Kühlen im geschlossenen System Was ist und wie funktioniert Adiabatik?

Das effiziente Kühlen von Rechenzentren sollte sich naturgegebene Abläufe zunutze machen, wo immer das geht. Das spart elektrische Energie für Ventilatoren und Chiller. Einer dieser Prozesse ist die Adiabatik, Verdunstungskühle, ein spezieller Anwendungsfall thermodynamischer Gesetzmßigkeiten.

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Rein physikalisch betrachtet, ist Adiabatik gegeben, wenn ein Stoff dazu gebracht wird, innerhalb eines geschlossenen Systems ohne Wärme-Austausch mit der Umgebung seinen Zustand zu ändern. Prototypisch ist dafür der so genannte Carnot-Prozess, bei dem ein Medium durch Zusammendrücken (Kompression) und Nachlassen des Drucks (Extraktion) mal flüssig, mal gasförmig ist und auch die entsprechenden Temperaturen hat.

Flüssig sind Materialien bekanntlich kühler als gasförmig, und wann ein Medium von einem in den anderen Zustand übergeht, ist eine von der Natur gegebene Konstante, die man allerdings durch Parameter wie den Druck verschieben kann. Deshalb muss Flüssiggas bei sehr tiefen Temperaturen und unter Druck transportiert werden.

Man spricht aber in der Technik auch dann noch von adiabatischen Prozessen, wenn ein Kühlmedium, zum Beispiel Luft oder Wasser, in Kontakt gebracht wird, um Wärme auszutauschen. Das adiabatische Medium verdunstet aufgrund des indirekten Kontakts mit dem warmen Medium, die Verdunstungskälte kühlt das Datacenter-Kühlmedium.

Verdunstungskühle im Rechenzentrum

Hier ändert also das Wasser, das von außen an die Rohre oder Lamellen mit der Rechenzentrumskühlflüssigkeit herangeführt wird, seinen Zustand - es wechselt zwischen flüssig und gasförmig. Das im geschlossenen Kreislauf geführte Kühlmedium wird lediglich so weit abgekühlt, dass es wieder seine Kühlaufgaben erfüllen kann.

Verbreitet sind als Lösung für Rechenzentren so genannte adiabatische oder adiabate Rückkühler. Inzwischen haben sie viele Hersteller von Kühlanlagen im Programm, etwa Schneider Electric, Vertiv, Secon oder Stulz.

Es gibt zwei Formen der adiabatischen Kühlung: die direkte und die indirekte. Bei der direkten adiabatischen Datacenter-Kühlung mit Luft, meist gefilterter Außenluft, wird diese durch das Besprühen mit einem feinen Wassernebel gekühlt und dann direkt in den zu kühlenden Raum geleitet, so lange das die Temperaturen zulassen.

Um wie viel eine Adiabatik das zu kühlende Medium kühlen kann, lässt sich nicht ohne Details des Einzelfalls beziffern. Die Kühlung der Außenluft durch Adiabatik hängt von der verdunsteten Wassermenge auf der Abluftseite, der Bauart und dem Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung an. Wichtig ist auch die Luftgeschwindigkeit beim Durchströmen des Verdunstungskühlers, der Feuchtegrad und die Temperatur der Abluft.

Grundsätzlich lässt sich sagen, dass der Abkühleffekt um so geringer ist, je kälter die Luft vor der Verdunstungsstufe ist. Je stärker die zu kühlende Luft mit Wasser gesättigt ist, desto geringer ist der Kühleffekt, weil sie keine Feuchtigkeit mehr aufnehmen kann.

Direkt und indirekt

Bei der indirekten adiabatischen Kühlung gibt es zwei Kühlkreisläufe: einer enthält Luft oder auch Wasser aus dem Rechnerraum, einer gekühlte Außenluft oder ein weiteres flüssiges Kühlmedium. Beide sind durch Wärmetauscher verbunden. Der geschlossene Kreislauf, in dem sich die Außenluft bewegt, wird von außen mit Wasser besprüht. Es erwärmt sich oder verdunstet und entzieht der Außenluft Wärme, ehe diese über den Wärmetauscher mit der Wärme der Rechenzentrumsluft beladen wird.

In komplexen Kühllösungen werden in der Regel mehrere Stufen miteinander kombiniert, zwischen denen je nach Bedarf hin und her geschaltet werden kann. Oberhalb bestimmter Außenluft-Temperaturschwellen muss Luft beispielsweise meist einen Kompressor passieren, um auf die gewünschte Temperatur herunterzukühlen. Welche Kühlkomponenten solcher Lösungen gerade aktiv sind, entscheidet sich situationsabhängig und meist automatisiert nach vorgegebenen Regeln.

Adiabatische Kühlung senkt den Energiebedarf und damit den Kohlendioxid-Ausstoß von Rechenzentren. Denn es wird weniger Strom beispielsweise für den Betrieb von Kompressoren benötigt. Der Wasserbedarf ist begrenzt, zumal das Wasser beziehungsweise der Dampf für die Adiabatik-Kühlung im Kreis geführt wird.

Adiabatische Rückkühler können auf dem Dach eines Rechenzentrums oder auch neben dem Datacenter aufgebaut werden. Sie lassen sich temporär nutzen, beispielsweise nur bei hohen Temperaturen und Freiluftkühlung, während sie sonst abgeschaltet bleiben. Auch im Winter, bei Minustemperaturen, verzichten Datacenter-Betreiber zumeist.

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