Free Cooling: wann es sich rechnet und wann es nur teurer wird

Free Cooling ist die einzige Kälteerzeugung, die nichts kostet außer Ventilatorstrom. Genau deshalb wird sie oft eingebaut, ohne vorher zu rechnen. Das Ergebnis sind Anlagen, die zwar einen Free Cooling Kreis haben, ihn aber vierzig Stunden im Jahr nutzen, weil die Systemtemperaturen zu niedrig gewählt wurden. Die Mehrinvestition steht dann in der Anlage, der Nutzen nicht.

Dieser Beitrag beschreibt, woran wir vor der Auslegung tatsächlich entlanggehen.

Der Umschaltpunkt entscheidet alles

Free Cooling funktioniert, solange die Außenluft kalt genug ist, um den Kreis ohne Verdichter auf Temperatur zu halten. Der Umschaltpunkt ergibt sich aus der Kaltwassertemperatur minus der Grädigkeit des Rückkühlers. Bei einem Kaltwasserkreis mit 12 Grad Vorlauf und einer Grädigkeit von 5 Kelvin beginnt teilweises Free Cooling ungefähr bei 7 Grad Außentemperatur, vollständiges deutlich darunter.

Und hier liegt der Hebel, der in der Planung fast nichts kostet: Jedes Kelvin, das der Kreis wärmer fahren darf, verschiebt den Umschaltpunkt nach oben und schenkt Ihnen Betriebsstunden. Ein Rechenzentrum, das statt mit 8 auf 14 Grad Vorlauf mit 16 auf 22 Grad ausgelegt wird, kommt in Mitteleuropa auf ein Vielfaches der Free Cooling Stunden. Die Kälteleistung je Gerät sinkt dabei nicht, sie steigt sogar, weil der Verdampfungsdruck höher liegt.

Wer diese Entscheidung erst nach der Gerätebestellung trifft, kann sie nicht mehr treffen.

Indirekt oder direkt

Indirektes Free Cooling arbeitet über den Wasserkreis. Ein Rückkühler oder ein zusätzliches Register im Gerät nimmt die Wärme auf, sobald es draußen kalt genug ist. Es gibt drei Betriebsarten: kein Free Cooling, teilweises Free Cooling, bei dem der Verdichter nur noch die Restlast deckt, und vollständiges Free Cooling. Die Raumluft bleibt vom Außenklima getrennt. Das ist der Standardweg überall dort, wo Feuchte und Sauberkeit der Raumluft geregelt bleiben müssen.

Direktes Free Cooling holt Außenluft über ein Plenum, einen Außenluftkanal und einen Filter direkt in den Raum. Der Wirkungsgrad ist besser, weil kein Wärmetauscher dazwischenliegt. Dafür holen Sie sich Feuchte, Staub und im Zweifel auch Gerüche ins Gebäude, und Sie brauchen Fühler innen und außen samt einer Umschaltlogik, die im Grenzbereich nicht pendelt. In Rechenzentren mit Anforderungen an die Raumfeuchte ist das der schwierigere Weg. In Technikräumen ohne Feuchteanforderung ist es oft der wirtschaftlichste.

Die vier Zahlen, die wir brauchen

Um Free Cooling ehrlich zu bewerten, reichen vier Angaben:

1. Die Last und ihr Verlauf. Eine Anlage, die im Winter unter dreißig Prozent Last läuft, hat andere Free Cooling Stunden als eine mit konstanter Grundlast. Rechenzentren sind der beste Fall, weil die Last im Winter nicht sinkt.
2. Die Systemtemperaturen. Vorlauf, Rücklauf und die zulässige Spreizung. Siehe oben, das ist der größte Hebel.
3. Der Standort. Nicht das Bundesland, sondern die Wetterstation. Zwischen dem Grazer Becken und einem Standort auf 800 Metern liegen mehrere hundert Stunden im Jahr.
4. Der Strompreis und die Betrachtungsdauer. Ohne diese beiden Zahlen ist jede Amortisationsrechnung eine Meinung.

Aus Last, Temperaturen und den Stundenwerten der Wetterstation ergeben sich die Stunden, in denen der Verdichter still steht. Alles Weitere ist Multiplikation. Wir liefern diese Rechnung mit dem Angebot, nicht als Nachtrag.

Glykol ist keine Nebensache

Sobald ein Rückkühler im Winter Wasser führt, braucht der Kreis Frostschutz. Damit ändert sich die Auslegung an drei Stellen gleichzeitig: Die Wärmekapazität sinkt, die Viskosität steigt, der Druckverlust steigt überproportional. Ein mit reinem Wasser gerechneter Rückkühler und eine mit reinem Wasser gerechnete Pumpe liefern mit 34 Prozent Ethylenglykol nicht mehr die Leistung, die im Datenblatt steht.

Das ist der häufigste Fehler, den wir in bestehenden Anlagen finden. Er fällt nicht bei der Inbetriebnahme auf, sondern beim ersten heißen Tag, und dann sucht man ihn beim Verdichter.

Was das für die Rückkühlfläche bedeutet

Free Cooling verlangt mehr Fläche als der reine Kondensationsbetrieb, weil bei kleiner Temperaturdifferenz gearbeitet wird. Wer die Rückkühlung auf den Sommerauslegungspunkt optimiert, bekommt im Winter nicht die Stunden, mit denen gerechnet wurde. Umgekehrt ist eine großzügig ausgelegte Fläche im Sommer leiser und im Teillastbetrieb sparsamer, weil die Ventilatoren nicht auf Anschlag laufen.

Bei drehzahlgeregelten EC Ventilatoren geht der Leistungsbedarf ungefähr mit der dritten Potenz der Drehzahl. Zwanzig Prozent weniger Drehzahl sind rund die Hälfte der Leistungsaufnahme. Deshalb ist mehr Fläche in der Rückkühlung fast immer die bessere Investition als ein größerer Verdichter.

Was Sie davon haben

Sie bekommen von uns keine Empfehlung für ein Gerät, sondern zuerst die Rechnung, die zeigt, ob sich der Free Cooling Kreis an Ihrem Standort überhaupt lohnt. In etwa jedem fünften Fall lautet die Antwort nein, und dann sagen wir das auch. Das kostet uns einen Zusatzverkauf und erspart Ihnen eine Investition, die zwanzig Jahre lang nichts zurückgibt.

Wenn die Antwort ja lautet, bekommen Sie die Auslegung mit Glykolanteil, Druckverlust und Umschaltpunkt, dazu die Gerätevarianten, die dafür in Frage kommen. Bei den Präzisionsklimaschränken steht Free Cooling als indirekte und als direkte Ausführung zur Verfügung, bei der Rückkühlung reicht die Bandbreite vom Trockenkühler bis zum adiabaten Hybrid.

Nächster Schritt

Schicken Sie uns Last, Vorlauf, Rücklauf und den Standort. Mehr brauchen wir für die erste Aussage nicht. Wenn Sie die Werte noch nicht haben, rufen Sie an, dann gehen wir sie gemeinsam durch. Fünfzehn Minuten am Telefon ersparen in dieser Frage regelmäßig eine Woche Abstimmung.