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Rechenzentren (RZ) machen einen bemerkenswerten Teil des Stromverbrauchs aus. Mit der Energie, die deutsche Server und Data Center benötigen, könnten Millionen Privathaushalte versorgt werden. Allein die in Frankfurt am Main angesiedelten Rechenzentren benötigen zusammen mehr elektrische Energie als der größte Stromkunde der Main-Metropole, der Frankfurter Flughafen. Die Tendenz ist weltweit steigend. Die zunehmende Zahl internetfähiger Endgeräte, Cloud-Services, Streaming-Dienste, steigende Ansprüche an digitale Medien, die Telekommunikation, das Internet of Things und zum Beispiel Industrie 4.0 führen zum Wachsen des Datenvolumens, zu größeren Datenbanken und einem stärkeren Rechenaufkommen, somit zu einem steigenden Energiebedarf.

Effizienzmaßnahmen wie sparsamere Hardware, höhere interne Umgebungstemperaturen bis 27 °C und eine ressourcenschonende Kühlung können den spezifischen Strombedarf senken. In diesem Kontext kommt der Kühlung eine wichtige Rolle zu: Je nach Methode fällt die zum Kühlen erforderliche Energie bis zu 90 % geringer aus als bei der mechanischen Klimatisierung mit Kompressor-Kältemaschinen. Eine natürliche Kühlung mit Umgebungsluft, Flusswasser o.ä. senkt den Ressourcenverbrauch erheblich. Der Einsatz der natürlichen Kühlung hat aufgrund der heutzutage deutlich höheren zulässigen Temperaturen in den Serverräumen an Bedeutung gewonnen und ist oft die Hauptkühlung; eine mechanische Kühlung wird dann als Backup oder für Spitzenlasten installiert.

Eine in Zusammenhang mit Effizienz weniger auffällige, aber wesentliche Komponente im Kühlsystem sind Wärmeübertrager (auch Wärmetauscher genannt). Bei konventionellen Klimatisierungslösungen übergeben die in Umluftkühlern eingebauten Wärmeübertrager die Wärme der Raumluft an ein Medium, beispielsweise Kaltwasser. Das Kaltwassernetz wiederum überträgt die aufgenommene Wärme via Wärmeübertrager an den Kältemittelkreislauf von Kältemaschinen. An der „warmen Seite“ des Kältekreislaufs dienen Wärmeübertrager dazu, die Wärme aus dem Gebäude an die Umwelt zu führen. Effiziente Wärmeübertrager sichern hierbei einen wirkungsvollen Wärmeübertrag auf allen Ebenen und helfen so, Energie zu sparen.

Dabei erfüllen Wärmeübertrager nicht alleine die namensgebende Funktion, sie erlauben außerdem unterschiedliche Drücke in den per Wärmeübertrager gekoppelten Kreisläufen und trennen zuverlässig (auch gleichartige) Medien, wodurch sie die Betriebssicherheit steigern. Zum Beispiel muss bei einer Flusswasserkühlung gewährleistet sein, dass keine Partikel in den Kühlkreislauf des Rechenzentrums gelangen und diesen verschmutzen. Dennoch muss der Wärmeübergang so effizient sein, dass der trennende Wärmeübertrager die Kühlleistung kaum beeinträchtigt und natürliche Ressourcen bestmöglich und wirtschaftlich genutzt werden. Ein guter Wärmeübertrager senkt so die Investitionskosten an anderer Stelle und spart im Betrieb zum Beispiel Pumpleistung.

Für die Fluss- oder Seewasserkühlung (Süß- und Salzwasser) eignen sich u.a. gedichtete Kelvion-Plattenwärmetauscher mit dem Optiwave-Design. Sie sind nach dem AHRI-400-Standard für Flüssig-Flüssig-Wärmeübertrager zertifiziert und werden aus hochwertigen, langlebigen Materialien wie Edelstahl oder Titan hergestellt. Sie separieren das Fluss-/Seewasser vom Kühlkreislauf und stellen über lange Zeit eine gute Wärmeübertragung sicher. (Solche Plattenwärmetauscher kommen in Rechenzentren zum Beispiel ebenfalls zur Trennung zwischen Kältemaschine und offenem Kühlturm zum Einsatz.)

Gedichtete Plattenwärmetauscher sind kompakt und können in Plattengröße und -anzahl an die Anforderungen angepasst werden

Effizientes Plattendesign: Das Medium wird gleichmäßig über die gesamte Plattenbreite geführt, um den Wärmeübertrag zu maximieren.

Wenn die überschüssige Wärme nicht durch Fluss-, Brunnen- oder Seewasser abgeführt werden kann, kommt Luftkühlung zum Einsatz, zum Beispiel indirekte Freiluft-Kühlsysteme, in denen Luft-Flüssig-Wärmeübertrager eingebaut sind. Ihre – heute üblicherweise von drehzahlvariablen Ventilatoren unterstützten – Rückkühler kühlen das Medium, das innerhalb des Rechenzentrums die Wärme aufgenommen hat, mit Umgebungsluft.

Hocheffizient und in der jüngsten Vergangenheit immer beliebter ist eine andere, besondere Form der Luftkühlung: die adiabatische Kühlung. Bei der adiabatischen Kühlung dienen die meiste Zeit Wärmeübertrager mit drehzahlvariablen Ventilatoren dazu, die Rechenzentrumswärme an die Umgebungsluft abzuleiten. Ist die Umgebungsluft jedoch zu heiß, um den erforderlichen Kühleffekt zu erzielen, wird ein Wassersprühsystem aktiviert. Der feine Sprühnebel provoziert eine Verdunstung, lässt also die Umgebung weiter abkühlen und steigert so die Kühlwirkung.

Die Verdunstungskühlung muss in gemäßigten Klimaregionen nur selten zum Einsatz kommen. Die adiabatische Kühlung benötigt daher weniger Wasser und hat geringere Betriebskosten als ein klassischer Kühlturm, ist zugleich aber leistungsfähiger als die Freiluft-Kühlung. Für die adiabatische Kühlung werden Wärmeübertragerkonstruktion und Sprühsystem aufeinander abgestimmt, damit die Verdunstungskühlung ihre optimale Wirkung entfalten kann und der Verbrauch an enthärtetem Wasser möglichst klein ausfällt.

Nicht nur die zunehmende Akzeptanz alternativer Kühlprinzipien – wie der adiabatischen Kühlung – treiben die Entwicklung voran. Entwicklerteams wie das von Kelvion arbeiten stetig an Verbesserungen, die unter anderem dem PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) oder dem WUE-Wert (Water Usage Effectiveness) zugutekommen. Viele Optimierungen spiegeln sich in einer höheren spezifischen Leistung bzw. geringeren Abmessungen, in einer gesteigerten Wirtschaftlichkeit oder einem Plus an Zuverlässigkeit wider – oder in einer Kombination von allem.
Ein Beispiel für den Mehrfachnutzen einer Weiterentwicklung liefert die Wärmetauscherplatte NP150X. Sie wurde speziell für Rechenzentren entwickelt. Die Wärmetauscherplatte NP150X ist für Anwendungen mit geringen Temperaturdifferenzen und hohen NTU-Werten (Number of Heat Transfer Units) ausgelegt. Sie besitzt eine spezielle Prägung, die sich durch eine kurze Wellenlänge und geringe Prägetiefe auszeichnet. Letzteres führt zu einem engen Fließspalt, weswegen in den Fließspalten zwischen den Platten eine hochturbulente Strömung entsteht. Das begünstigt die Wärmeübertragung, d.h. die Übertragungsverluste werden minimiert. Mit anderen Worten: Die Leistung ist höher als bei vergleichbar großen Platten, die für den Industrieeinsatz ausgelegt sind.
Wärmeübertrager mit der Platte NP150X können bei gleicher Leistung somit kleiner ausfallen als ihr Industriependant.
Das spart nicht nur Raum, sondern verringert gleichzeitig das Füllvolumen, sodass weniger Glykol eingesetzt werden muss. Zudem sorgt die Wärmeübertrager-Konstruktion für einen einfachen Dichtungstausch und eine perfekte Ausrichtung des Plattenpakets bei der Montage, damit Wartungsarbeiten kurz ausfallen –positive Aspekte in der Wirtschaftlichkeitsrechnung.

Gedichtete oder gelötete Plattenwärmetauscher finden außerdem dort Anwendung, wo Server-Abwärme zu Nutzwärme wird: bei der Heizung. Im deutschsprachigen Raum ist bisher eher das winterliche Nutzen der Abwärme für das Heizen der rechenzentrumseigenen Büroräume üblich. Denkbar ist aber ebenso, die Abwärme für Dritte nutzbar zu machen. Das entlastete die Umwelt, weil sich Heizenergie an anderer Stelle einsparen ließe, und eröffnet evtl. sogar Einnahmequellen. In Schweden wird bereits RZ-Abwärme in das Fernwärmenetz eingespeist, und es lohnt sich, obwohl die Strompreise dort niedriger sind als in Deutschland.

Selbst Green IT wird mit den richtigen Kühlkonzepten und Wärmeübertragern also noch ein wenig grüner, weil der Verbrauch an grünem Strom weiter sinkt und mehr Grünstrom für andere Anwendungen zur Verfügung steht. Und – wie das Beispiel Schweden zeigt – die aus dem grünen Betrieb des Rechenzentrums entstehende Abwärme genutzt werden kann, um Primärenergie auf dem Wärmesektor zu sparen.

Einsatzbeispiele für Wärmeübertrager im Rechenzentrum:
(1) Rückkühler leiten mit Hilfe von Luft die Wärme aus dem Rechenzentrum,(2) Lamellenwärmeübertrager in den Luftkühlern der Serverräume,(3) gedichtete Plattenwärmetauscher versorgen die Klimatisierung mit gekühltem Wasser. Diese Plattenwärmetauscher trennen das Kühlturm-Kühlwasser vom internen Kreislauf des Verbrauchers und sorgen dafür, den Kühlturmkreislauf so klein wie möglich zu halten. Potenziell verunreinigtes Kühlturmwasser wird so von internen Verbrauchern separiert.(4) Kühltürme entziehen dem Wasser Wärme durch den Kontakt mit Luft,(5) gelötete Plattenwärmetauscher als Bestandteile von Kältemaschinen (als Schnittstelle zwischen Kältemittel und Serverraum) oder als Kondensator in Erwärmungs-, Kühl- und Industrieanwendungen.

Denise Janotte; Henning Lührig
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Kelvion Germany GmbH