Was ist Freie Kühlung / Free Cooling?
Kaltwassersätze mit Freier Kühlung
FAQ 06.06.2023Der englische Begriff „Free Cooling“ wird etwas missverständlich übersetzt mit „Freie Kühlung”. Richtig übersetzt müsste es eigentlich „kostenlose“ Kühlung heißen. Denn beim Free Cooling wird die kostenlose Außenluft – der Temperaturunterschied zwischen der Innen- und der Außenumgebung – dazu genutzt, Räume zu kühlen. In Anwendungen, bei denen der Kühlbedarf das ganze Jahr über konstant ist, wie z. B. in Rechenzentren oder Prozessanwendungen, kann Freikühlung den mechanischen Kältekreislauf zeitweise ersetzen.
Dank dieser Technologie wird die mechanische Kühlung seltener eingesetzt, was Wartungskosten reduzieren kann. Das Ergebnis ist eine schnelle Amortisierung der Investition und eine Verlängerung der Nutzungsdauer der Kältemaschine sowie deren Werterhaltung im Laufe der Zeit.
Wie funktionieren Kaltwassersätze mit Freier Kühlung?
FunktionsweiseFree-Cooling-Geräte
Kaltwassersätze mit Free-Cooling-Funktion besitzen im Vergleich zu anderen Kaltwassersätzen einen zusätzlichen luftgekühlten Wärmetauscher, der luftseitig vor dem Verflüssiger montiert ist. In diesem Wärmetauscher wird das Medium im Verbraucherkreislauf über die Außenluft gekühlt, sofern es die Umgebungstemperaturen zulassen. Bei einer Temperaturdifferenz zwischen Wassereintrittstemperatur und Außenlufttemperatur von ca. 2 K kann bereits mit dem Free-Cooling-Betrieb gestartet werden. Die volle Leistung der Freikühlung wird bei einer Temperaturdifferenz von ca. 10 K erreicht. Dadurch kann der mechanische Kältekreislauf früher entlastet werden; der konkrete Energiebedarf hängt von Auslegung und Betriebsbedingungen ab.
Mechanische Kühlung
SommerKaltwassersätze mit Freier Kühlung im Sommerbetrieb
Im Sommer ist der Freikühl-Betrieb deaktiviert und das Medium im Verbraucherkreislauf wird nur über den Kältekreislauf gekühlt. In diesem Fall arbeitet das Gerät wie ein traditioneller luftgekühlter Kaltwassersatz mit mechanischer Kühlung. Bei der mechanischen Kühlung wird immer ein Verdichter bzw. Kompressor benötigt. Die daraus resultierende Leistungsaufnahme bewirkt einen Stromverbrauch.
Hybridkühlung
ÜbergangKaltwassersätze mit Freier Kühlung im Übergangsbetrieb
In der Übergangszeit zwischen Sommer und Winter wird das Medium teilweise über den Free-Cooling-Wärmetauscher und teilweise über den Verdichterbetrieb gekühlt. Wenn die Außenlufttemperatur geringfügig niedriger als die Wassereintrittstemperatur des Kaltwassersatzes ist, wird das 3-Wege-Ventil aktiviert, welches das Wasser in den zusätzlichen Freikühl-Wärmetauscher leitet. Wie hoch dabei der Anteil der freien Kühlung ist, hängt von der Differenz zwischen Außenluft- und Eintrittstemperatur des Mediums ab. Im Übergangsbetrieb kann der Verdichterbetrieb anteilig durch Freie Kühlung ersetzt werden. Maßgeblich hierfür sind die Systemtemperaturen und der Standort des Gerätes.
100% Freie Kühlung
WinterKaltwassersätze mit Freier Kühlung im Winterbetrieb
Wenn die Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Mediumseintrittstemperatur ausreichend groß ist, wird das Medium nur noch über den Free-Cooling-Wärmetauscher gekühlt. Der Kältekreislauf ist deaktiviert. Im reinen Free-Cooling-Betrieb bleibt der Kältekreislauf deaktiviert; im Gerät wird im Wesentlichen nur die Antriebsenergie der Ventilatoren benötigt. Um ein Unterschreiten der Mediumaustrittstemperatur unter den Sollwert des Gerätes bei niedrigen Außentemperaturen zu verhindern, wird die Drehzahl der Ventilatoren bei Erreichen des Sollwertes sukzessive reduziert. Wird das Gerät auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen bzw. bei einer großen Differenz zwischen der minimalen Außentemperatur und den Systemtemperaturen betrieben, empfiehlt es sich, ein modulierendes 3-Wege-Ventil zu verwenden. In diesem Fall wird das Medium am Geräteeintritt dem Austritt des Free-Cooling-Wärmetauschers beigemischt, sodass ein Unterschreiten des Sollwertes sicher verhindert wird.
Wann lohnen sich Kaltwassersätze mit Freier Kühlung?
Planung & AuslegungHinweise zur Planung und Auslegung
Geräte mit Freier Kühlung sind immer dann sinnvoll, wenn ganzjährig oder auch während der Übergangszeit intensiv gekühlt werden muss.
Beispiele:
- Rechenzentren
- Produktionsprozesse
- Telefonzentralen
- Gebäude mit hohem Glasanteil / mit hohen internen Lasten
Um den Free-Cooling-Anteil zu erhöhen, ist es erforderlich, die Systemtemperaturen so weit wie möglich anzuheben. Eine zusätzliche Möglichkeit, den Free-Cooling-Betrieb zu optimieren, ist, die Temperaturdifferenz des Mediums zu erhöhen. Dies kann den Pumpenbetrieb beeinflussen und eröffnet auch die Möglichkeit, früher mit dem Free-Cooling-Betrieb beginnen zu können. Ein weiterer Vorteil der optimierten Systemtemperaturen ist, dass das Free-Cooling-Gerät kleiner gewählt werden kann. So werden nicht nur Investitionskosten reduziert, sondern auch der Platzbedarf des Gerätes minimiert.
Beispiel:
- Kältebedarf: 500 kW
- Energiekosten: 0,2 €/kWh
- Betriebszeit: 24/7, ganzjährig
- Standort: Frankfurt am Main
Hinweise zur Planung und Auslegung
Aufgrund der geänderten Systemtemperaturen können in Bezug auf die Investitionskosten und den Betrieb des Kaltwassersatzes in 10 Jahren bei den oben genannten Parametern bis zu 10.000 Euro eingespart werden. Eine angepasste Auslegung der Verbraucher auf geänderte Systemtemperaturen und -differenzen ist zu beachten. Auch die Grenzen in Bezug auf eine eventuell geforderte Entfeuchtung sind zu berücksichtigen.
Freikühler - Produkte
ProdukteKaltwassersätze von Mitsubishi Electric, Climaveneta und RC IT Cooling
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Wir unterstützen Sie im gesamten Prozess
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Häufige Fragen zur Freien Kühlung
Häufige FragenFreie Kühlung bedeutet, dass kühlere Außenluft bzw. das Temperaturgefälle zur Umgebung zur Kühlung genutzt wird. Der englische Begriff dafür lautet Free Cooling. Bei Kaltwassersätzen mit Freier Kühlung übernimmt ein zusätzlicher luftgekühlter Wärmetauscher einen Teil oder die gesamte Kühlung des Mediums im Verbraucherkreislauf, sobald die Umgebungstemperaturen niedrig genug sind. Dadurch muss der mechanische Kältekreislauf seltener oder gar nicht arbeiten.
Nein, vollständig kostenlos ist Freie Kühlung nicht. Zwar muss die Kälte nicht aktiv und energieintensiv durch einen Verdichter erzeugt werden, für Ventilatoren, Pumpen, Regelung und den Anlagenbetrieb wird aber weiterhin Strom benötigt. Im Vergleich zur rein mechanischen Kühlung kann der Verdichterbetrieb reduziert werden.
Ein Kaltwassersatz mit Freier Kühlung besitzt einen zusätzlichen luftgekühlten Wärmetauscher, der luftseitig vor dem Verflüssiger sitzt. Ist die Außenluft ausreichend kühler als das zurücklaufende Medium, wird dieses über die Außenluft vorgekühlt oder vollständig gekühlt. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Medium ist, desto höher ist der Anteil der Freien Kühlung an der Gesamtkühlleistung. Die bestehende Seite nennt dafür ca. 2 K als möglichen Startpunkt und ca. 10 K für volle Freikühlleistung.
Der Betrieb mit Freier Kühlung kann bereits bei einer geringen Temperaturdifferenz zwischen Wassereintrittstemperatur und Außenlufttemperatur starten. Bei entsprechenden Kaltwassersätzen ist ein Betriebsstart schon ab ca. 2 Kelvin Temperaturdifferenz möglich. Die volle Freikühlleistung wird in der Regel bei einer größeren Temperaturdifferenz erreicht, etwa ab ca. 10 Kelvin.
Hybridkühlung beschreibt den Mischbetrieb aus mechanischer Kühlung und Freier Kühlung. Besonders in der Übergangszeit reicht die Außenluft häufig für eine Vorkühlung aus, aber noch nicht für die gesamte Kühllast. Das Medium wird dann über den Free-Cooling-Wärmetauscher vorgekühlt, während der Verdichter nur die restliche erforderliche Kühlleistung übernimmt.
Bei 100 % Freier Kühlung wird das Medium vollständig über den Free-Cooling-Wärmetauscher gekühlt. Der mechanische Kältekreislauf bleibt deaktiviert. In diesem Betriebszustand bleibt der mechanische Kältekreislauf deaktiviert; im Gerät wird im Wesentlichen nur noch die Antriebsenergie der Ventilatoren benötigt. Systemseitig können Pumpen und Regelung weiterhin Energie benötigen.
Freie Kühlung eignet sich besonders für Anwendungen mit ganzjährigem oder langem Kühlbedarf. Typische Einsatzbereiche sind Rechenzentren, Produktionsprozesse, Telefonzentralen sowie Gebäude mit hohem Glasanteil oder hohen internen Wärmelasten.
Ja, Rechenzentren zählen zu den klassischen Anwendungsbereichen für Freie Kühlung. Server, Speicher- und Netzwerktechnik erzeugen kontinuierlich Wärme, sodass häufig ganzjährig Kühlung benötigt wird. Durch die Nutzung kühler Außenluft kann der Anteil mechanischer Kühlung reduziert werden – besonders dann, wenn die Systemtemperaturen entsprechend ausgelegt sind.
Ja, Freie Kühlung eignet sich für gewerbliche und industrielle Anwendungen mit hohem oder dauerhaftem Kühlbedarf. Dazu zählen zum Beispiel Produktionsprozesse, Technikräume, Telefonzentralen oder Gebäude mit hohen internen Wärmelasten. Entscheidend sind der Standort, die benötigten Systemtemperaturen und die verfügbaren Betriebsstunden mit ausreichend niedrigen Außentemperaturen.
Für klassische Wohngebäude ist Freie Kühlung mit Kaltwassersätzen meist kein Standard-Einsatzfall. Relevanter ist die Technologie für größere Gebäude, technische Anwendungen oder Anlagen mit dauerhaftem Kühlbedarf. In größeren Wohnanlagen oder Gebäuden mit zentraler Kälteversorgung kann Freie Kühlung jedoch ebenfalls eine Rolle spielen.
Freie Kühlung nutzt kühle Außenluft, sodass der mechanische Kältekreislauf seltener arbeiten muss. Gleichzeitig können Wartungskosten sinken, weil der mechanische Kältekreislauf seltener genutzt wird. Bei passender Auslegung kann sich die Investition schneller amortisieren. Die geringere Laufzeit des Kältekreislaufs kann außerdem zur längeren Nutzungsdauer und zum Werterhalt der Kältemaschine beitragen.
Die Systemtemperaturen sind ein zentraler Hebel für Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Je höher die zulässige Mediumtemperatur gewählt werden kann, desto früher und länger im Jahr lässt sich Freie Kühlung nutzen. Auch eine größere Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf kann den Betrieb beeinflussen, weil der Betrieb mit Freier Kühlung dadurch früher gestartet werden kann.
Freie Kühlung hängt von den Außentemperaturen am Standort, den geforderten Systemtemperaturen und dem tatsächlichen Kühlbedarf ab. Wenn dauerhaft sehr niedrige Raum- oder Prozesstemperaturen erforderlich sind, reicht Freie Kühlung allein häufig nicht aus und muss durch mechanische Kühlung ergänzt werden. Auch Anforderungen an die Entfeuchtung müssen bei der Anlagenplanung berücksichtigt werden.
Bei sehr niedrigen Außentemperaturen muss verhindert werden, dass das Medium zu stark abkühlt und die Austrittstemperatur unter den Sollwert fällt. Dafür wird zunächst die Ventilatordrehzahl reduziert. Bei sehr großen Temperaturdifferenzen kann ein modulierendes 3-Wege-Ventil eingesetzt werden. Es mischt wärmeres Medium aus dem Geräteeintritt bei und hält so die Zieltemperatur stabil.
