<Datakeskuksen LVI- ja automaatiosuunnittelu: mitä toimintavarma LVIAJ-suunnittelu vaatii?
Datakeskuksen talotekniikan suunnittelussa lähtökohdat ovat monella tavalla erilaiset kuin tavallisessa toimitila- tai kiinteistöhankkeessa. Tilojen tekniset järjestelmät eivät palvele ensisijaisesti ihmisten olosuhteita, vaan niiden tärkeimpiä tehtäviä on huolehtia jatkuvasti toimivien IT-laitteiden lämpökuormasta ja turvata toiminta myös poikkeus- ja häiriötilanteissa.
Siksi datakeskuksen LVI-, jäähdytys- ja rakennusautomaatiosuunnittelu on tarkasteltava kokonaisuutena. Jäähdytysratkaisu vaikuttaa energiankulutukseen, hukkalämmön lämpötilatasoon ja sen hyödyntämismahdollisuuksiin. Putkistot, pumput, lämmönsiirtimet ja lämpöpumput muodostavat yhden kokonaisuuden, jonka toimintaa rakennusautomaatio ohjaa.
Parhaimmillaan LVIAJ-suunnittelussa ratkaistaan jo hankkeen alkuvaiheessa, miten datakeskus toimii normaalissa käyttötilanteessa, miten järjestelmä reagoi palvelinten ja muun IT-laitteiston muuttuvaan lämpökuormaan, miten hukkalämpö voidaan hyödyntää ja ennen kaikkea miten kriittinen jäähdytys turvataan myös silloin, kun jokin järjestelmän osa ei ole käytettävissä.
Mikä tekee datakeskuksen LVIAJ-suunnittelusta erityisen?
Datakeskuksessa lämpökuorma syntyy suurelta osin palvelimista, laskentajärjestelmistä ja muista IT-laitteista ja on luonteeltaan jatkuvaa. Niiden käyttämä sähköenergia muuttuu lopulta lämmöksi, joka on siirrettävä hallitusti pois laitteista ja laitetilasta.
Jäähdytyksen häiriö ei siten tarkoita vain hetkellistä muutosta tilan olosuhteissa. Se voi vaikuttaa suoraan IT-laitteiden toimintakykyyn ja pahimmillaan koko datakeskuksen käytettävyyteen.
Datakeskuksen LVIAJ-suunnittelussa toimintavarmuus ulottuu myös jäähdytykseen. Jäähdytyksen tuotanto, pumppaus, putkistoreitit, lämmönsiirto, varajärjestelmät sekä niiden ohjaus on suunniteltava osana datakeskuksen kokonaisuutta niin, että kriittinen jäähdytys pystytään turvaamaan myös huolto- ja häiriötilanteissa.
Datakeskuksille voidaan määritellä erilaisia käytettävyys- ja toimintavarmuustavoitteita. Yksi kansainvälisesti tunnettu tapa arvioida datakeskuksen infrastruktuurin toimintavarmuutta on Uptime Instituten Tier-luokitus, jossa datakeskukset jaetaan neljään tasoon.
Mitä Tier-luokat tarkoittavat LVIAJ-suunnittelussa?
Uptime Instituten Tier-luokitus jakaa datakeskuksen infrastruktuurin neljään tasoon. Tason noustessa vaatimukset järjestelmien toimintavarmuudelle, huollettavuudelle ja vikasietoisuudelle kasvavat. LVIAJ-suunnittelussa tämä näkyy erityisesti jäähdytyksen tuotannossa, pumppauksessa, putkistoissa, lämmönsiirrossa sekä järjestelmien ohjauksessa ja automaatiossa.
- Tier I – Basic Capacity: Datakeskuksella on toiminnan edellyttämä oma jäähdytysinfrastruktuuri. Järjestelmässä ei vielä edellytetä korkeampien Tier-tasojen mukaista redundanttia jäähdytyskapasiteettia tai vaihtoehtoisia jakelureittejä. Jäähdytysjärjestelmän yksittäisen osan huolto tai vika voi siten edellyttää toiminnan rajoittamista tai keskeyttämistä.
- Tier II – Redundant Capacity: Kriittisiin järjestelmiin lisätään rinnakkaista kapasiteettia. Jäähdytyksessä tämä voi tarkoittaa esimerkiksi varmistettuja jäähdytyskoneita, pumppuja tai muita kapasiteettikomponentteja. Tämä parantaa toimintavarmuutta ja mahdollistaa joidenkin laitteiden huoltamisen ilman IT-toiminnan keskeyttämistä, mutta kaikkia jakelureittejä, kuten putkistoja, ei vielä tarvitse voida huoltaa samanaikaisesti käytön kanssa.
- Tier III – Concurrently Maintainable: Jäähdytysjärjestelmä on suunniteltava siten, että jokainen toiminnan kannalta kriittinen kapasiteettikomponentti ja jakelureitin osa voidaan poistaa suunnitellusti käytöstä huoltoa, korjausta tai vaihtoa varten ilman vaikutusta IT-toimintaan. LVIAJ-suunnittelussa tämä korostaa esimerkiksi vaihtoehtoisia putkisto- ja jakelureittejä, venttiilijärjestelyjä, varmistettua pumppausta sekä automaation toimintaa eri huoltotilanteissa.
- Tier IV – Fault Tolerant: Tier III huollettavuuden lisäksi järjestelmän on kestettävä yksittäinen odottamaton laitevika tai jakelureitin häiriö ilman, että kriittinen IT-toiminta vaarantuu. LVIAJ-suunnittelussa tämä tarkoittaa myös yksittäisten vikapisteiden välttämistä jäähdytyksessä ja sen ohjauksessa. Esimerkiksi yhteinen ohjain tai yksittäinen anturi ei saa muodostaa pistettä, jonka vikaantuminen voisi pysäyttää kriittisen jäähdytyksen.
Tier-tason kasvaessa kyse ei siis ole vain varalaitteiden lisäämisestä. Myös putkistoreitit, järjestelmien eroteltavuus, automaatio ja eri käyttö- ja häiriötilanteiden hallinta on suunniteltava tavoitellun toimintavarmuuden mukaisesti.
Jäähdytysratkaisu vaikuttaa koko datakeskuksen talotekniikkaan
Datakeskuksen jäähdytys voidaan toteuttaa useilla eri tavoilla. Ratkaisun valintaan vaikuttavat muun muassa palvelinten ja muun IT-laitteiston lämpökuorma, tehotiheys, laitevalinnat, käytettävyysvaatimukset, sijainti ja tavoiteltu energiatehokkuus.
Perinteisessä ratkaisussa palvelimissa syntyvä lämpö siirtyy huoneilmaan ja siitä edelleen jäähdytysjärjestelmään. Kylmä- ja kuumakäytävien hallinta, ilmavirtojen oikea jakautuminen sekä jäähdytetyn ja lämmenneen ilman erottaminen ovat tällöin keskeisiä järjestelmän toimivuuden ja energiatehokkuuden kannalta.
Suomen ja muiden pohjoisten alueiden viileä ilmasto tarjoaa hyvät mahdollisuudet myös vapaajäähdytyksen hyödyntämiseen. Kun ulko-olosuhteet ovat sopivat, kompressorijäähdytyksen tarvetta voidaan vähentää merkittävästi tai joissakin järjestelmissä jäähdytys voidaan toteuttaa ilman sitä. Tämä pienentää jäähdytyksen sähkönkulutusta.
Jäähdytysratkaisua ei kuitenkaan kannata mitoittaa vain tämän päivän lämpökuormien perusteella.
Tekoäly ja suurteholaskenta kasvattavat datakeskusten tehotiheyksiä nopeasti. GPU-pohjaisissa laskentajärjestelmissä räkkikohtaiset lämpökuormat voivat nousta tasolle, jossa perinteisen ilmajäähdytyksen käytännön rajat alkavat tulla vastaan. Tällöin jäähdytysratkaisuksi nousee yhä useammin nestejäähdytys, jossa lämpö siirretään pois palvelimilta nesteen avulla.
Datakeskusten jäähdytykselle on olemassa kansainvälisiä suunnitteluohjeita ja standardeja. Esimerkiksi ASHRAE:n datakeskuksia koskevassa ohjeistuksessa nestejäähdytys ja erityisesti suoraan palvelinten komponentteihin lämpöä siirtävä direct-to-chip-jäähdytys nousevat keskeisiksi ratkaisuiksi suurten tehotiheyksien hallinnassa.
Uuden datakeskuksen järjestelmäratkaisussa kannattaa siksi arvioida paitsi nykyinen jäähdytystarve myös se, kuinka helposti järjestelmää voidaan myöhemmin laajentaa tai muuttaa kasvavien lämpökuormien ja uusien jäähdytysteknologioiden mukana.
Nestejäähdytys muuttaa myös LVI-suunnittelua
Kun lämpö siirretään palvelimilta suoraan nesteeseen, muuttuu datakeskuksen LVI-suunnittelu olennaisesti.
Konesalin sisälle tulee jäähdytysputkistoja ja lämmönsiirtimiä huomattavasti lähemmäksi IT-laitteita. Virtaamien, painehäviöiden ja lämpötilaerojen hallinta korostuu, ja samalla vuototurvallisuudelle asetetaan aivan erityisiä vaatimuksia.
Nestejäähdytyksen kiinnostava ominaisuus on myös siitä saatavan lämmön lämpötilataso.
Mitä korkeammassa lämpötilassa lämpö saadaan kerättyä talteen, sitä paremmat lähtökohdat sillä on myöhempään hyödyntämiseen. ASHRAE nostaa lämpimän veden direct-to-chip-ratkaisut esiin myös tästä näkökulmasta: ne voivat parantaa mahdollisuuksia hukkalämmön hyödyntämiseen esimerkiksi paikallisessa lämmitysverkossa tai kaukolämmössä.
Tästä seuraa tärkeä suunnitteluperiaate:
Datakeskuksen hukkalämmön hyödyntäminen alkaa jo jäähdytysjärjestelmän valinnasta.
Jos hukkalämmön hyödyntäminen tuodaan hankkeeseen vasta jäähdytysjärjestelmän suunnittelun jälkeen, osa parhaista vaihtoehdoista saattaa olla jo menetetty.
Hukkalämmön hyödyntäminen on nykyisin myös suunnittelun reunaehto
Datakeskusten hukkalämmön hyödyntäminen ei ole enää pelkästään vapaaehtoinen energiatehokkuustoimenpide.
Suomen energiatehokkuuslain mukaan datakeskuksen, jonka kokonaisteho ylittää yhden megawatin, hukkalämpöä on hyödynnettävä. Jos olemassa olevan datakeskuksen hukkalämpöä ei hyödynnetä lainkaan, datakeskuksen ylläpitäjän on osoitettava kustannus–hyötyanalyysillä, ettei hyödyntäminen ole teknisesti tai taloudellisesti toteutettavissa.
Myös uuden tai merkittävästi uudistettavan datakeskuksen suunnittelussa hukkalämmön hyödyntäminen on arvioitava jo hankkeen alkuvaiheessa. Kun datakeskuksen nimellinen kokonaisenergiapanos ylittää yhden megawatin, toiminnanharjoittajan on tehtävä kustannus–hyötyanalyysi hukkalämmön käytön arvioimiseksi datakeskuksessa tai sen ulkopuolella. Laissa on erikseen määritelty myös tilanteita, joissa kustannus–hyötyanalyysia ei tarvitse tehdä.
Tämä tuo hukkalämmön hyödyntämisen osaksi datakeskuksen konsepti- ja järjestelmäsuunnittelua jo varhaisessa vaiheessa.
Suunnittelussa on tarpeen tunnistaa ainakin jäähdytyksestä saatavan lämmön määrä ja lämpötilataso sekä mahdolliset hyödyntämiskohteet. Samalla tarkastellaan, tarvitaanko lämpöpumppuja lämpötilan nostamiseen ja millaisilla lämpötila- ja virtaamatasoilla lämmönsiirto on teknisesti ja taloudellisesti järkevää.
Jos datakeskus sijaitsee kaukolämpöverkon läheisyydessä, yksi mahdollisuus on siirtää hukkalämpö energiayhtiön verkkoon.
Hankkeen alkuvaiheen järjestelmävaihtoehtoja voidaan tarkastella myös osana taloteknistä konsultointia.
Kaukolämpöön liittyminen
Datakeskuksen jäähdytysjärjestelmän ja kaukolämpöverkon yhdistäminen ei tarkoita vain lämmönsiirtimen ja kahden putken lisäämistä järjestelmään.
Datakeskus ja kaukolämpöverkko toimivat eri lähtökohdista.
Datakeskuksen tehtävänä on päästä lämmöstä varmasti eroon ympäri vuoden. Kaukolämpöverkossa lämmön vastaanottokyky puolestaan riippuu muun muassa verkon lämpötiloista, paikallisesta kulutuksesta ja vuodenajasta.
Talvella lämmölle voi olla suuri tarve, mutta kesällä tilanne voi olla kokonaan toinen.
Siksi suunnittelussa on ratkaistava jo ennakkoon, mitä datakeskuksessa tapahtuu silloin, kun kaukolämpöverkko ei pysty vastaanottamaan kaikkea tarjolla olevaa lämpöä.
Tässä on yksi datakeskuksen LVIAJ-suunnittelun tärkeimmistä periaatteista:
Kriittisen jäähdytyksen toiminta ei saa olla riippuvainen siitä, pystyykö ulkopuolinen lämpöverkko vastaanottamaan hukkalämpöä.
Järjestelmällä on oltava hallittu vaihtoehtoinen lämmönpoistotapa. Se voi perustua hankkeen järjestelmäratkaisusta riippuen esimerkiksi nestejäähdyttimiin, jäähdytyskoneisiin tai muuhun lämmönpoistojärjestelmään.
Vaihtotilanteen pitää lisäksi tapahtua hallitusti.
Ja juuri tässä rakennusautomaation merkitys kasvaa.
Rakennusautomaatio on datakeskuksen talotekniikan hermosto
Datakeskuksessa RAU-järjestelmän täytyy tunnistaa järjestelmän kulloinenkin käyttötilanne ja reagoida siihen oikein.
Kun IT-kuorma kasvaa, jäähdytystehoa lisätään hallitusti. Kun ulkolämpötila mahdollistaa vapaajäähdytyksen, sitä voidaan hyödyntää. Kun lämpöä pystytään siirtämään kaukolämpöverkkoon, järjestelmää voidaan ohjata sen mukaisesti. Jos lämmön vastaanotto keskeytyy, jäähdytyksen on siirryttävä vaihtoehtoiseen toimintatapaan vaarantamatta IT-laitteiden olosuhteita.
Automaatiosuunnittelussa ratkaistaan myös järjestelmien keskinäiset lukitukset, hälytysten priorisointi, mittaukset ja toimintasekvenssit.
Datakeskuksessa yksittäinen väärin määritelty säätö tai toimintasekvenssi voi muodostua järjestelmän heikoimmaksi lenkiksi, vaikka itse jäähdytyslaitteet olisi kahdennettu.
Siksi myös automaation arkkitehtuurissa on huomioitava hankkeen käytettävyystavoitteet. Uptime Institute on nostanut esille, että kriittisen jäähdytyksen ohjauksen yhteiset ohjaimet tai anturit voivat muodostaa yksittäisiä vikapisteitä, jos järjestelmän toimintavarmuutta ei ole suunniteltu kokonaisuutena.
Suunnittelussa pitää ratkaista myös häiriötilanteet
Datakeskuksen toimintaa ei voida suunnitella vain normaalille käyttötilanteelle.
Yhtä tärkeää on kysyä, mitä tapahtuu, kun yksi pumppu pysähtyy, lämmönsiirrin poistetaan huoltoa varten, venttiili ei avaudu, automaatio menettää mittaustiedon tai ulkopuolinen lämpöverkko lakkaa vastaanottamasta energiaa.
Entä mitä tapahtuu sähkökatkon aikana?
Kuinka nopeasti konesalin lämpötila alkaa nousta, kuinka pitkään järjestelmällä on aikaa reagoida ja missä järjestyksessä varajärjestelmät käynnistyvät?
Järjestelmien toimintasekvenssit ja kriittiset käyttötilanteet on määritettävä jo suunnittelussa ja niiden toiminta varmistettava myöhemmin toimintakokeilla ja käyttöönotossa.
Simulointi auttaa varmistamaan ratkaisut jo ennen rakentamista
Vaativissa datakeskushankkeissa laskennallisia tarkasteluja ja simulointeja voidaan käyttää suunnitteluratkaisujen varmentamiseen ennen toteutusta.
Energia- ja olosuhdesimuloinneilla voidaan vertailla esimerkiksi erilaisia jäähdytysjärjestelmiä ja niiden energiankulutusta eri kuormitus- ja ulko-olosuhteissa.
Virtaussimuloinnilla eli CFD-laskennalla voidaan puolestaan tarkastella ilman liikkumista ja lämpötilaolosuhteita konesalissa. Tarkastelu auttaa tunnistamaan esimerkiksi kohtia, joissa kuuma poistoilma pääsee palaamaan palvelinten ilmanottoon tai joissa ilmavirrat eivät jakaudu suunnitellusti.
Myös AI-datakeskusten nykyisessä suunnitteluohjeistuksessa korostuvat reaaliaikainen seuranta, kehittyneet ohjaukset, digitaaliset kaksoset ja järjestelmien toiminnan jatkuva todentaminen.
Simuloinnin tarkoituksena ei kuitenkaan ole tehdä suunnittelusta monimutkaisempaa. Sen arvo syntyy siitä, että vaihtoehtoja ja kriittisiä tilanteita voidaan tarkastella ennen kuin ratkaisut on rakennettu.
AI ja HPC tekevät muuntojoustavuudesta entistä tärkeämpää
Datakeskusten tekniikka muuttuu tällä hetkellä nopeasti.
Tekoäly- ja suurteholaskentajärjestelmien (HPC) kasvavat tehotiheydet tarkoittavat, että muutaman vuoden päästä konesalin jäähdytystarve tai käytetty jäähdytystekniikka voi olla erilainen kuin ensimmäisessä käyttövaiheessa.
ASHRAE painottaa tämän vuoksi integroidun suunnittelun lisäksi myös järjestelmien muuntojoustavuutta. Infrastruktuurin pitäisi pystyä mukautumaan laskentatehon ja jäähdytysteknologioiden muutoksiin.
Talotekniikan näkökulmasta tämä voi tarkoittaa esimerkiksi putkistojen, teknisten tilojen, lämmönsiirtimien ja automaation suunnittelua niin, että järjestelmää voidaan myöhemmin laajentaa tai muuttaa ilman koko infrastruktuurin uusimista.
Tulevaisuuteen varautuminen ei tarkoita kaiken ylimitoittamista.
Se tarkoittaa, että mahdolliset muutokset tunnistetaan jo suunnitteluvaiheessa ja järjestelmään jätetään harkitut mahdollisuudet niiden toteuttamiseen.
Toimiva datakeskus syntyy kokonaisuuden suunnittelusta
Datakeskuksen talotekniikassa yksittäisen laitteen hyötysuhde tai tehokas jäähdytyskone ei vielä ratkaise kokonaisuutta.
Jäähdytyksen, putkistojen, hukkalämmön hyödyntämisen ja rakennusautomaation täytyy toimia yhdessä sekä normaalissa käytössä että poikkeustilanteissa.
Siksi datakeskuksen LVIAJ-suunnittelussa kannattaa tehdä tärkeimmät järjestelmätason valinnat mahdollisimman aikaisin.
Kun jäähdytysratkaisu, hukkalämmön hyödyntäminen ja automaation toimintaperiaatteet suunnitellaan samana kokonaisuutena, voidaan samalla parantaa toimintavarmuutta, energiatehokkuutta ja järjestelmän hallittavuutta.
Datakeskuksessa hyvä talotekninen ratkaisu ei ole vain tehokas silloin, kun kaikki toimii normaalisti. Sen pitää olla hallittu myös silloin, kun olosuhteet, kuormitus tai järjestelmän toimintatila muuttuvat.
LVI-Sasto suunnittelee LVI-, jäähdytys- ja rakennusautomaatiojärjestelmiä sekä tuottaa suunnittelun tueksi energia- ja olosuhdesimulointeja ja tarvittaessa virtaussimulointeja. Talotekniikan eri osa-alueiden yhteensovittaminen jo suunnitteluvaiheessa auttaa muodostamaan järjestelmistä toimivan ja hallittavan kokonaisuuden.
Suunnitteletko datakeskusta tai muuta vaativaa kohdetta?
Ota yhteyttä LVI-Saston asiantuntijaan, kun tarvitset LVI-, jäähdytys- ja rakennusautomaatiosuunnittelua tai suunnitteluratkaisujen varmentamista simuloinneilla.
Usein kysyttyä
Mitä datakeskuksen LVIAJ-suunnittelussa pitää huomioida?
Datakeskuksen LVI-, jäähdytys- ja rakennusautomaatiojärjestelmät suunnitellaan kokonaisuutena, jossa korostuvat jatkuva jäähdytys, toimintavarmuus, järjestelmien huollettavuus, hukkalämmön hyödyntäminen sekä järjestelmien toiminta myös häiriötilanteissa.
Miten datakeskuksen jäähdytys eroaa tavallisen rakennuksen jäähdytyksestä?
Datakeskuksen jäähdytys palvelee ensisijaisesti jatkuvasti lämpöä tuottavia IT-laitteita. Jäähdytyksen häiriö voi vaikuttaa suoraan laitteiden toimintaan ja koko datakeskuksen käytettävyyteen.
Mitä Tier-luokitus tarkoittaa datakeskuksen LVIAJ-suunnittelussa?
Tier-luokitus kuvaa datakeskuksen kriittisen infrastruktuurin toimintavarmuutta, huollettavuutta ja vikasietoisuutta. LVIAJ-suunnittelussa se vaikuttaa muun muassa jäähdytyksen tuotantoon, pumppaukseen, putkistoreitteihin ja automaatioon.
Voiko datakeskuksen hukkalämpöä hyödyntää kaukolämmössä?
Kyllä. Hukkalämpö voidaan sopivissa olosuhteissa siirtää esimerkiksi kaukolämpöverkkoon. Ratkaisu riippuu muun muassa lämmön määrästä ja lämpötilatasosta, verkon vastaanottokyvystä sekä tarvittavista lämpöpumpuista.
Miksi rakennusautomaatio on tärkeä datakeskuksessa?
Rakennusautomaatio ohjaa ja valvoo taloteknisiä järjestelmiä. Sen tehtävänä on varmistaa, että järjestelmät toimivat yhdessä myös kuormituksen muuttuessa ja häiriötilanteissa.