Asiantuntija-artikkeli

Innovoinnin merkitys datakeskuksissa – miten mittaustarkkuus auttaa saavuttamaan energiatehokkuuden

Keith Dunnavant, Munters ja Anu Kätkä, Vaisala

Keith Dunnavant, Munters ja Anu Kätkä, Vaisala

Rakennukset ja sisäilman laatu
Teollisuuden mittaukset

Tässä artikkelissa Muntersin Keith Dunnavant ja Vaisalan Anu Kätkä kertovat datakeskusten viimeaikaisista trendeistä ja keskustelevat ilmanvaihdon mittausten vaikutuksesta energiatehokkuuteen. Energiakustannusten noustessa, ja hallitusten etsiessä kiireellisesti tapoja vähentää kasvihuonekaasupäästöjä, datakeskusten energiatehokkuudesta on tullut kansainvälisen tarkastelun kohde.

Molemmilla kirjoittajilla on pitkän ajan kokemusta ja asiantuntemusta datakeskusten energian hallinnasta. Munters on markkinajohtaja energiatehokkaissa ja kestävissä datakeskusten kaltaisten kriittisten kohteiden ilmastointiratkaisuissa, ja Vaisala on sää-, ympäristö- ja teollisuusmittausten markkinajohtaja.

Datakeskuksen energiankäyttö

PUE-luku mittarina

Koko maailman sähköntarve on noin 20 000 terawattituntia, tieto- ja viestintäteknologian sektori käyttää noin 2 000 terawattituntia, ja datakeskusten osuus tästä on noin 200 terawattituntia ei 1 prosentti kokonaistarpeesta. Datakeskusten osuus monien maiden energiankulutuksesta on siis huomattava. On arvioitu, että maailmassa on yli 18 miljoonaa palvelinta datakeskuksissa. Oman energiantarpeensa lisäksi nämä IT-laitteet tarvitsevat myös tuki-infrastruktuuria, kuten jäähdytystä, sähkönjakelua, paloturvallisuuslaitteita, keskeytymättömiä virranlähteitä ja generaattoreita.

Datakeskusten energiatehokkuutta vertailtaessa on yleisenä käytäntönä käyttää mittarina PUE-lukua (power usage effectiveness). Se määritellään datakeskuksen kokonaisenergiankäytön ja pelkkien IT-laitteiden kuluttaman energian suhteeksi. Optimitilanteessa PUE-luku olisi 1, jolloin kaikki energia olisi IT-laitteiden käyttämää ja tuki-infrastruktuuri ei kuluttaisi lainkaan energiaa.

PUE-luvun minimoimiseksi tavoitteena on siis vähentää jäähdytyksen, sähkönjakelun ja muun tuki-infrastruktuurin energiankulutusta. Vanhemmissa datakeskuksissa PUE-luku on tyypillisesti noin 2, kun taas suurissa hyperdatakeskuksissa se voi olla alle 1,2. Maailmanlaajuinen keskiarvo vuonna 2020 oli noin 1,67. Tämä tarkoittaa, että keskimäärin 40 prosenttia kokonaisenergiankäytöstä oli muuta kuin IT-laitteiden kulutusta. PUE-luku on kuitenkin suhdeluku, joten se ei kerro meille mitään kokonaisenergiankulutuksesta. Jos IT-laitteet kuluttavat suuret määrät energiaa jäähdytysjärjestelmään verrattuna, PUE-luku näyttää hyvältä. Siksi on tärkeää mitata myös kokonaisenergiankulutusta sekä IT-laitteiden energiatehokkuutta ja elinkaarta. Ympäristönäkökulmasta on myös otettava huomioon, millä tavalla sähkö tuotetaan, kuinka paljon vettä kulutetaan (sekä sähkön tuotannossa että datakeskuksen jäähdytyksessä) ja hyödynnetäänkö hukkalämpöä jotenkin.

PUE-käsitteen kehitti alun perin Green Grid vuonna 2006, ja se julkaistiin ISO-standardina vuonna 2016. Green Grid on avoin yhteenliittymä, johon kuuluu datakeskusoperaattoreita, pilvipalvelujen tarjoajia, teknologian ja laitteiden toimittajia, laitosarkkitehteja ja loppukäyttäjiä. Se toimii maailmanlaajuisesti datakeskusekosysteemien energia- ja resurssitehokkuuden edistämiseksi pyrkien minimoimaan hiilipäästöt.

PUE-luvun käyttö on edelleen yleisin menetelmä datakeskuksen energiatehokkuuden laskemiseksi. Esimerkiksi Muntersilla PUE-luku arvioidaan kunkin projektin kohdalla sekä huippuarvona että vuositasolla. PUE-mittarien laskennassa otetaan huomioon vain IT- ja jäähdytyskuormitus. Tähän viitataan joko termillä osittainen PUE (pPUE) tai mekaaninen PUE (PUEM). Sähköinsinöörit laskevat pPUE-huippuarvon perusteella enimmäiskuormitukset ja varageneraattorien tarpeen. Vuosittaista pPUE-lukua käytetään tyypillisen vuoden sähkönkulutuksen laskentaan sekä vertaamiseen muiden jäähdytysvaihtoehtojen kanssa. PUE-luku ei ole täydellinen työkalu, mutta se saa yhä useammin tuekseen muita mittareita, kuten veden käytön tehokkuutta kuvaavan WUE-luvun (water usage effectiveness) ja hiilen käytön tehokkuutta kuvaavan CUE-luvun (carbon usage effectiveness), sekä erilaisia lähestymistapoja, jotka voivat parantaa PUE-luvun hyödyllisyyttä, kuten SPUE (Server PUE eli palvelinten PUE) ja TUE (Total PUE eli kokonais-PUE).

Datakeskusten trendit

Viime vuosikymmenen aikana tehokkaat hyperdatakeskukset ovat kasvattaneet osuuttaan kaikkien datakeskusten kokonaisenergiankulutuksesta, kun taas monia vähemmän tehokkaita perinteisiä datakeskuksia on suljettu. Tämän johdosta kokonaisenergiankulutus ei ole vielä noussut dramaattisesti. Nämä uudet hyperdatakeskukset on suunniteltu energiatehokkaiksi. Tiedämme kuitenkin, että tietopalveluiden ja paljon tietokonetehoa vaativien sovellusten kysyntä kasvaa yhä esimerkiksi sellaisten nousevien trendien kuin tekoälyn, koneoppimisen, automaation ja kuljettajattomien ajoneuvojen vuoksi. Tämän johdosta datakeskusten energian tarpeen odotetaan myös kasvavan, ja kasvun määrä on keskustelun aiheena. Parhaan tapauksen skenaarion mukaan datakeskusten maailmanlaajuinen energiankulutus kasvaa nykyiseen verrattuna kolminkertaiseksi vuoteen 2030 mennessä, mutta kasvamisen kahdeksankertaiseksi uskotaan olevan todennäköisempää. Nämä energiankulutusennusteet sisältävät sekä IT-laitteet että muun infrastruktuurin. Suurin osa muusta kuin IT-laitteiden energiankulutuksesta tulee jäähdytyksestä, tai tarkemmin palvelimien lämmön poistosta, ja pelkät jäähdytyskustannukset voivat helposti muodostaa jopa yli 25 prosenttia vuosittaisista energiakustannuksista. Jäähdytys on tietenkin välttämättömyys IT-toimintojen ylläpidon kannalta, ja sitä voi optimoida hyvällä suunnittelulla ja tehokkaalla järjestelmien rakentamisella.

Merkittävä viimeaikainen trendi on palvelintelineiden tehotiheyden kasvu: joidenkin kuluttama teho on jopa 30–40 kilowattia. Datakeskusten ammattilaisten toimialayhdistys AFCOMin vuonna 2020 laatiman datakeskusten tilanneraportin mukaan keskimääräinen telinetiheys nousi 8,2 kW:iin telinettä kohden, kun se oli 7,3 kW vuonna 2019 ja 7,2 kW vuonna 2018. Noin 68 prosenttia vastaajista ilmoitti, että telinetiheys oli noussut edellisten kolmen vuoden aikana.

Siirtyminen kohti pilvilaskentaa nopeuttaa varmasti hyperskaalan datakeskusten ja sijoituskeskusten kehitystä. Historiallisesti vaikkapa pankin, lentoyhtiön tai yliopiston tarpeisiin olisi suunniteltu 1 megawatin datakeskus, mutta nyt monet näistä instituutioista ja yrityksistä siirtyvät pilvipalveluihin, jotka käyttävät hyperskaalan datakeskuksia ja sijoituskeskuksia. Tämän kasvavan kysynnän tuloksena kasvaa myös nopean tietojenkäsittelyn tarve, ja koska nämä datakeskukset palvelevat kaikki kriittisen tärkeitä sovelluksia, infrastruktuurin luotettavuus on hyvin tärkeää.

Myös reunadatakeskuksiin kiinnitetään entistä enemmän huomiota viiveen pienentämiseksi, ja korkean suosituskyvyn siruja varten sekä energian käytön vähentämiseksi siirrytään entistä enemmän nestejäähdytykseen.

Lämpötilan ja kosteuden hallinta

Yksi tärkeimmistä näkökohdista ilmajäähdytteisen datakeskuksen jäähdytyksen energiatehokkuuden kannalta on kuumien ja kylmien käytävien eristäminen. Valitettavasti monissa vanhoissa datakeskuksissa tämä eristäminen on edelleen toteutettu huonosti, mikä heikentää energiatehokkuutta. Uusissa datakeskuksissa sen sijaan eristämiseen kiinnitetään paljon huomiota, mikä parantaa merkittävästi suorituskykyä.

Monissa datakeskuksissa optimaalinen tuloilman lämpötila on 24–25,5 °C . Delta-T eli kuuman ja kylmän käytävän välinen lämpötilaero on kuitenkin hyvin tärkeä. Tyypillisesti delta-T on noin 10–12 °C, mutta 14°C on yleinen tavoite datakeskusten suunnittelussa. Delta-T-tulosten parantaminen tuottaa kahdenlaista etua: se vähentää jäähdytysjärjestelmien käyttämien tuuletinten moottorien energiankäyttöä sekä lisää lämmönpoiston säästösäätöstrategioiden mahdollisuuksia.

Datakeskuksen lämpötilavaihtelut

Säästösäätö on prosessi, jossa hyödynnetään osittain ulkoilmaa datakeskuksen lämmönpoistossa. Säästösäätö voi tapahtua suoraan siten, että ulkoilmaa tuodaan jäähdytysjärjestelmiin ja toimitetaan palvelimille (asianmukaisen suodatuksen jälkeen), tai epäsuorasti siten, että kierrätettävä datakeskuksen ilma poistetaan ympäristöön ilma-ilma-lämmönvaihtimen kautta. Tämä alentaa kustannuksia, parantaa energiatehokkuutta ja edesauttaa kestävää kehitystä. Energiatehokkuuden ylläpitämiseksi suodatuksen aiheuttamat ilmapuolen painehäviöt tulisi kuitenkin minimoida. Jos siis ilmaa kierrätetään datakeskuksessa ilman ulkoilman syöttöä, suodatustarpeen vähentämisen tai eliminoinnin kokonaan pitäisi olla mahdollista.

Jäähdytys ja tuuletus edellyttävät huolellista hallintaa, ja on tärkeää käyttää energiatehokkaita tuulettimia, ylläpitää hieman positiivista rakennuksen ilmanpainetta ja hallita tilojen kosteutta. Esimerkiksi korvausilmajärjestelmien tulisi pitää tilojen kastepistettä riittävän alhaisena, jotta jäähdytyskelat toteuttavat vain järkevää jäähdytystä tarvitsematta huolehtia piilevästä kuormituksesta (kosteuden poisto ilmasta).

Lämmönpoistojärjestelmän kokonaistavoitteena on ylläpitää olosuhteita optimaalisina IT-laitteille ja minimoida samalla energian käyttö. Esimerkiksi alhainen kosteus voi kasvattaa staattisen sähkön riskiä, ja korkea kosteus voi aiheuttaa kondensaatiota, joka on uhka sähkö- ja metallilaitteille ja kasvattaa vikaantumisen riskiä sekä lyhentää käyttöikää. Korkeiden kosteustasojen yhdessä erilaisten ympäristön epäpuhtauksien kanssa on osoitettu nopeuttavan palvelimien eri komponenttien korroosiota.

Jäähdytystä tarvitaan IT-laitteiden muodostaman lämmön poistamiseen ylikuumenemisen ja vikatilanteiden välttämiseksi. Joidenkin tutkimusten mukaan nopeasti vaihteleva lämpötila voi itse asiassa olla haitallisempi IT-laitteille kuin vakaa korkea lämpötila, joten ohjaussilmukka on siitä näkökulmasta tärkeä.

Uusimmat IT-laitteet kykenevät yleensä toimimaan korkeammissa lämpötiloissa, minkä ansiosta tuloilman lämpötilaa voi nostaa ja ilmaisen jäähdytyksen ja säätösäädön mahdollisuudet ovat paremmat. Ulkoilmaa voi hyödyntää sisäilman jäähdytyksessä joko suoraan tai epäsuorasti (edellä kuvatulla tavalla), ja haihtumisjäähdytys tai adiabaattinen jäähdytys voi edelleen parantaa säästösäädön tehokkuutta. Näitä energiansäästöteknologioita on otettu käyttöön laajalti, ja suuntaus on kohti kuivia lämmönpoistostrategioita, jotka eivät kuluta vettä. Lämmönpoiston väliaineen (ilman tai nesteen) lämpötilan noustessa datakeskusten hukkalämmön tehokkaan hyödyntämisen mahdollisuudet paranevat, jolloin hukkalämpöä voidaan käyttää esimerkiksi kaukolämpöverkossa. Esimerkiksi Helsingissä Microsoft ja Fortum tekevät yhteistyötä projektissa ylimääräisen lämmön ottamiseksi talteen. Datakeskus käyttää 100-prosenttisesti päästötöntä sähköä, ja Fortum siirtää puhtaan lämmön palvelinten jäähdytysprosessista koteihin, palveluihin ja liiketiloihin, jotka on yhdistetty sen kaukolämpöjärjestelmään. Tämä datakeskuksen hukkalämmön kierrätysjärjestelmä on todennäköisesti suurin laatuaan maailmassa.

Tarkan valvonnan merkitys

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.

Tärkeä ominaisuus datakeskuksen suunnittelussa on oikean lämpötilan tuottaminen palvelimille, ja tämän voi saavuttaa vain, jos ohjausjärjestelmä voi luottaa tarkkoihin antureihin. 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.

Keith Dunnavant, Munters

Keith Dunnavant, Munters

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. Asianmukaisen suunnittelun ja valvonnan yhdistelmällä on mahdollista hallita tehokkaasti jäähdytystä ja ilman virtausta määritysten mukaisesti.

Jotta eri muuttujien vaikutusta keskimääräiseen vuotuiseen energian käyttöön voidaan arvioida, Munters on mallintanut järjestelmänsä toiminnan kolmella eri ohjausmenetelmällä kolmessa eri sijainnissa, joista kussakin on 1 megawatin ITE-kuormituksen datakeskus:

  1. Perustapauksessa suunniteltu tuloilman lämpötila on 24 °C ja paluuilman lämpötila 35 °C (delta-T = 11 °C).
  2. Toisessa tapauksessa tulo- ja paluuilman lämpötiloja laskettiin yhdellä celsiusasteella (delta-T pysyi samana).
  3. Kolmannessa tapauksessa vain paluuilman lämpötilaa laskettiin yhdellä celsiusasteella (delta-T pieneni).

Tulokset osoittivat kaikissa kolmessa tapauksessa vähäisempää energian käyttöä lauhemman ilmaston sijainnissa. Tapauksessa 2 energian käyttö oli 1–2 prosenttia suurempi, kun sekä tulo- että paluuilman lämpötilaa laskettiin vain yhdellä asteella. Tapauksessa 3 nähtiin merkittävin lisäys energian käytössä; laskemalla paluuilman lämpötilaa (ja samalla delta-T-arvoa) vain 1 celsiusasteella kasvatettiin energian käyttöä 8–9 prosentilla kaikissa kolmessa sijainnissa. Tämä pienen lämpötilan muutoksen suuri vaikutus korostaa sekä delta-T:n että anturien tarkkuuden merkitystä.

Mitä jäähdytysmenetelmiä sitten käytetäänkin, on ensiarvoisen tärkeää ohjata ilmanvaihdon prosesseja ja sisätilojen olosuhteita luotettavasti. Tämän saavuttamiseksi datakeskusten johtajien on voitava luottaa jatkuviin tarkkoihin mittauksiin, koska ohjaussilmukka voi olla vain niin hyvä kuin mittaukset. Siksi laadukkaat anturit mahdollistavat tehokkaasti hallitut ilmanvaihtoprosessit ja vakaat sisätilojen olosuhteet. Anturin ominaisuudet asennushetkellä eivät kuitenkaan välttämättä indikaattori pitkän aikavälin luotettavuudesta. Anturin todellinen arvo on katsottava koko sen elinkaaren ajalta, koska tiheä ylläpidon tarve voi olla kallista, ja kuten Muntersin mallit osoittavat, pienetkin poikkeamat tarkkuudessa voivat paisuttaa energiakustannuksia.

Useimmissa tapauksessa IT-infrastruktuurissa olevat tiedot ovat erittäin arvokkaita ja usein liiketoiminnan kannalta kriittisiä, joten ei olisi mitään järkeä käyttää huokeita antureita, jos niistä aiheutuisi korkeita ylläpitokustannuksia tai riskejä arvokkaille tiedoille. Käyttäjien kannattaa sen vuoksi suosia kestäviä mittalaitteita, jotka kykenevät tuottamaan luotettavia, stabiileja mittauslukemia pitkällä aikavälillä – koko elinkaaren aikainen suorituskyky ratkaisee.

Mittausteknologiaa haastaviin ympäristöihin

Mittalaitteiden tarkkuuteen, luotettavuuteen ja stabiiliuteen keskittyminen on ollut Vaisalan brändin kantava arvo alusta alkaen, yli 86 vuoden ajan. Nämä ominaisuudet ovatkin jokaisen Vaisalan tuotteen suunnittelun päänäkökohtia. Osoituksena näiden ominaisuuksien tuomista eduista Vaisalan antureita on käytetty muun muassa Marsissa yli kahdeksan vuoden ajan. Ne ovat tuottaneet ongelmattomasti tietoja rankoissa olosuhteissa osana NASAn Curiosity-mönkijän varustusta ja sittemmin myös Perseverance-mönkijän.

Datakeskusten olosuhteet ovat vähemmän haastavat kuin ulkoavaruuden, mutta anturien luotettavuus on aivan yhtä tärkeää, kun otetaan huomioon datakeskusten yrityksille, talouksille ja yhteisöille ympäri maailman tuottamien palvelujen merkitys.

Lue lisää
Mars-mönkijä, jossa on Vaisalan mittausteknologiaa

NASAn Mars-mönkijä sisältää Vaisalan mittausteknologiaa

Anturien valintaan vaikuttavat tekijät

1. Luotettavuus

Anturin tarkkuus asennushetkellä on tietenkin tärkeää, mutta anturin on myös oltava tarkka pitkällä aikavälillä ja tuotettava stabiileja lukemia. Datakeskusten korkean arvon ja usein syrjäisen sijainnin vuoksi lähettimien elinkaaren pitäisi olla paljon tavanomaista pidempi. Valmistajalla tulisi siksi olla kokemusta alalta sekä maine luotettavien mittausten toimittajana kriittisissä ympäristöissä. Jäljitettävät kalibrointitodistukset antavat varmuuden, että anturit toimivat oikein ennen lähtöään tehtaalta, ja todistettu luotettavuus tarkoittaa, että tämä tarkkuustaso voidaan säilyttää pitkällä aikavälillä.

Anu Kätkä, tuotepäällikkö, Vaisala

Anu Kätkä, tuotepäällikkö, Vaisala

2. Huolto

Paljon ylläpitoa vaativia antureita tulisi välttää; ei pelkästään niihin liittyvien kustannusten vuoksi vaan myös siksi, että tällaiset anturit ovat alttiimpia vikaantumiselle. Lisäksi anturit, joissa esiintyy ryömintää tai jotka menettävät tarkkuuttaan, voivat aiheuttaa valtavia energiakustannuksia, kuten edellä selvitettiin. Datakeskusten vaatimien korkeiden käytettävyysaikojen vuoksi mitkään valvontalaitteiden ylläpitotoimet eivät saisi häiritä datakeskuksen toimintaa. Tästä seuraa, että Vaisalan mittalaitteiden kaltaiset laitteet, joissa on vaihdettavat mittapäät tai moduulit, ovat hyödyllisiä etenkin siksi, että ne mahdollistavat anturien irrottamisen ja kalibroinnin käytöstä poistettuna. Jos mittapää tai moduuli vaihdetaan, myös kalibrointitodistus on tärkeää päivittää. Ihannetapauksessa ylläpitotoimet tulisi olla mahdollista toteuttaa paikan päällä mittalaitteiden toimittajan tarjoamilla työkaluilla, ja tämä työ tulisi tehdä osana määräaikaishuolto-ohjelmaa.

3. Vastuullisuus

Anturien uusimmat teknologiat sallivat käyttäjien päivittää vain mittausosan anturista sen sijaan, että koko lähetin pitäisi vaihtaa tai hävittää, mikä auttaa välttämään turhaa jätettä. Toimittajien ympäristöstä ja kestävästä kehityksestä huolehtiminen on syytä ottaa huomioon ostopäätöstä tehtäessä. Tällöin vastuullisuus pysyy mukana läpi koko toimitusketjun ja luo kannustimia kaikille toimijoille, niin pienille kuin suurille. Kestävä kehitys on sekä Muntersin että Vaisalan ydinarvo. Esimerkiksi Muntersilla on yli 1,5 gigawatin verran datakeskusten jäähdytyslaitteistoa asennettuna maailmanlaajuisesti tarjoten näin energiasäästöt, jotka vastaavat kahta prosenttia Ruotsin vuosittaisesta energiankulutuksesta. Financial Times nosti Vaisalan äskettäin vuoden 2022 viiden merkittävimmän eurooppalaisen ympäristöjohtajan listalle. Listalla on eurooppalaisia yrityksiä, jotka saavuttivat suurimman kasvihuonekaasupäästöjen vähennyksen vuosien 2015 ja 2020 välillä.

Yhteenveto

Koska datakeskuksissa käsitellään ja säilytetään miljardien dollarien arvosta tietoja, energiannälkäiset palvelimet on pidettävä ihannelämpötilassa ja -ilmankosteudessa käyttökatkosten ehkäisemiseksi. Samaan aikaan on kiireellinen tarve vähentää kasvihuonekaasupäästöjä, parantaa energiatehokkuutta, alentaa energiakustannuksia ja parantaa PUE-lukemia energian hinnan noustessa yleisesti. Tämä erilaisten kannustimien yhdistelmä merkitsee, että ilmanvaihtoprosessien tarkka hallinta ja optimointi on erittäin tärkeää.

Tietoa kirjoittajista

Keith Dunnavant on Muntersin myyntijohtaja, joka vastaa heidän datakeskusliiketoiminnastaan Amerikassa. Anu Kätkä on Vaisalan tuotepäällikkö, joka vastaa maailmanlaajuisesti Vaisalan ilmanvaihdon- ja datakeskusten tuotealueesta.

Sinua saattaisi myös kiinnostaa…

Onko sinulla kysyttävää Vaisalan ratkaisuista datakeskuksille? Autamme mielellämme!