Free Cooling für Serverräume und Rechenzentren: Kaltwasser, Außenluft und Redundanz planen

Was Free Cooling tatsächlich bedeutet

Free Cooling bezeichnet einen Betriebsmodus, in dem Außenbedingungen einen Teil oder die gesamte Wärmeabfuhr übernehmen. „Frei“ bedeutet nicht ohne Energie: Ventilatoren, Pumpen, Regelung und gegebenenfalls Luftbehandlung bleiben aktiv. Eingespart wird vor allem Verdichterarbeit.

Beim Airside Economiser gelangt gefilterte Außenluft direkt oder über Wärmetauscher in den Kühlprozess. Beim Waterside Economiser überträgt ein Plattenwärmetauscher Wärme vom internen Kaltwasserkreis an einen Außen- oder Rückkühlkreis. Der Serverraum bleibt dabei vom Außenmedium getrennt.

Mechanische Kühlung wird als Ergänzung oder Reserve benötigt, wenn Außenbedingungen, Last oder Sollwerte nicht ausreichen. Gute Systeme beherrschen freien, gemischten und mechanischen Betrieb ohne instabile Übergänge.

• Free Cooling als Betriebsmodus verstehen
• Hilfsenergien weiterhin bilanzieren
• Übergänge zwischen drei Betriebsarten testen

Luftseitig oder wasserseitig?

Luftseitige Systeme können Verdichterstunden stark reduzieren, benötigen aber ausreichend große Luftwege, Filterung, Feuchteführung und eine Bewertung von Staub, Rauch und Außenluftqualität. Im Bestand sind Kanäle und Fassadendurchführungen oft der begrenzende Faktor.

Wasserseitiges Free Cooling nutzt Trockenkühler oder Kühlturm und einen Wärmeübertrager. Je höher die zulässige Kaltwassertemperatur und Rücklauftemperatur, desto mehr Stunden kann der Außenkreis übernehmen. Die Trennung schützt den internen Kreislauf vor Außenverschmutzung und Frostschutzmedium.

Ein trockener Rückkühler vermeidet offenen Wasserbetrieb, braucht aber ausreichend niedrige Außentemperatur und Fläche. Verdunstende Rückkühlung kann thermisch leistungsfähig sein, erhöht jedoch Wasser-, Hygiene- und Wartungsanforderungen.

• Gebäude und Klima zuerst prüfen
• Kaltwassertemperaturen realistisch ansetzen
• Wasser- und Hygienekonzept einbeziehen

IT-Last und Luftführung vor der Kälteanlage

Die Kühllast wird aus tatsächlicher IT-Leistungsaufnahme, USV-Verlusten, Beleuchtung und weiteren internen Lasten abgeleitet. Reserven für Wachstum werden transparent getrennt, damit die Anlage heute nicht dauerhaft ineffizient in extremer Teillast läuft.

Kalt- und Warmgangtrennung, Blindplatten, abgedichtete Kabelöffnungen und passende Luftmengen verhindern Kurzschlussströmung. Eine höhere, für die IT zulässige Zulufttemperatur kann den Free-Cooling-Anteil erhöhen, darf aber nicht durch Hotspots erkauft werden.

Temperatursensoren gehören an repräsentative Rack-Zuluftpositionen, nicht nur an die Raumwand. Druckdifferenz, Ventilatorleistung und Rücklauftemperatur helfen, die Luftführung zu bewerten.

• Reale elektrische Last messen
• Bypass- und Rezirkulationsluft reduzieren
• Sensorik an Rack-Zuluft ausrichten

Umschaltpunkt und Regelung

Der Umschaltpunkt ergibt sich aus Außen- oder Feuchtkugeltemperatur, Wärmeübertrager-Approach, Rücklauftemperatur und benötigtem Vorlauf. Ein fixer Kalenderwert ist ungeeignet. Die Regelung sollte Hysterese und Mindestlaufzeiten enthalten, damit Ventile und Verdichter nicht ständig wechseln.

Im Mischbetrieb übernimmt der Außenkreis die Vorkühlung, während der Chiller nur die Restlast deckt. Das erweitert die nutzbaren Stunden. Dafür müssen Volumenströme, Bypassführung und Chiller-Mindestbedingungen stabil bleiben.

Bei Frost sind Glykolkonzentration, Stillstandsströmung, Begleitheizung oder Entleerbarkeit zu prüfen. Ein Frostschutzkonzept darf den Wärmeübergang und Pumpenstrom nicht unbeachtet verschlechtern.

• Umschaltung aus Messwerten ableiten
• Mischbetrieb hydraulisch validieren
• Frostschutz und Effizienz gemeinsam bewerten

Redundanz, Alarmierung und Probebetrieb

Serverkühlung ist oft ausfallkritisch. N+1 ist jedoch keine reine Stückzahlfrage: Stromversorgung, Pumpen, Ventile, Regelung, Rückkühler und gemeinsame Rohrabschnitte können weiterhin Einzelrisiken bilden. Die Ausfallmatrix zeigt, welche Last nach einem Fehler tatsächlich versorgt bleibt.

Alarme benötigen klare Schwellen, Verzögerungen und Eskalationswege. Rack-Zulufttemperatur, Rücklauftemperatur, Volumenstrom, Pumpenzustand, Ventilstellung und Verdichterbetrieb sollten gemeinsam trendbar sein. Ein Alarm ohne Kontext führt leicht zu unnötigen Eingriffen.

Der Probebetrieb umfasst Sommerlast, kühle Außenbedingungen, Umschaltung, Netzwiederkehr und Ausfall eines vorgesehenen redundanten Bauteils. Erst diese Tests belegen, dass Free Cooling die Verfügbarkeit nicht schwächt.

• Gemeinsame Fehlerpunkte erfassen
• Alarme mit Betriebszustand verknüpfen
• Umschaltung und Ausfall praktisch testen

Wartung und Wirtschaftlichkeit

Filter, Wärmeübertrager, Rückkühlerlamellen, Pumpen, Ventile und Sensoren bestimmen, ob der geplante Free-Cooling-Anteil erreicht wird. Verschmutzung erhöht den Approach und verschiebt den Umschaltpunkt zu kälteren Außentemperaturen. Trenddaten machen diesen schleichenden Verlust sichtbar.

Die Wirtschaftlichkeit basiert auf vermiedener Verdichterenergie abzüglich zusätzlicher Pumpen- und Ventilatorenergie. Stündliche Wetterdaten, Lastprofil und Temperatur­niveaus liefern eine bessere Grundlage als pauschale Jahresstunden. Wasser, Frostschutz und Wartung gehören ebenfalls in die Rechnung.

Klima-Zentrum unterstützt Betriebe und technische Standorte in Österreich bei Planung, Wartung und Optimierung von Klima- und Kälteanlagen für Serverräume. Ziel ist ein messbares Konzept aus Luftführung, Hydraulik, Free Cooling, Redundanz und sauber dokumentierten Betriebsgrenzen.

Die Abnahme umfasst auch den normalen Bedienweg. Betreiber müssen erkennen können, welche Kühlstufe aktiv ist, ob eine Reserve verfügbar bleibt und warum ein Umschalten gesperrt wurde. Handbetrieb ist zeitlich und organisatorisch zu begrenzen. Dokumentiert werden Sollbereiche, Alarmwege, Wartungspositionen und Wiederanlauf nach einer Störung. Dadurch bleibt die Anlage nicht nur im optimalen Wetterfenster effizient, sondern auch unter wechselnder Last und bei realen Betriebsereignissen beherrschbar.

Für kleine Serverräume ist nicht automatisch ein großes zentrales System nötig. Entscheidend sind Ausfallfolgen, Lastdichte, Erweiterungsplan und Gebäudebestand. Ein modularer Aufbau kann bei niedriger Anfangslast effizienter und leichter wartbar sein. Free Cooling muss dennoch so integriert werden, dass Wartung an Rückkühler, Filter oder Wärmeübertrager ohne unkontrollierten Temperaturanstieg möglich bleibt.

Österreichische Wetterdaten sollten standortnah und stündlich ausgewertet werden. Monatsmittel verschleiern genau jene Stunden, in denen freier oder gemischter Betrieb möglich ist. Für luftseitige Konzepte sind Temperatur, Feuchte und Außenluftqualität relevant; für trockene wasserseitige Konzepte vor allem Trockenkugeltemperatur, gewünschter Vorlauf, Rücklauf und Approach des Rückkühlers.

Der Strompfad ist Teil des Kühlkonzepts. Wenn redundante Kühlgeräte, Pumpen oder Ventile am selben Verteiler hängen, kann ein elektrischer Fehler beide Pfade treffen. USV-Überbrückung, Netzersatz, Wiederanlaufreihenfolge und thermische Pufferzeit werden gemeinsam betrachtet. Nach Netzwiederkehr dürfen nicht alle Verdichter und Pumpen unkoordiniert gleichzeitig starten.

Betriebsdaten sollten Free-Cooling-Stunden, gemischte Stunden, Verdichterstunden und Energie je Betriebsart getrennt ausweisen. Dazu kommen maximale Rack-Zulufttemperatur und Anzahl kritischer Alarme. Diese Kennzahlen zeigen, ob eine Optimierung wirklich Energie spart, ohne die IT-Randbedingungen zu verletzen. Abweichungen werden zuerst auf Last, Wetter, Verschmutzung und Sensorik zurückgeführt, bevor Sollwerte verändert werden.

• Approach und Umschaltstunden überwachen
• Gesamtsystemenergie vergleichen
• Wartungs- und Funktionstests terminieren