Czy kontrola wilgotności w serwerowniach jest potrzebna?

Systemy klimatyzacji w centrach danych to jeden z kluczowych elementów, który odpowiada za poprawne działanie sprzętu IT (ITE – information technology equipment). Urządzenia przetwarzania i przechowywania danych generują ciepło – do kilku kW na m2 pomieszczenia, które należy odprowadzić, aby utrzymywać temperaturę w granicach zapewniających optymalne warunki pracy urządzeń. Wilgotność również musi być kontrolowana, ponieważ zbyt niski jej poziom zwiększa ryzyko wyładować elektrostatycznych, a za wysoki z kolei przyspiesza korozję i wpływa niekorzystnie na działanie niektórych urządzeń.

Istnieją różne typy centrów danych różniące się rozmiarem oraz konfiguracją systemu klimatyzacji. Najbardziej tradycyjne są systemy z serwerami ustawionymi w centrum pomieszczenia i jednostkami kontrolującymi warunki otoczenia na jego obwodzie (CCU lub CRAC). Do zapewnienia przepływu powietrza wykorzystywane są podłoga i sufit (klimatyzacja z nadmuchem pod podłogą lub nad sufitem). 

Drugi typ to klimatyzacja in-row (rzędowa). Szafy klimatyzacyjne ustawione są w rzędach chłodzących bezpośrednio przy rzędach szaf serwerowych, tworząc w ten sposób tzw. zimne i ciepłe korytarze, które muszą być wyraźnie rozdzielone. Przepływy powietrza w takim rozwiązaniu uzależnione są od rozmieszczenia szaf – bez przerwy technologicznej nie można zatem zmienić ich ustawienia. Rozwiązanie to pochłania więcej cennej przestrzeni niż w układzie klasycznym.

W centrach danych mogą być stosowane systemy klimatyzacji z bezpośrednim odparowaniem, z zewnętrznymi skraplaczami lub chłodzone cieczą, ze zdalnym chillerem. Coraz częściej w tego typu obiektach wykorzystuje się chłodzenie swobodne, czyli free cooling, uzupełniony systemami bezpośredniego (DEC) lub pośredniego (IEC) chłodzenia adiabatycznego. Ostatnio częste jest też zakładania centrów modułowych, wyposażonych w kontenery z kompletną niezbędną infrastrukturą: ITE, UPS, „mechaniczne” systemy klimatyzacji, chłodzenie swobodne z DEC i/lub IEC.

Kontrola wydajności nawilżania w centrach danych

Zastosowanie tradycyjnej technologii nawilżania, która wykorzystuje proces podgrzewania wody do temperatury wrzenia (nawilżacze izotermiczne), pociąga za sobą wysokie koszty ze względu na duże zużycie energii. Jednocześnie wymaga zwiększonej wydajności chłodzenia. Zwrócenie uwagi na te dwa czynniki doprowadziło do debaty na temat potrzeby kontroli wilgotności w centrach danych. 

Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa, Chłodnictwa i Klimatyzacji (ASHRAE) od wielu lat pracuje nad wytycznymi, które pozwalają na większą tolerancję, zarówno w zakresie dopuszczalnej temperatury, jak i wilgotności w centrach danych. W konsekwencji tych działań stale zmniejsza się liczba obiektów, w których nawilżanie powietrza jest wymagane. Niedawno ASHRAE obniżyło minimalną granicę wilgotności do tego stopnia, że nawilżanie w wielu wypadkach okazuje się zgodnie z wytycznymi niepotrzebne.

Wiele centrów danych, przede wszystkim kolokacyjnych (świadczących usługi dla innych podmiotów), które nie dysponują własnym sprzętem teleinformatycznym i muszą zagwarantować wysoki poziom usług, ma trudności ze spełnieniem obniżonych wymagań ze względu na związane z tym ryzyko uszkodzenia sprzętu IT. Dlatego w takich centrach najczęściej nadal stosowane są tradycyjne rozwiązania. Dotyczy to w szczególności już istniejących obiektów, których operatorzy obawiają się niskiej wilgotności i związanego z tym ryzyka powstawania iskier w wyniku wyładowań elektrostatycznych.

Warto nadmienić, że w UE nie ma określonych wytycznych dotyczących parametrów klimatu wewnętrznego w centrach danych. Powstał jednak European Energy Data Center Action Program, który jest dobrowolną inicjatywą stworzoną w 2008 r. jako odpowiedź na rosnące zużycie energii w tego typu obiektach. Firmy, które przystąpiły do programu muszą przyjąć najlepsze praktyki w zakresie zarządzania energią w centrach danych i działać zgodnie z przyjętym kodeksem postępowania.

Wspólne Centrum Badawcze (JRC), które jest wewnętrznym działem naukowym Komisji Europejskiej i zapewnia unijnym politykom niezależne doradztwo oparte na dowodach naukowych opublikowało raport „2018 Best Practice Guidelines for the EU Code of Conduct on Data Centre Energy Efficiency” , czyli spis dobrych praktyk w zakresie zarządzania energią w centrach danych.

Raport stanowi uzupełnienie kodeksu postępowania opracowanego w ramach European Energy Data Center Action Program i jest dokumentem edukacyjnym, który ma pomóc operatorom centrów danych w poprawie efektywności energetycznej. Raport zawiera wiele odniesień do standardów ASHARE. Co ważne ASHRAE, a także stowarzyszenia takie jak Greengird opracowują i udostępniają wytyczne, do których projektanci mogą, ale nie muszą się stosować.

W rezultacie wielu operatorów centrów danych staje przed dylematem jak pogodzić wydawałoby się sprzeczne ze sobą potrzeby – z jednej strony nowe kryteria projektowe, które pozwalają na większą tolerancję, m.in. w zakresie poziomu wilgotności, co może stwarzać realne zagrożenie, z drugiej oszczędzanie energii.

Rozwiązaniem tego dylematu może być nawilżanie adiabatyczne, które polega na dodawaniu wilgoci do strumienia powietrza w taki sposób, aby proces parowania pochłaniał część ciepła zawartego w powietrzu. W wyniku tego następuje jednoczesne zwiększenie wilgotności i obniżenie temperatury. Efekt ten jest wykorzystywany w celu zapewnienia chłodzenia, przy niskim zużyciu energii. Proces ten jest nazywany chłodzeniem wyparnym.

Chłodzenie wyparne coraz częściej stosuje się w centrach danych nowej generacji, w których warunki projektowe są zbliżone do limitów sugerowanych przez ASHRAE.

Jest to możliwe dzięki starannemu zaprojektowaniu przepływu powietrza i dobrej separacji chłodnego powietrza wpływającego do szaf i powietrza wywiewanego.

Wyższa temperatura pracy i wilgotność pozwalają na wykorzystanie powietrza zewnętrznego (free cooling) za pośrednictwem central wentylacyjnych, gdy pozwala na to temperatura zewnętrzna (np. poniżej 25°C), natomiast gdy powietrze zewnętrzne jest cieplejsze i suche, można zastosować chłodzenie wyparne, zwiększając wilgotność do poziomu 60% , a nawet powyżej, jednocześnie obniżając temperaturę do pożądanych wartości poprzez odparowanie wody.

Skuteczność takich systemów zależy w znacznym stopniu od lokalnych warunków klimatycznych – temperatury i wilgotności powietrza. W dużej części Europy kontynentalnej zarówno free cooling, jak i chłodzenie wyparne mogą być wykorzystywane przez większą część roku. Popularność takich rozwiązań wciąż rośnie i jest dobrym przykładem, w jaki sposób można zapewnić nawilżanie powietrza w zimie za pomocą tego samego systemu chłodzenia wyparnego, co stosowany w lecie. W tym przypadku zapotrzebowanie na wilgoć jest jednak znacznie niższe, dlatego system musi elastycznie dostosowywać się do potrzeb. Zapewnia to wbudowany regulator temperatury i wilgotności, który kontroluje również parametry powietrza recyrkulowanego.

Używając wyłącznie powietrza zewnętrznego nawilżanie zimą może być problematyczne nawet w centrach danych o tradycyjnym układzie, kiedy centrale wentylacyjne są używane do doprowadzenia powietrza zewnętrznego na zasadzie free coolingu (głównie podczas chłodniejszych zim).

W takich centrach danych często nie ma kontroli wilgotności, ponieważ starannie zaprojektowane systemy recyrkulacji powietrza zapobiegają osuszaniu powietrza - zimą powietrze zewnętrzne, pomimo wysokiej wilgotności względnej, posiada niską zawartość wilgoci (wilgotność bezwzględna), a zatem zmieszane z powietrzem recyrkulowanym z centrum danych, bardzo szybko prowadzi do jego wysuszenia wewnątrz.

W takich przypadkach jednym z najlepszych rozwiązań jest zastosowanie nawilżacza adiabatycznego, zastosowanie kontroli recyrkulacji i modulacji mieszania powietrza, a także integracja z całym systemem sterowania AHU, w celu uniknięcia równoczesnego free-coolingu i chłodzenia mechanicznego.

Na rynku dostępne są różne technologie nawilżania adiabatycznego od tzw. wkładów nawilżających poprzez płuczki powietrza, aż po systemy natryskowe. Zasada działania wszystkich tych urządzeń polega na tym, aby zmaksymalizować powierzchnię styku powietrza i wody, w celu zapewnienia skutecznego odparowania i wchłaniania w strumieniu nawilżonego powietrza. Wybór systemu zależy od wielu czynników, począwszy od dostępnej przestrzeni po wymaganą wydajność. Rozwiązanie musi zostać ocenione pod kątem całkowitego kosztu użytkowania systemu. Należy również wziąć pod uwagę jego trwałość w warunkach pracy ciągłej, jak również zużycie wody, które może być czynnikiem krytycznym (wiele centrów danych oprócz wskaźnika zużycia energii PUE monitoruje również efektywność w zakresie zużycia wody WUE).

Ostatnio popularne stały się systemy, które wykorzystują układ dysz i pomp wysokociśnieniowych do tworzenia drobnych kropel wody, zapewniając w ten sposób optymalną absorpcję. Systemy te mogą być sterowane przez falowniki w celu dostosowania produkcji rozpylanej wody do różnych warunków obciążenia. Zalety takich rozwiązań to bardzo niski spadek ciśnienia powietrza, brak recyrkulacji (a co za tym idzie wysoki poziom higieny, co niestety często jest zaniedbywane) oraz możliwość zastosowania jednej jednostki pompującej z dwoma oddzielnymi systemami dystrybucji: jeden wykorzystywany latem (chłodzenie wyparne), a drugi zimą (nawilżanie). Zapewnia to dużą elastyczność nawet przy pionowych przepływach powietrza.

Podsumowując, coraz częstsze stosowanie systemów adiabatycznych może pomóc przezwyciężyć dylemat między kontrolą wilgotności a redukcją kosztów dzięki nowym, coraz bardziej niezawodnym technologiom i zmniejszonemu zużyciu energii. Podstawowym warunkiem optymalizacji systemu jest integracja między systemami kontroli: wszystkie urządzenia pracujące w systemie HVAC powinny mieć łączność szeregową, pozwalającą na dostosowanie nastawy roboczej w zależności od różnych warunków środowiskowych oraz temperatury i wilgotności mierzonej w różnych obszarach centrum danych.

Autor:

Jarosław Dec

Alfaco Polska Sp. z o.o.

– CAREL INDUSTRIES S.p.A.