Die Kühlung durch Verdunstung
Die adiabatische oder adiabate Kühlung ist die Kühlung, die den Effekt der Verdunstungskälte nutzt. Hierbei wird das Ungleichgewicht zwischen einer feuchten Oberfläche und relativ trockener Luft ausgenutzt, um Wasser zu verdampfen. Verdunstungskälte begegnet uns schon im Alltag: Zum Beispiel im Sommer, wenn wir schwitzen. Die Phasenänderung der im Schweiß enthaltenen Flüssigkeit von Wasser in Wasserdampf – somit von flüssig in gasförmig – erfordert Energie, die der Luft in Form von Wärme entzogen wird. Die Luft und die Körperoberfläche kühlen sich ab. Für Rechenzentren ist die Nutzung dieser Zusammenhänge interessant: Schließlich braucht es viel Energie, um Rechenzentren mit Klimaanlagen zu kühlen. Zudem steigen auch die Anforderungen im RZ-Bereich für Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit kontinuierlich. Die Nutzung der Verdunstungskühlung zu Grunde liegenden thermodynamischen Gesetzmäßigkeit würde diese Probleme verringern. Treibhausschädigende Kältemittel (F-Gase) würden nicht benötigt.
Direkte und indirekte adiabatische Kühlung
Bei der adiabatischen Kühlung unterscheiden wir zwischen direkter und indirekter adiabatischer Kühlung. Bei direkter adiabatischer Kühlung wird gefilterte Luft von außen in den zu kühlenden Raum eingeführt und vorher mit einem feinen Wassernebel besprüht. Dies kann den Raum herunterkühlen, solange die Luft von außen noch nicht mit Wasser gesättigt ist. Bei RZs funktioniert diese Taktik aber nur sehr eingeschränkt. Elektronik – und insbesondere IT-Hardware – kann Feuchtigkeit und Wasser nur in begrenztem Umfang standhalten. Deshalb sollte sie auch nicht mit ihnen in Berührung kommen. Diese Art der Kühlung ist folglich im Rechenzentrums-Umfeld nicht einsetzbar.
Interessanter für den Einsatz in Rechenzentren ist hier die indirekte adiabatische Kühlung. Bei ihr gibt es zwei Medienströme. Ein Kreislauf führt die Abluft aus dem Rechenzentrum. Diese wird dem Rechenzentrum wieder zugeführt. Der andere Kreislauf enthält die angesaugte, gefilterte Außenluft. Sie wird mit einem feinen Nebel aus Wasser besprüht und entzieht somit der Umgebung Wärme. Die beiden Kreisläufe sind durch einen Wärmeübertrager miteinander verbunden. Dieser verhindert die Vermischung der zwei Medienströme. Der erste Kreislauf wird mit der Abwärme aus dem zweiten Kreislauf beladen. Oberhalb bestimmter auslegungsabhängiger Temperaturen und Feuchtebedingungen der Außenluft funktioniert dieser Prozess aber nicht mehr ohne weiteres. Da die Außenluft gesättigt ist kann die Luft-Austrittstemperatur in den Serverraum nicht mehr gehalten werden. Wann das der Fall ist hängt in starkem Maße von der gewünschten Temperatur im Serverraum ab. Werden die Möglichkeiten (z.B. Kaltgangtemperaturen deutlich über 25°C) ausgenutzt, kann im mitteleuropäischen Raum die Zulufttemperatur bis auf wenige Stunden im Jahr gehalten werden. Ist dies nicht möglich, muss auf herkömmliche Kompressionskälte, wenn möglich unter dem Einsatz natürlicher Kältemittel, zurückgegriffen werden, um mittels Nachkühlregistern die gewünschten Serverraum-Zulufttemperaturen zu erreichen.
Generell gilt: auch wenn das Prinzip der adiabatischen Kühlung gleichbleibt, gibt es verschiedenste Ansätze diese zu verwenden. Eine Mischung aus Kühlkonzepten ist denkbar.
Neben der indirekten adiabatischen Kühlung in Lüftungsgeräten kann der Effekt der Verdunstungskühlung auch genutzt werden um Wasser oder ein anderes Medium wie Glykol wenigstens teilweise zu Kühlen bzw. den Kühlprozess effizienter zu gestalten. Im Idealfall würde Wasser, welches für den zweiten Kreislauf benötigt wird, im Kreis geführt und kontinuierlich wiederverwendet. (geschlossenes Kühlwasser-System)
Wie leistungsfähig adiabate Kühlung ist, hängt von der Bauart der Geräte, dem Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung, der Geschwindigkeit des Luftstroms, der verdunsteten Wassermenge, sowie der von Temperatur der Luft und von ihrem Feuchtegehalt ab.
Prior1-Service-Techniker wartet eine Klimatiserungsanlage für Rechenzentren die auf
Vorteile von Kühlung durch Verdunstungskälte in Rechenzentren
Die Kühlung von Rechenzentren mit Hilfe von Adiabatik hat offensichtliche Vorteile:
- In den für den Effekt notwendigen Grenzen lassen sich selbst hohe Energiedichten mit wesentlich geringerem Energieaufwand – und dementsprechend kleinerer Stromrechnung und besserer CO2-Bilanz – abführen.
- Ein adiabatisches Kühlsystem kann die Nutzung der indirekten Freien Kühlung verbessern. Bei günstigen Parametern in Bezug auf die Bauweise des Rechenzentrums und den Standort kann auf Kompressionskälte verzichtet werden. Zumindest kann die Notwendigkeit für diese massiv reduziert werden.
Der Wasserverbrauch der muss allerdings genauer betrachtet werden. Für die Verwendung in den Befeuchtungssystemen muss das Wasser systemabhängig bestimmte Eigenschaften haben – und dafür Standortabhängig aufbereitet werden. Es braucht einen geringen Salzgehalt, schließlich sollte sich nicht wie beim Destillieren von Wasser Salz ablagern. Das Wasser wird außerdem gefiltert. Eine Möglichkeit unkompliziert an dementsprechend filterbares Wasser zu gelangen, ist das Auffangen und Speichern von Regenwasser. Über Regenwasser hält sich seit langem das Gerücht, dass es destilliertes Wasser sei. Das stimmt nicht. Auch Regenwasser kann mit verschiedenen Arten von Staub, Pollen, Sporen oder Bakterien belastet sein. Richtig ist aber, dass Regenwasser von Natur aus kalk- und salzarm ist. Perfekt für die adiabatische Kühlung. Das Regenwasser wird in einer Zisterne gespeichert und für die Verwendung vorgehalten.
Grenzen von adiabatischer Kühlung
Hierin ist auch eine Grenze begründet: Der Platzverbrauch ist enorm. Er muss mit einkalkuliert werden. Adiabatische Kühlungslösungen funktionieren gut in Neubauten, können aber schlecht nachgerüstet werden. Die Geräte sind laut, was mit bedacht werden muss. Der Feuchtewert ist nicht immer konstant, weswegen adiabatische Kühlung nicht in Rechenzentren angewendet werden kann, wenn es keinerlei Ausreißer in der Temperatur beispielsweise der Prozessoren geben darf.
Ein Baustein für die Zukunft
Für viele Anwendungsgebiete stellt die Verdunstungskühlung aber einen wichtigen Baustein zur Kühlung der Rechenzentren der Zukunft dar. Und das nicht nur in weiter Ferne. Obwohl sich ein Trend in Richtung der skandinavischen Länder abzuzeichnen scheint, gibt es Rechenzentren, die sich die Technik zu Nutze machen auch schon in Deutschland.
Prior1 sammelt derzeit Erfahrungen im Bereich der Verdünstungskühlung und arbeitet an vielen zukunftsweisenden Konzepten, die den Rechenzentrumsmarkt umweltfreundlicher gestalten sollen. Wir sind gerne ihr Partner für nachhaltige Projekte.