Miniaturisierung und Optimierung ermöglichen es in vielen Bereichen, immer mehr Leistung und Funktion auf immer geringerem Raum zu installieren. In der IT ist das am deutlichsten: Ein aktuelles Smartphone hat die mehrfache Rechenleistung eines Supercomputers der 80er Jahre. Aber auch im Schaltschrank werden die Einzelgeräte kleiner und enger gepackt. Der Nachteil dieser Entwicklung ist, dass auf immer weniger Raum immer mehr Wärme entsteht, die sich nicht mehr durch natürliche Konvektion abführen lässt; das heißt, Kühlsysteme werden notwendig.

So vielfältig wie die Anforderungen sind auch die technischen Lösungen: Kühlgeräte werden komplett im Schaltschrank integriert oder die Kälteerzeugung von der Kühlung räumlich getrennt, die Kühlung setzt direkt am ‚Hotspot‘ an oder kühlt den gesamten Raum, und nicht zuletzt befeuern die Umweltrichtlinien zur Klimaschädlichkeit von Kühlmitteln die Entwicklung neuer Lösungen.

Das Kältemitteldilemma

Bisherige Kältemittel haben teils einen mehr als tausendmal höheren Treibhauseffekt als das wichtigste Klimagas CO₂. Weltweit ist man bemüht, diesen schädlichen Einfluss auf das Klima durch Kältemittel zu begrenzen, die weniger hohe GWP-Werte (Global Warming Potential) aufweisen. Leider haben all diese weniger klimaschädlichen Alternativen den Nachteil, dass sie in unterschiedlichem Maß brennbar sind, vom schwer entflammbaren R1234yf, das sich erst über 400 °C entzündet, bis zu Propan, das zwar einen sehr niedrigen GWP-Wert von 0,02 bietet, aber sehr leicht brennt.

Die EU begrenzt die Nutzung klimaschädlicher Gase seit vielen Jahren und hat im Rahmen des Green Deal in der Verordnung 2024/573 neue Grenzwerte für Klimageräte definiert: Ab dem 1. Januar 2027 dürfen in der EU Kühlgeräte und Chiller mit einer Kühlleistung unter 12 kW nur noch mit einem GWP unter 150 in Verkehr gebracht werden. Ab 2030 werden jedoch viele Anwendungen faktisch nur noch mit natürlichen Kältemitteln oder HFOs mit extrem niedrigem GWP (<10) möglich sein. Chiller über 12 kW Kühlleistung müssen bis 2027 den Wert von 750 erreichen. Weitere Verordnungen weltweit, beispielsweise in den USA, definieren seit 2025 einen GWP-Wert von 700.

Rittal hat auf die immer weiter verschärften Grenzwerte schon im Jahr 2024 reagiert und alle Kühlgeräte und Chiller auf das Kältemittel R513A umgestellt, das aus einer Mischung von R134a und R1234yf besteht und einen GWP von 631 erreicht. Damit sind diese Geräte bis auf weiteres auch international zugelassen. Ab dem ersten Quartal 2026 wird das ‚Blue e+‘-Kühlgeräteportfolio auf R1234yf umgestellt, im zweiten Quartal folgen die Chiller der ‚Blue e+‘-Baureihe.

Brandrisiko aus der Halle vertreiben

Dem Brandrisiko lässt sich durch verschiedene Maßnahmen entgegenwirken, beispielsweise durch eine Umstellung von direkter auf indirekte Kühlung. Dabei wird nicht das Kältemittel selbst zum kühlenden Wärmetauscher geleitet, sondern in den meisten Fällen Wasser als ein ungefährliches Medium. Es wird also ein Kühlkreislauf mit Wasser zwischen der im Schaltschrank verbauten Kühleinheit und dem eigentlichen Kühlgerät eingerichtet. Im eigentlichen Kühlgerät, das in einem eigenen Raum oder außerhalb der Halle steht, zirkuliert das Kältemittel zwischen der Kältemaschine und einem Wärmetauscher, in dem das Kältemittel das Wasser abkühlt.

Eine interessante Option, vorhandene Kälteleistung zu nutzen, ist die Kühlung mithilfe eines schon vorhandenen Chillers, der beispielsweise für die Spindelkühlung an einem Bearbeitungszentrum installiert ist. Diese Option hat den Vorteil, dass der typischerweise gegenüber einem Schaltschrankkühlgerät leistungsfähigere Chiller erst später die niedrigen Grenzwerte erfüllen muss.

Optionen für die Kühlung

Rittal bietet unterschiedliche Optionen an, um die Wärme aus einem Schaltschrank mittels indirekter Kühlung abzuführen. Neben Wärmetauschern mit Gebläse, die in der Schaltschranktür oder auf dem Dach des Schaltschranks eingebaut werden, gibt es auch Geräte, die sich zwischen zwei Schränken einbauen lassen. Jede dieser Einbauarten hat spezifische Vor- oder Nachteile: Ein Kühler in der Tür verhindert beispielsweise das Öffnen der Tür um 180 °, weshalb in beengten Umgebungen ein Dachkühler Vorteile hat.

Liquid Cooling Package (LCP) Rear Door für Serverracks: Die gesamte Cooling Door ist mit einem Luft-Wasser-Wärmetauscher versehen, der die Warmluft direkt am Austritt aus dem Rack herunterkühlt und so einen großen Teil der Abwärme direkt über einen Wasserkreislauf mit einem externen Chiller ableitet. © Rittal

Auf der Hannover Messe 2026 zeigte Rittal als Diskussionsmodell eine interne Schaltschrankkühlung auf Basis einer im Roll-Bonding-Verfahren hergestellten Kühlplatte. Hierbei werden zwei geprägte, dünne Blechplatten unter hohem Druck miteinander verpresst, sodass ein sehr flacher Kühlkörper entsteht, der im Schrank direkt hinter der Montageplatte positioniert und von oben nach unten von Wasser durchflossen wird. Die Platte kühlt wiederum die Luft, die von einem Ventilator am Dach des Schranks hinter die Montageplatte geleitet wird und unterhalb der Platte wieder nach vorn austritt.

So entsteht eine platzsparende Kühlung mit einer Leistung von bis zu 1 kW. Durch das Anordnen von maximal drei solcher Platten lässt sich die Kühlleistung auf bis zu 3 kW erhöhen. Diese Art der Kühlung eignet sich beispielsweise für Schiffsanwendungen, wo wenig Platz, aber reichlich Kühlwasser zur Verfügung steht.

Kühlung durch die Hintertür

Ein immer wichtigeres Einsatzgebiet für Schrankkühlung ist die IT respektive das Rechenzentrum. Rechenzentren werden aktuell üblicherweise mit Cold und Hot Isles bebaut, das heißt, die Schrank-reihen, in denen die Rechner in 19-Zoll-Einschüben sitzen, werden in Reihen Rücken an Rücken aufgestellt. Jeder Rechner saugt vorn, an der Türseite (in der sogenannten ‚Cold Isle‘, dem kalten Gang), kühle Luft an. Die erwärmte Luft wird nach hinten ausgestoßen, weshalb dieses Layout auch als Front-to-Back-Kühlung bezeichnet wird. Die Klimatisierung saugt die erwärmte Luft in der Hot Isle zwischen der Rückseite zweier Schrankreihen ab und führt frische, kühle Luft in der Cold Isle zu.

Liquid Cooling Package (LCP) Rear Door für Serverracks: Die gesamte Cooling Door ist mit einem Luft-Wasser-Wärmetauscher versehen, der die Warmluft direkt am Austritt aus dem Rack herunterkühlt und so einen großen Teil der Abwärme direkt über einen Wasserkreislauf mit einem externen Chiller ableitet. © Rittal

Allerdings kommt diese Art der Luftkühlung mit wachsender Leistungsdichte der Rechner in den Racks an ihre physikalischen Grenzen. So entsteht zum Beispiel bei der Nachrüstung neuer Server in Rechenzentren mit bereits bestehender Kühlungsarchitektur zusätzliche Wärme, die nicht mehr allein über die vorhandene Kühlung abgeführt werden kann. Rittal hat für solche Szenarien eine ‚Liquid Cooling Package‘ (LCP) Rear Door entwickelt, die anstelle der hinteren Tür montiert wird. Die gesamte Cooling Door ist mit einem Luft-Wasser-Wärmetauscher versehen, der die Warmluft direkt am Austritt aus dem Rack herunterkühlt und so einen großen Teil der Abwärme direkt über einen Wasserkreislauf mit einem externen Chiller ableitet.

Ein komplettes Rechenzentrums-Modul für KI-Anwendungen, in dem wasserbasierte Kühltechnik, Server-Racks und Stromverteilung eingebaut sind. © Rittal

Die nur 18 cm tiefe LCP Rear Door kann in den beiden Leistungsklassen 15 kW und 30 kW als passive Version mit Wärmetauscher eingesetzt werden, bei der die integrierten Lüfter der Server den erforderlichen Volumenstrom bereitstellen. Sollte deren Leistung nicht ausreichen, um die zusätzliche Druckdifferenz der Wärmetauschertür zu überwinden, kann ein Aktivmodul nachgerüstet werden. Dieses enthält 18 Lüfter, die über eine eigene Steuerung zusätzlichen Luftstrom erzeugen. Ein optionales Wassermodul, das unter oder auf einem Schrank mit ‚Active Cooling Door‘ montiert wird, regelt den Wasserstrom so, dass optimale klimatische Verhältnisse im Schrank erreicht werden. So erreicht die wertvolle IT-Infrastruktur nicht nur ihre optimale Leistung, sondern auch eine längere Lebensdauer und höhere Ausfallsicherheit.

Redundante Kühlung für Rechenzentren

Steigt die Leistungsdichte weiter, beispielsweise in KI-Rechenzentren mit ihren unzähligen Hochleistungs-KI-Prozessoren, reicht eine Luftkühlung in den Racks nicht mehr aus. In diesem Fall wird eine direkte Wasserkühlung installiert, bei der die Kühlkörper direkt auf den Rechenchips montiert und mit einem Wasserkreislauf verbunden werden. Welche Mengen an Abwärme in einem solchen Modul, wie es Rittal auf der Hannover Messe vorgestellt hat, entstehen, zeigt sich anschaulich im Durchmesser der Zu- und Ablaufrohre: Die etwa 10 cm durchmessenden Rohre führen 1500 Liter pro Minute kaltes Wasser zu den internen Pumpen und das von 1 MW KI-Rechenleistung erwärmte Wasser zurück zur extern aufgebauten Kältemaschine.

Der Kern der Rittal CDU: Die modularen Pumpeneinheiten fördern 1500 Liter pro Minute durch die 10 cm durchmessenden Rohre, um 1 MW KI-Rechenleistung zuverlässig zu kühlen. © Rittal

Das Modul selbst ist dreigeteilt: In der Mitte sind die Computerracks platziert, im rechten Drittel die redundanten Stromversorgungen und im linken Drittel die ‚Coolant Distribution Unit‘ (CDU) mit Wärmetauscher und fünf Modulen mit den geregelten Pumpen, die das Wasser an den Prozessoren vorbeipumpen. Vier der fünf Pumpenmodule reichen bei voller Drehzahl zur Abfuhr der maximalen Wärmemenge, sodass die fünfte eine N+1-Redundanz abbildet. Drehzahl und Anzahl der betriebenen Pumpen werden dynamisch auf Basis der erforderlichen Druckdifferenz und des Volumenstroms gesteuert. Dies stellt sicher, dass die Pumpen immer im effizienten Bereich betrieben werden.

Für eine maximale Verfügbarkeit ist neben Redundanz auch einfache Bedienbarkeit entscheidend. Daher sind alle relevanten Komponenten im laufenden Betrieb wartbar beziehungsweise austauschbar (hot swappable), angefangen von den Pumpen und Filtern über Sensoren bis hin zur zentralen Steuereinheit. Die einzelnen Pumpenmodule sind wie ein Server einfach herausziehbar, der elektrische Anschluss erfolgt über eine Blindmate-Kontaktierung auf die 48-V(DC)-Stromschiene, ein manuelles Verdrahten entfällt somit. 

Der Autor: Ralf Steck ist freier Fachjournalist für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau in Friedrichshafen.

Redkation: Inka Krischke