Data centereiden monipuoliset jäähdytysratkaisut

Tietokonesaleissa oli alkuun keskeistä jäähdytyksen toimintavarmuus: se, ettei jäähdytys keskeydy missään tilanteessa. Pikkuhiljaa energiankulutus alkoi muodostua tärkeäksi tekijäksi ja nykyisin jäähdytys suunnitellaan niin energiatehokkaaksi kuin mahdollista ja lämmön uusiokäyttöön kiinnitetään huomiota. Samalla järjestelmät ovat tulleet monimutkaisemmiksi ja haasteellisemmiksi. Data centereiden johtavan konsultointiyrityksen EYP Mission Critical Facilitiesin mukaan jäähdytykseen kuluu lähes kolmannes koko data centerin sähkökulutuksesta.

Laitesalien jäähdytysratkaisuista puhuttaessa täytyy tarkastella kylmää tuottavaa pääjäähdytysjärjestelmää sekä sitä, kuinka kylmää jaetaan tietokonesalissa. Jäähdytyslaitteet ovat kehittyneet kymmenen viime vuoden aikana ja perinteisien vakioilmastointikoneiden rinnalle on tullut muita mielenkiintoisia nestekiertoisia ratkaisuja. Salien ilmankierto on suunniteltava huolella. Parhaaksi vaihtoehdoiksi ovat muodostuneet kylmä- ja kuumakäytäviin perustuvat ratkaisut, joissa jäähdytetty ilma ohjataan suoraan palvelimien puhaltimille.

Pää­jääh­dy­tys­jär­jes­tel­män ratkaisut keskeisiä ener­gian­ku­lu­tuk­sel­le

Kun data centerin suunnittelu aloitetaan, on olennaista tietää ainakin seuraavat asiat: mikä on tietokonesalin suunniteltu palvelimien sähkönkulutusteho, tarvittava jäähdytysteho huomioiden myös kiinteistö- ja sähkölaitteiden lämpökuormat, millaisilla jäähdytystehon portailla täyteen jäähdytystehoon on päästävä, mikä on varmuusaste sekä rakennetaanko järjestelmä N+1-kertaiseksi vai kahdennetaanko koko järjestelmä sekä budjetti. Tämä asettaa raamit jäähdytyksen pääjärjestelmän suunnittelulle. Tilojen tuomat haasteet valmiissa rakennuksissa tai luolissa ja käyttäjäystävällisyys on myös huomioitava suunnittelussa.

Pääjäähdytysjärjestelmäksi valittu ratkaisu heijastuu koko data centerin energiankulutukseen ja varavoiman mitoitukseen. Pääjärjestelmän avainasioita ovat vapaajäähdytyksen mitoitus ja sen käyttö ensisijaisena jäähdytysratkaisuna sekä se, miten hoidetaan ne ajat vuodesta, jolloin vapaajäähdytystä ei voida käyttää. Jäähdytyksen yhteydessä saatavan laitteiden tuottaman lämmön, ”hukkalämmön”, lämmöntalteenottoa tulee myös hyödyntää mahdollisimman paljon.
Jäähdytysvesi tuotetaan ensisijaisesti ulkona sijaitsevilla liuosjäähdyttimillä tai jäähdytystorneilla. Molemmissa vaihtoehdoissa haetaan mahdollisimman hyvää hyötysuhdetta ja varmuutta. Paras hyötysuhde saadaan, jos data center rakennetaan meren tai ison järven rantaan. Tällöin meri- tai järvivesi toimii jäähdytysvetenä vaihtimen kautta.

Megawattiteholuokan laitoksissa jäähdytys usein suunnitellaan useisiin jäähdytysblokkeihin, jolloin blokit ovat keskenään toistensa korvaavia. Jäähdytysblokki on itsenäinen yksikkö, jolloin siinä on vapaajäähdytyssiirrin, pumput, vedenjäähdyttäjät sekä tarvittavat venttiilit ja välisäiliöt. Jos blokki vioittuu, vastaa viereinen blokki jäähdytyksestä sen aikaa, kunnes vika on korjattu. Jäähdytysvesipiirin putkitus on usein rengasputkitus, jolloin säästetään putkimateriaalissa.
Mekaaninen jäähdytys toteutetaan vedenjäähdyttimillä. Mahdollisuuksien mukaan vedenjäähdyttimet kannattaa suunnitella kaksipiiriseksi antamaan lisävarmuutta. Vedenjäähdyttimet voidaan suunnitella n+1-periaatteella, jolloin esimerkiksi kahdesta vedenjäähdyttäjästä toinen käy ja toinen on varalla. Taloudellisempaa on kuitenkin käyttää molempia vedenjäähdyttäjiä osateholla ja vikatapauksessa toisen jäähdyttimen teho riittää ylläpitämään jäähdytystä. Usein vara- ja hätäjäähdytykset suunnitellaan vedenjäähdyttäjien varaan.

Uutena peruskylmän lähteenä voidaan käyttää myös kaukokylmää. Silloin laitesalien jäähdytykseen on rinnalle aina kuitenkin rakennettava varajärjestelmä, jolloin taataan jäähdytyksen hallinta data centerin toimijalla itsellään.

Lämmöntalteenotto voidaan helposti lisätä nestekiertoiseen järjestelmään ja ilmajäähdytykseen verrattuna sen hyötysuhde on korkeampi. Tärkein tekijä lämmöntalteenotossa on laitesaleista palaavan veden lämpötila ja kuinka sitä saadaan jalostettua kaukolämpökäyttöön. Pääsääntöisesti tähän käytetään lämpöpumppuja, mutta niiden sijoittaminen ja tilantarve, investointikustannus sekä energiayhtiön maksama korvaus tuotetusta energiasta vaatii tarkemman taloudellisen tarkastelun.
Lisäksi on huomioitava, kuinka lämpöpumput liitetään osaksi jäähdytysjärjestelmää. Jos lämpöpumput ovat osana jäähdytysverkostoa, konesalin lämmin vesi kiertää lämpöpumpun kautta ennen vedenjäähdyttäjiä sekä nestejäähdyttäjiä ja osaltaan jäähdyttää jäähdytysvesiverkkoa. Toinen vaihtoehto on kytkeä lämpöpumppu vedenjäähdyttäjän lauhdepuolelle, jolloin lämpöpumppu toimii erillään data centerin jäähdytysverkosta. Näillä ratkaisuilla on selkeä ero hyötysuhteissa, tilantarpeissa ja vaikutuksissa data centerin jäähdytykseen.

Kylmän jakaminen tietokonesalissa

Ilmajäähdytys. Ilmajäähdytys on suotuisissa olosuhteissa erittäin energiatehokas järjestelmä. Haasteena on suora kontakti ulkoilman ja sen sisältävien epäpuhtauksien kanssa, jolloin ilmansuodatukseen on kiinnitettävä erityistä huomiota. Käyttökustannuksia aiheutuu käytön aikana vain puhaltimien sähkönkulutuksesta ja suodattimien vaihdoista.

Ilman ohjaamiseen palvelinräkeille käytetään ilmakanavia, mikä aiheuttaa omia vaatimuksia tilansuunniteluun. Ilmajäähdytyksen varmistaminen tapahtuu puhaltimien mitoittamisella n+1- tai n+2-periaatteella, jolloin rikkoutunut puhallin korvataan rinnalla olevalla puhaltimella tai puhaltimilla kierrosnopeutta lisäämällä.

Ilmanjäähdytysratkaisuna voidaan käyttää niin sanottua puhallinseinää, jolla imetään ulkoilmaa suodatinseinän läpi laitesaleihin. Ilma palautetaan ulos tai kierrätetään puhallusilmaan lämpötilan salliessa. Toinen ratkaisu on kattokonetyyppinen (rooftop) iso ilmavaihtokone, joka suodattaa ulkoa imetyn ilman laitesaleihin ja paluuilma palautetaan ulos.

Kuivissa olosuhteissa ilmajäähdytystä voidaan tehostaa haihdutusjäähdytyksellä eli adiabaatisella (evaporative) jäähdytyksellä. Eräillä laitevalmistajilla on haihdutusjäähdytys sisäänrakennettuna tehdastestattuun ilmanvaihtokoneeseen. Laitepaketti voidaan asentaa data centerin ulkopuolelle ja kanavoida laitesaleihin.

Ilmajäähdytteisen järjestelmän lämmöntalteenotto tapahtuu laitesaleista palaavan ilman kanavaan asennettavalla lämmöntalteenottopatterilla. Lämmöntalteenottopattereissa lämmennyt liuos jalostetaan korkeampaan lämpötilaan lämpöpumpuilla, jotka siirtävät data centerin lämmön esimerkiksi kaukolämpöverkkoon. Nykyisin energiayhtiöt arvostavat data centereistä saatavaa lämpöä ja ovat valmiita siitä maksamaan.

Nestekiertoinen jäähdytys. Toinen ja hieman perinteisempi jäähdytysratkaisu on nestekiertoinen jäähdytysjärjestelmä. Nestekiertoinen järjestelmä on suljettu järjestelmä eikä se ole suoraan tekemisissä ulkoilman kanssa, mutta se on ilmajäähdytykseen verrattuna monimutkaisempi. Data centerien korkeat veden lämpötilat ovat haasteena laitevalmistajille, esimerkiksi vedenjäähdyttäjän lähtevän veden lämpötila 18–20°C.

Va­kioil­mas­toin­ti­ko­neet

Nykyisin suurin osa markkinoilla käytetyistä vakioilmastointikoneista on niin sanottuja vesipatterikoneita, mutta edelleenkin löytyy liuosjäähdytteisiä koneita varustettuna vapaajäähdytyksellä. Koneet ovat omalla ohjausprosessorilla varustettuja itsenäisesti toimivia koneita. Pääsääntöisesti ilma puhalletaan korotetun lattian alle alakautta ja ohjataan korotetun lattian ilmastointisäleiköillä kylmäkäytävään. Lämmin ilma palautuu yläkautta vakioilmastointikoneelle.

Laitesalien lämpötilatasot ovat nousseet ja perinteisen 20°C sijaan kylmäkäytävän lämpötilat ovat nykyisin 24–27 °C. Tämä on tuonut markkinoille korkeanlämpötilan vakioilmastointikoneet, joissa voidaan käyttää jäähdytyksessä lämpimämpää vettä kuin perinteinen 7/12°C tai 10/15°C. Myös vakioilmastointikoneiden hyötysuhteisiin on haettu parannusta. Puhaltimet ovat jo vuosia olleet EC-puhaltimia ja nyt ne voidaan sijoittaa omaan puhallinlohkoon lattian alle. Näin vesipatterille saadaan lisää pinta-alaa ja samalla suurempia jäähdytystehoja.

Vakioilmastointikoneet ovat joustava ratkaisu tiloihin, joissa on tarvetta muutoksille. Esimerkiksi lattiasäleikköjä siirtämällä voidaan jäähdytystä ohjata haluttuihin paikkoihin. Tämä onkin suosittu ratkaisu tilaa ja/tai palveluja vuokraaville data center -yrityksille (colocation data centers). Vakioilmastointikoneiden haittapuolena on, että ne tarvitsevat korotetun lattian.

Rivijäähdyttimet

Rivijäähdyttimet ovat nopeasti yleistyneet tietokonesalien jäähdytyksessä. Rivijäähdytin asennetaan räkkirivistöön puhaltamaan kylmäkäytävälle. Jäähdytyslähde on tällöin lähellä lämpökuorman aiheuttavia laitteita, jolloin jäähdytyksessä syntyy pienempiä kylmähäviöitä. Jäähdytysveden lämpötila voi olla yli 20°C, kun kylmäkäytävän lämpötila on esimerkiksi 25°C. Useat valmistajat käyttävät korkeahyötysuhteisia EC-puhaltimia ja yksittäisessä rivijäähdyttimessä yhden puhaltimen rikkoutuminen ei vaikuta jäähdytystehoon.

Haittatekijänä voidaan pitää tilan viemistä tietokoneräkeiltä, jäähdytysvesi on lähellä kriittisiä laitteita ja jäähdytyslaitteiden huolto tapahtuu tietokoneräkkien välissä. Usein rivijäähdyttimen kanssa käytetään kuumakäytäväratkaisua. Rivijäähdytin ei tarvitse korotettua lattiaa ja se soveltuu myös mataliin tiloihin.

Ma­ta­la­no­peuk­si­nen ilmankierto

Markkinoille on tullut myös uusia ratkaisuja laitesalien jäähdytykseen, kuten jäähdytyskatto, räkkien jäähdytysovet tai palvelimien sisään rakennetut vaihtimet. Eräs mielenkiintoisimpia uusia järjestelmiä on matalanopeuksinen puhallinseinä. Konesalisimuloinneissa olemme havainneet, että puhallinseinä ratkaisut ovat korkeahyötysuhteisia, niissä voidaan käyttää korkeita jäähdytysveden lämpötiloja ja niissä ei tarvita korotettua lattiaa. Haittapuolena on suuret tilantarpeet ja muut rakenteelliset seikat, jotka on huomioitava jo data centerin rakentamisvaiheessa.