Dátové centrá a vlhkosť vzduchu: psychrometria pre IT infraštruktúru

Servery a sieťové prvky nie sú voči vlhkosti neutrálne. Príliš nízka vlhkosť spôsobuje elektrostatické výboje, príliš vysoká koróziu a kondenzáciu. Prípustné rozmedzie je úzke a jeho prekročenie môže spôsobiť haváriu hardvéru v hodnote miliónov eur. ASHRAE Technical Committee 9.9 definuje vo svojich Thermal Guidelines prípustné podmienky v štyroch triedach a h-x diagram je nástrojom na overenie, či navrhovaný systém tento koridor udrží za všetkých prevádzkových stavov.

Rizikom nízkej vlhkosti sú elektrostatické výboje (ESD)

Pod 30 % RH sa vzduch stáva výborným izolantom. Pohyb osôb, manipulácia s komponentmi alebo výmena kariet či iných dielov môže generovať náboj stoviek až tisícov voltov. Výboj cez citlivú elektroniku (ESD – Electrostatic Discharge) spôsobí okamžité alebo latentné poškodenie. Latentné poškodenie je zákernejšie, pretože súčiastka funguje, ale má skrátenú životnosť.

Dolný limit ASHRAE TC 9.9 pre triedy A1–A2 je rosný bod −12 °C alebo RH 8 % (platí prísnejší). V praxi facility manažéri udržujú RH 40 až 55 % pre bezpečnú rezervu.

Riziká vysokej vlhkosti sa prejavujú koróziou a kondenzáciou

Nad 60 % RH začína elektrochemická korózia kovových povrchov dosiek plošných spojov. Vlhkosť uľahčuje migráciu iónov a vznik vodivých ciest (CAF – Conductive Anodic Filament). Kritickejšia je kondenzácia: ak príde teplý vlhký vzduch do kontaktu s povrchom chladnejším než rosný bod, skondenzuje voda priamo na hardvéri. Horný limit ASHRAE TC 9.9 je rosný bod 17 °C a RH 80 % (platí prísnejší), v praxi sa udržuje RH < 55–60 %.

ASHRAE TC 9.9 a obálka pre triedy A1–A4

Triedy definujú podmienky na vstupe do IT vybavenia (nie v celom priestore). Čím vyššie číslo, tým voľnejšie podmienky:

Trieda	Aplikácia	Teplota	Rosný bod	RH
A1	Kritická infraštruktúra	15–32 °C	−12 až 17 °C	8–80 %
A2	Typická serverovňa	10–35 °C	−12 až 21 °C	8–80 %
A3	Robustný hardvér	5–40 °C	−12 až 24 °C	8–85 %
A4	Outdoor / edge	5–45 °C	−12 až 24 °C	8–90 %

Platí vždy tá z oboch medzí, ktorá je prísnejšia – rosný bod, alebo RH.

Tieto obálky možno vykresliť priamo v h-x diagrame ako oblasti prípustných stavov. Klimatizácia musí zabezpečiť, aby stav vzduchu na vstupe do rackov zostal vnútri obálky pri všetkých vonkajších podmienkach, a to od letného dňa 35 °C / 50 % RH po zimnú noc −15 °C / 80 % RH.

Free cooling a jeho psychrometrická analýza

Free cooling (tzv. voľné chladenie) využíva vonkajší vzduch bez aktívneho kompresora, ak sú vonkajšie podmienky dostatočne priaznivé:

• Vzduchový free cooling – vonkajší vzduch ide po filtrácii priamo do sály, čo je možné, ak sú teplota a vlhkosť v prípustnej obálke.
• Kvapalinový free cooling – chladiaca veža ochladzuje cirkulujúcu vodu bez kompresora.

Pre pražské klimatické dáta leží vonkajší vzduch mimo tepelnej obálky triedy A1 zhruba 2 000–3 000 hodín ročne a vo zvyšných 5 700–6 700 hodinách je potenciálne možný priamy vzduchový free cooling. Vlhkostná podmienka (RH < 80 %) je v stredoeurópskom podnebí menej obmedzujúca než teplotná.

Adiabatické (evaporatívne) chladenie

Veľkí prevádzkovatelia rozšírili free cooling o adiabatické predchladenie, t. j. vonkajší vzduch sa pred vstupom ochladí odparovaním vody. V h-x diagrame ide vzduch pozdĺž izentalpy doprava a dole, teplota klesá a vlhkosť rastie. Tým možno rozšíriť počet hodín free coolingu o 500–1 500 ročne. Rizikom je rast RH privádzaného vzduchu a možná kontaminácia minerálmi z vody, preto je nutná úprava vody a pravidelná údržba pórovitých panelov. Fyzikálne princípy rozoberá článok Evaporatívne chladenie.

PUE a vplyv vlhkostnej stratégie

PUE (Power Usage Effectiveness) = celková spotreba dátového centra ÷ spotreba IT zariadení.

Priemerné svetové PUE je okolo 1,55, hyperscale centrá dosahujú 1,1–1,2. Klimatizácia tvorí 30 až 40 % spotreby a voľba vlhkostnej stratégie priamo ovplyvňuje podiel hodín s free coolingom. Rozšírenie prípustného teplotného okna (prechod z A1 na A2 alebo A3) predĺži free cooling sezónu a každý stupeň zvýšenia vstupnej teploty zníži PUE približne o 0,02–0,04.

Časté otázky

Prečo sa v dátovom centre stráži horná aj dolná medza vlhkosti? Dolná medza proti elektrostatickým výbojom (pod 30 % RH), horná proti korózii a kondenzácii (nad 60 % RH). Prípustný koridor je preto úzky a definuje ho ASHRAE TC 9.9.

Čo znamenajú triedy A1–A4? Definujú prípustné teploty a vlhkosti na vstupe do IT zariadenia. Vyššie číslo znamená voľnejšie podmienky vhodné pre robustnejší hardvér, čo umožňuje viac hodín free coolingu a nižšie PUE.

Ako vlhkostná stratégia ovplyvní prevádzkové náklady? Čím širšie prípustné okno, tým viac hodín možno chladiť vonkajším vzduchom namiesto kompresora. To znižuje PUE aj spotrebu, a preto ASHRAE odporúča prevádzku v hornom pásme prípustných teplôt.