Datakeskusten anturitarpeet

Datakeskusten omistajat ja johtajat tunnistavat hyvin energiatehokkuuden parantamisen tärkeyden. Ala vastaa noin yhdestä prosentista maailman kokonaisenergiankulutuksesta, ja sähkön hinnan vaihtelu vaikuttaa siihen voimakkaasti, joten energiatehokkuudelle on suuri tarve. Samaan aikaan eri maiden hallitukset tarkastelevat mahdollisuuksia vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja kasvihuonekaasupäästöjä energiasyöpöillä toimialoilla.

Noin 60 % datakeskuksen energiatarpeesta aiheutuu IT-infrastruktuurista, joten energiatehokkaampiin (yleensä uusiin) laitteisiin investoimalla voi vähentää energiankulutusta. Energiatehokkuutta voi kuitenkin parantaa myös lopussa 40 prosentissa, josta suurimman osan muodostavat datakeskuksen jäähdytys- ja ilmastointijärjestelmät.

Tehokas lämpötilan ja kosteuden hallinta on tärkeää IT-infrastruktuurin optimaalisen toiminnan kannalta. Monissa moderneissa laitoksissa odotetaan 99,999 %:n käytettävyysastetta, mikä vastaa vain muutaman minuutin käyttökatkosta vuodessa. Tällainen erittäin korkea käytettävyysaste on tarpeen IT-infrastruktuurin käsittelemien tietojen ja prosessien tärkeyden ja arvon vuoksi.

Kuten kaikessa prosessien tehostamisessa, tehokkaassa energian hallinnassa tarvitaan tarkkoja, luotettavia ja jatkuvia mittaustietoja.  Mitä datakeskuksissa pitäisi siis mitata? Ja missä?

Lämpötila

Jäähdytystä ja ilmastointia tarvitaan IT-laitteiden muodostaman lämmön poistamiseen ylikuumenemisen ja vikatilanteiden välttämiseksi. Siksi on tarpeen valvoa lämpötilaa käytävillä ja telineissä sekä kaikissa välitiloissa, tuuletusjärjestelmän kanavissa, jäähdytysjärjestelmän putkissa ja ulkotiloissa. Luonnollisesti on tärkeää, että mittaukset tehdään edustavista mittauspaikoista ja että anturiverkko kykenee tunnistamaan mahdolliset kylmät tai kuumat pisteet.

Suurten datahallien valvonta voi olla haastavaa, koska niissä lämpötila voi vaihdella tilojen eri osissa enemmän. Siksi lämpötila-antureita on oltava riittävän paljon, jotta kaikkien palvelimien valvonta tapahtuu asianmukaisesti. Jotkin palvelimet voivat olla lähellä jäähdytysyksikköä ja toiset kauempana; jotkut voivat olla telineen alaosassa ja toiset korkeammalla, joten myös kolmiulotteinen vaihtelu on mahdollista. Riittävän anturien määrän lisäksi on tärkeää, että ilmavirtaus ja jäähdytys jakautuvat palvelinhuoneessa optimaalisesti.

Useimmissa datakeskuksissa on tarpeen valvoa kuumien ja kylmien käytävien välistä lämpötilaeroa (”delta T”). Todellisuudessa tilanne on kuitenkin monimutkaisempi, koska mahdollisimman tehokkaan jäähdytyksen aikaansaamiseksi on itse asiassa valvottava neljää erilaista delta T ‑arvoa (1).

Ilmeisin delta T on lämpötilaero ilmassa ennen sen kulkemista IT-laitteiston läpi ja sen jälkeen. Toinen usein mitattu delta T on lämpötilaero jäähdytyslaitteiston yli. Todellisuudessa jäähdyttimistä poistuvan ilman lämpötila on kuitenkin harvoin sama kuin IT-laitteistoon saapuvan ilman. Tämä johtuu tavallisesti erilaisista esteistä, pyörteistä, paine-eroista, ilmataskuista ja muista tekijöistä, jotka voivat aiheuttaa kylmän ja lämpimän ilman sekoittumisen. Vastaavasti IT-laitteistosta poistunut ilma on usein jo viileämpää, kun se saapuu jäähdyttimiin. Tämä johtuu jäähdytetyn ilman sekoittumisesta lämmenneeseen ilmaan monenlaisista syistä, jotka kaikki ovat merkkejä tehottomasta ilmavirtauksen hallinnasta.

Neljä delta T ‑arvoa ovat siis seuraavat lämpötilaerot:

1. Ennen IT-laitteistoa ja sen jälkeen
2. Ennen jäähdyttimiä ja niiden jälkeen
3. Jäähdyttimistä poistuvan ilman ja IT-laitteistoon saapuvan ilman välillä
4. IT-laitteistosta poistuvan ilman ja jäähdyttimiin saapuvan ilman välillä

Valvomalla näitä neljää delta T ‑arvoa tarkasti datakeskusten johtajat voivat ymmärtää paremmin jäähdytystehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä ja sen perusteella tehdä tarvittavat korjaukset ja parannukset datakeskuksen suorituskyvyn hienosäätämiseksi.

Kuivissa ilmastoissa haihtumisjäähdytys on tehokasta lämmön hajaantuessa. Kylmissä ilmastoissa voidaan käyttää suoraa jäähdytystä kuivalla ja kylmällä ilmalla. Viime vuosina nestejäähdytysratkaisujen suosio on kasvanut, koska ne pystyvät poistamaan lämpöä paljon ilmajäähdytystä tehokkaammin. Tukeakseen tätä trendiä Vaisala on kehittänyt uuden korkealaatuisen anturin jäähdytys- ja lämmitysnesteiden lämpötilan mittaamiseen. Vaisala TMI110 on uppoasennettava lämpötilalähetin, joka tarjoaa nopean vasteajan ja erittäin suuren tarkkuuden. TMI110 on lisäys Vaisalan kattavaan ilmanvaihtotuotteiden tarjontaan, johon kuuluu muun muassa suosittu HMD60 ilmakanavia varten, HMT120 sisäilmamittauksiin sekä huippuluokan Indigo-alusta mahdollisimman tarkkoja datakeskusten mittauksia varten.

Kosteus

Myös kosteustaso voi vaikuttaa haitallisesti IT-laitteisiin; liian kuiva ilma lisää staattisen sähkön riskiä, jolloin voidaan tarvita haihduttavia kostuttimia. Liian suurta kosteutta on kuitenkin myös vältettävä, koska se voi aiheuttaa kondensaatiota ja metallilaitteiden korroosiota.

Viileässä ilmastossa voi olla mahdollista hyödyntää kylmempää ulkoilmaa datakeskusten laitteiden jäähdytykseen säästösäädöksi kutsutulla prosessilla. Tämän ulkoilman absoluuttinen vesipitoisuus voi olla alhainen, ja koska ilman suhteellinen kosteus laskee, kun ilmaa lämmitetään, kosteus voi laskea alle hyväksyttävän tason, ellei tarvittavia korjaavia toimia tehdä.

Sijainnin ja sovelluksen mukaan voidaan tarvita erilaisia kosteusmittaustyyppejä. Esimerkiksi huoneissa, välitiloissa, kanavissa ja ulkotiloissa voidaan mitata suhteellista kosteutta ja kastepistettä, jäähdytystorneissa ja haihduttavissa kostuttimissa voidaan tarvita märkälämpötilan mittausta ja ilmapuolen ekonomaisereita varten voidaan tarvita entalpia-antureita. Entalpia ilmaisee termodynaamisiin muutoksiin liittyvän kokonaislämpöenergian (terminen energia ja latenttilämpö). Nämä lasketut kosteusparametrit ovat tyypillisesti saatavissa suoraan kehittyneistä kosteusantureista, kuten Vaisalan antureista.

Kolme yleisintä anturikokoonpanoa ilmapuolen ekonomaiseria varten ovat kuivalämpötila, yksinkertainen entalpia ja differentiaalientalpia. Kuivalämpötilaohjaus on yksinkertaisin menetelmä, mutta sillä voi jäädä saavuttamatta energiasäästöjä, kun ekonomaiseria ei avata ympäristön ilman ollessa hieman lämpimämpää mutta suhteellisen kuivaa.

Differentiaalientalpia toimii muuten samoin, mutta siinä käytetään kahta entalpia-anturia: yhtä ulkoilmaa ja toista paluuilmaa varten. Ekonomaiseri käynnistyy, jos ulkoilman entalpia on pienempi kuin paluuilman entalpia.

Vaisalan lähettimet on suunniteltu erityisesti ilmastoinnin ja säästösäädön kaltaisiin sovelluksiin; ne mittaavat kosteutta ja lämpötilaa, ja niiden johdettuihin lähtösuureisiin lukeutuvat kastepiste, märkälämpötila ja entalpia. Lämpötilamittaukset eivät yleensä kärsi ryöminnästä, mutta perinteisissä kosteusantureissa ryömintää esiintyy. Siksi Vaisalan kosteusantureissa hyödynnetään HUMICAP®-teknologiaa, joka tarjoaa pitkän aikavälin stabiiliuden eikä ole herkkä pölyn tai kondensaation kaltaisille häiriötekijöille. Näistä ohutkalvoisista kapasitiivisista kosteusantureista on tullut alan yleinen standardi monenlaisissa sovelluksissa, joissa tarvitaan tarkkoja, luotettavia ja huoltovapaita kosteusmittauksia.

Kanavien ilmavirtauksen ansiosta anturit pystyvät reagoimaan nopeasti muuttuviin olosuhteisiin, mutta huoneissa ja muissa vastaavissa tiloissa ilma voi liikkua hitaasti. Siksi jotkin datakeskukset käyttävät mieluiten kastepistettä kosteuden hallinnan parametrina, koska se ei ole riippuvainen anturin lämpötilasta.

Datakeskuksissa voidaan käyttää myös muita antureita esimerkiksi paine-eron mittaamiseen kanavissa sekä kuumien ja kylmien käytävien välillä sekä erilaisten ulkoilman sääparametrien, kuten ilmanpaineen, sateen sekä tuulen nopeuden ja suunnan, mittaamiseen. Nämä mittaukset voidaan toteuttaa käyttämällä automaattista sääasemaa, yksittäisiä antureita tai jotakin Vaisalan WXT530-mittalaitteista, jotka minimoivat käyttö- ja huoltokustannukset hyödyntämällä puolijohdeteknologiaa. Ulkotilojen anturit tulisi sijoittaa paikkaan, jossa on vapaa ilmavirta ja jonka lähellä ei ole lämpöä säteileviä tai mittausta muuten häiritseviä pintoja. Ulkotilojen mittausten on tietenkin oltava aivan yhtä tarkkoja ja luotettavia kuin sisätilojen mittauksetkin, ja maailman johtavat Vaisalan meteorologiset mittalaitteet tarjoavat tarvittavan pitkän aikavälin luotettavuuden haastavimmissakin olosuhteissa.

Viite 1. Neljä delta T ‑arvoa – www.upsite.com/blog/the-4-delta-ts-of-data-center-cooling-what-youre-missing/