Rechenzentren wachsen in ihrer Größe und Leistungsfähigkeit und damit steigen die Anforderungen an einen effizienten Kältekreislauf. Schon heute entfallen in vielen Anlagen laut International Energy Agency (IEA) von 7 % bis über 30 % der Energiekosten allein auf die Kühlung. Mit dem Siegeszug von KI-Servern, GPU-Clustern und hochverdichteten Workloads steigt dieser Anteil weiter.
Gleichzeitig rücken Regulatorien wie die EU-Energieeffizienzrichtlinie, Ökodesign-Vorgaben, der EU Code of Conduct for Data Centres und nationale Effizienzanforderungen näher an die Branche heran. Kennzahlen wie PUE (Power Usage Effectiveness) und WUE (Water Usage Effectiveness) werden zum Standardmaßstab, wenn es darum geht, die Gesamteffizienz eines Rechenzentrums zu bewerten. Der Kältekreislauf gewinnt vor diesem Hintergrund strategische Bedeutung.
Ein Rechenzentrum produziert enorme Mengen an Wärme, denn jeder Prozessor, jede Speicherbank und jedes Netzwerkmodul wandelt elektrische Energie in Hitze um. Ein Kältekreislauf sorgt dafür, dass diese Wärme kontrolliert aufgenommen, transportiert und sicher nach außen abgegeben wird – ähnlich wie in einem Kühlschrank, nur auf deutlich höherem Leistungsniveau. Er ist wie einen Transportdienst für Wärme, der Energie bewegt. Ob Wasserkühlung oder Luftkühlung im Rechenzentrum, sie findet rund um die Uhr, ohne Unterbrechung statt.
Schon wenige Grad Temperaturunterschied können Leistungseinbußen verursachen oder die Hardware belasten bzw. schädigen. Ein stabiler Kältekreislauf sorgt dafür, dass die IT nie in diesen kritischen Bereich kommt.
Ein Kältekreislauf besteht grundsätzlich aus den vier Bauteilen Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil. Diese Bauteile findet man nicht nur im Rechenzentrum, sondern in fast jeder klassischen Kälteanlage. Sie ermöglichen das thermodynamische Wirkprinzip der Kühlung.
Der Verdampfer ist der Punkt, an dem die Wärme aus dem Rechenzentrum in den Kältekreislauf gelangt. Über Luft- oder Wasserkühlregister nimmt das Kältemittel die IT-Abwärme auf und erwärmt sich so weit, dass es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Diese Verdampfung markiert den Beginn des eigentlichen Kälteprozesses.
Im Verdichter werden Druck und Temperatur des gasförmigen Kältemittels gezielt erhöht. Erst auf diesem höheren Druckniveau kann die Wärme später wieder abgegeben werden. Für Rechenzentren ist der Verdichter besonders relevant, weil sein Betriebsverhalten einen wesentlichen Teil der Energiekosten des Kältekreislaufs beeinflusst und direkt in die PUE-Betrachtung einfließt.
Im Kondensator gibt das Kältemittel seine aufgenommene Wärme an die Umgebung oder an einen Rückkühlkreislauf ab und verflüssigt sich wieder. Damit ist er die Schnittstelle zur Umgebungsluft oder zu Systemen, die die Abwärme vom Rechenzentrum gezielt weiterverwenden, etwa zur Einspeisung in Nah- oder Fernwärmenetze.
Das Expansionsventil senkt den Druck des flüssigen Kältemittels ab. Dadurch sinkt seine Temperatur, und es ist bereit, im Verdampfer erneut Wärme aufzunehmen. So schließt sich der Kreislauf.
In Rechenzentren arbeiten zwei Kreisläufe zusammen: der technische Kältekreislauf im Chiller (Kältemaschine) und ein wassergeführter Sekundärkreislauf, der die Wärme aus den Serverräumen abführt. Ergänzt werden sie durch Computer Room Air Conditioner (CRAC) und Computer Room Air Handler (CRAH-Geräte) sowie Rückkühler im Außenbereich.
Im Chiller durchläuft das Kältemittel die vier Bauteile des Kältekreislaufs:
Dabei verändern sich Druck und Temperatur in definierten Stufen. Gleichzeitig laufen die entscheidenden Phasenwechsel ab: flüssig zu gasförmig im Verdampfer, gasförmig zu flüssig im Kondensator.
Parallel zum primären Wasserkreislauf arbeitet der sekundäre Wasserkreislauf. Er transportiert die IT-Abwärme aus den Serverräumen zur Kältemaschine und bringt die erzeugte Kälte wieder in den Kreislauf zurück.
Das erwärmte Wasser strömt zum Chiller, gibt dort im Verdampfer seine Wärme ab und wird im Vorlauf wieder auf die Solltemperatur gebracht. Die im Kondensator abgegebene Wärme wird über Rückkühler oder Kühltürme ins Freie transportiert oder gezielt in Wärmenetze eingespeist, wenn eine Abwärmenutzung des Rechenzentrums vorgesehen ist. In vielen Anlagen wird eine zusätzliche freie Kühlung für das Rechenzentrum integriert: Bei niedrigen Außentemperaturen übernehmen Außenluft- oder Trockenkühler einen Teil der Kälteerzeugung und entlasten den Verdichter.
Kältekreisläufe in Rechenzentren folgen denselben physikalischen Grundprinzipien wie klassische Kälteanlagen, müssen aber deutlich strengere Anforderungen erfüllen. Die thermischen Lasten sind höher, die Toleranzen enger, die Betriebszeiten länger und die Reaktionszeiten kürzer.
Moderne Serverarchitekturen und GPU-Cluster erzeugen erhebliche Wärmemengen. Direct-to-Chip-Kühlung und Immersionskühlung werden bei KI- und HPC-Workloads zunehmend zum Standard, weil Luftkühlung allein vielfach nicht mehr ausreicht. Der Kältekreislauf muss diese Lasten aufnehmen und ohne Verzögerung abführen. In Rechenzentren kommen daher drei klassische Kühlkonzepte zum Einsatz:
Daneben etablieren sich Liquid- und Immersion-Cooling-Lösungen, insbesondere in KI-Clustern und HPC-Umgebungen. Sie verändern nicht nur die Geräte im Serverraum, sondern auch die Anforderungen an Rohrleitungsnetze, Temperaturlevel und Rückkühlsysteme. Auch Edge- und Microdatacenter bringen neue Kühlkonzepte ins Spiel: kompakte Anlagen mit direkter Außenluftführung oder integrierter Flüssigkühlung, oft nahe an Produktionsstätten oder Standorten mit geringer Netzlatenz.
Die höchste Priorität im Rechenzentrum lautet: Konstanz. Ein Kältekreislauf darf nicht „schwingen“, keine langsamen Reaktionen zeigen und keine unbeabsichtigten Temperaturspitzen zulassen. Sensorik, Hydraulik, Pumpenleistung und Regelalgorithmen müssen daher ein fein abgestimmtes System bilden. Denn Kennzahlen bzw. Werte wie PUE und WUE von Rechenzentren werden durch das optimierte Zusammenspiel dieser Faktoren bestimmt. PUE und WUE bilden dann die objektive Grundlage für belastbare Energiebewertungen durch Betreiber, Kunden und Aufsichtsbehörden.
Kältemittel stehen heute im Spannungsfeld zwischen technischer Eignung, Sicherheit, Lebenszyklusbetrachtungen und Regulatorik. Im Kältekreislauf von Rechenzentren kommen drei Gruppen von Kältemitteln zum Einsatz:
Seit der neuen F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573 haben sich Übergangsfristen und Mengenpfade weiter verschärft. Viele Betreiber evaluieren deshalb verstärkt CO₂ (R744) oder Propan (R290) als langfristige Option.
Kältemittel unterscheiden sich in Drucklage und Brennbarkeit; die Einstufung erfolgt z. B. nach ISO 817 oder ASHRAE 34 (A1, A2L, A3). Für den Kältekreislauf im Rechenzentrum werden überwiegend Stoffe der Klassen A1 und A2L eingesetzt, weil sie ein gut kalkulierbares Sicherheitsprofil besitzen. Gleichzeitig rücken Kältemittel-Emissionen und Lebenszyklusanalysen (LCA) stärker in den Fokus: Nachhaltigkeitsberichte betrachten nicht nur das GWP des Kältemittels an sich, sondern den gesamten Lebenszyklus – von Produktion über Betrieb bis zu möglichen Leckagen.
Die EU-F-Gase-Verordnung, der AIM Act in den USA und weitere internationale Regelwerke sehen eine schrittweise Reduzierung bestimmter HFKW-Kältemittel vor. Für Betreiber bedeutet das: Die Auswahl des Kältemittels muss den regulatorischen Rahmen berücksichtigen und daher bereits frühzeitig in die Planung eines Rechenzentrums einfließen.
Der wassergeführte Sekundärkreislauf transportiert die IT-Wärme zu den Kälteerzeugern und bringt die erzeugte Kälte zurück in die Serverräume. Er ist damit ein zentraler Baustein im Cooling-Konzept des Rechenzentrums, unabhängig davon, ob Luftkühlung, Direct-to-Chip-Kühlung oder Immersionskühlung eingesetzt wird. Die nötige Infrastruktur dazu wird durch Rohrsysteme realisiert. Sie sind quasi die Adern des Kältekreislaufs im Rechenzentrum.
Rohrsysteme müssen permanente Druckschwankungen und Temperaturbewegungen über viele Jahre ohne Materialermüdung aufnehmen. Korrosionsfreie Materialien reduzieren das Risiko von Ablagerungen, Leckagen und Verschleiß. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit senkt Temperaturverluste zwischen Chiller und Klimageräten.
In komplexen, dicht belegten Gebäuden wie Rechenzentren müssen Rohrsysteme sicher, platzsparend und zügig installierbar sein. PP-R- und PP-RCT-Rohrleitungssysteme wie aquatherm blue erfüllen diese Anforderungen: Sie sind korrosionsfrei, druck- und temperaturbeständig, leicht und durch stoffschlüssige Verbindungen dauerhaft dicht. So unterstützen sie die technische Betriebssicherheit des Sekundärkreislaufs und bieten eine langlebige Lösung für geschlossene Kaltwassernetzwerke – auch in Kombination mit Freikühlung oder PV-unterstützter Kälteerzeugung.
Ein Kältekreislauf erfüllt seine Aufgabe nur dann zuverlässig, wenn er kontinuierlich überwacht und fachgerecht gewartet wird. In Rechenzentren müssen sich anbahnende Störungen früh erkannt und Abweichungen direkt oder besser noch vor dem Eintritt eines Ereignisses korrigiert werden. Denn die Verfügbarkeit von Rechenzentren hat in unserer digitalen Welt höchste Priorität.
Wichtige Messgrößen sind Druck, Temperatur und Durchfluss im Kälte- und Wasserkreis sowie die Kennlinien des Verdichters. Moderne Rechenzentren erfassen diese Daten über Sensorik und führen sie in Gebäudeleittechnik (BMS) oder DCIM-Systemen zusammen. Zunehmend kommen Digital Twins und KI-basierte Regelungen („Predictive Cooling“) zum Einsatz, die Kältekreise in Echtzeit optimieren und auf veränderte Lasten oder Umgebungssituationen vorausschauend reagieren.
Regelmäßige Dichtheitsprüfungen, Inspektionen von Verbindungen, die Reinigung von Wärmeübertragern sowie Funktionsprüfungen von Pumpen, Ventilen und Sensoren gehören zu einem strukturierten Wartungskonzept. Ziel ist ein stabiler, verlässlicher Betrieb – nicht die letzte theoretische Effizienzsteigerung.
Neben der Überwachung und Wartung ist die Redundanz in Rechenzentren elementar. Und zwar nicht nur für den Notfall bei technischen Problemen, sondern auch als Schutz gegen Sabotage oder Cyberangriffe. Das betrifft gleichermaßen die Racks ebenso wie die redundanten Ausführungen von kritischer Infrastruktur wie Pumpen, Wärmetauscher, Rohrsysteme etc.
Der Kältekreislauf bildet das thermische Fundament moderner Rechenzentren. Er verbindet die physikalischen Grundlagen der Kälteerzeugung mit der technischen Infrastruktur, die Serverräume stabil und betriebsbereit hält. Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil greifen präzise ineinander und ermöglichen es, die entstehende Wärme kontrolliert aufzunehmen und sicher abzugeben.
Das Zusammenspiel aus Kältekreislauf, wassergeführtem Sekundärnetz, geeigneten Rohrleitungssystemen, moderner Steuerungstechnik und – wo möglich – Abwärmenutzung in Wärmenetzen sorgt dafür, dass Temperaturen jederzeit im gewünschten Bereich bleiben. Überwachung, Wartung und zunehmend KI-gestützte Betriebsführung sichern die Stabilität und helfen, regulatorische Anforderungen an Effizienz, Berichterstattung und Heat Reuse zu erfüllen.
Ein gut abgestimmter Kältekreislauf ist eine zentrale Voraussetzung für Verfügbarkeit, Planungssicherheit und Zukunftsfähigkeit von Rechenzentren. Vom großen Hyperscale-Campus bis hin zum Edge- und Microdatacenter.
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