird gefilterte Außenluft unmittelbar in den Serverraum geführt. Dadurch entfallen zusätzliche Medien und Wärmetauscher, und die Energieeffizienz steigt.
Vorteile
Grenzen
Die Luftqualität ist der entscheidende Faktor. Feinstaub, Industrieabgase, Feuchtigkeit oder Salz können IT-Komponenten belasten oder Korrosion fördern. Deshalb sind folgende Komponenten unbedingt notwendig:
Bei der indirekten freien Kühlung bleiben Außenluft und Rechenzentrum voneinander getrennt. Über Wärmetauscher, Rückkühler oder adiabatische Systeme wird die IT-Abwärme von Rechenzentren an ein kühles Außenmedium übertragen oder kann als Heizenergie beispielsweise im Rahmen von Nahwärme für städtische Quartiere genutzt werden.
Vorteile
Grenzen
Wärmetauscher benötigen eine ausreichende Temperaturdifferenz, um effizient zu arbeiten. Ist diese Differenz gering, sinkt der Freikühlanteil und mechanische Kälte ergänzt den Betrieb. Auch hydraulische Faktoren – Durchfluss, Pumpenleistung, Druckverluste – wirken sich unmittelbar auf die Leistung aus. Gut ausgelegt ermöglicht indirekte freie Kühlung eines Rechenzentrums einen stabilen, verlässlichen und energieeffizienten Betrieb über das gesamte Jahr.
Die direkte freie Kühlung eines Rechenzentrums eignet sich für Regionen mit sauberer, trockener Luft. In urbanen oder industriellen Regionen sind indirekte Konzepte meist stabiler.
Erst wenn Gebäudeplanung, Rückkühlerleistung, Regelstrategien und Rohrleitungssysteme zusammenpassen, entsteht ein dauerhaft energieeffizienter Betrieb. Dabei ist der wassergeführte Sekundärkreislauf das Rückgrat indirekter freier Kühlung. Er ist für die Verfügbarkeit von Rechenzentren elementar und muss dementsprechend große Wärmemengen zuverlässig transportieren. Und zwar viele Jahre und unter wechselnden Temperatur- und Druckbedingungen. Für die Rohrleitungssysteme heißt das, sie müssen:
PP-R- und PP-RCT-Rohrsystemeerfüllen diese Anforderungen besonders gut. Sie sind korrosionsfrei, leicht, thermisch stabil und ermöglichen stoffschlüssige, dauerhaft dichte Verbindungen. Das ist nicht nur ein Vorteil für den Neubau von Rechenzentren, sondern Kunststoffrohre aus PP-R und PP-RCT eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften ebenso für Modernisierungen.
Freie Kühlung ist ein strategischer Baustein moderner, grüner Rechenzentren. Sie reduziert den Energiebedarf, entlastet die Kälteerzeugung und schafft robuste thermische Betriebsbedingungen. Ihre volle Wirkung entfaltet sie als Teil eines integrierten Gesamtsystems: Kältekreislauf, Sekundärnetz, Rohrleitungssysteme, Sensorik, Rückkühler sowie Abwärmenutzung müssen präzise zusammenspielen.
Fest steht: Freie Kühlung wird bei der Planung der Rechenzentren der nächsten Generation eine zentrale Rolle spielen. Nicht als Ersatz mechanischer Kälte, sondern als intelligenter Betriebsmodus, der Ressourcen schont, Lasten abfedert und die gesamte Kühlkette effizienter macht.
Gemeinsam den nächsten Schritt planen
aquatherm unterstützt Sie dabei, die Rolle des Rohrleitungssystems in Ihrem Kühlkonzept richtig einzuordnen und mögliche Optionen zu bewerten. Ob freie Kühlung, höhere Betriebstemperaturen oder hybride Kühlstrategien: Wir zeigen Ihnen, welche Anforderungen an Material, Auslegung und Installation für Ihr spezifisches Projekt relevant und wie Sie Ihre Entscheidungen sicher vorbereiten.
