Datová centra a vlhkost vzduchu: psychrometrie pro IT infrastrukturu

Servery a síťové prvky nejsou vůči vlhkosti neutrální. Příliš nízká vlhkost způsobuje elektrostatické výboje, příliš vysoká korozi a kondenzaci. Přípustné rozmezí je úzké a jeho překročení může způsobit havárii hardwaru v hodnotě milionů korun. ASHRAE Technical Committee 9.9 definuje ve svých Thermal Guidelines přípustné podmínky ve čtyřech třídách a h-x diagram je nástrojem pro ověření, zda navrhovaný systém tento koridor udrží za všech provozních stavů.

Rizikem nízké vlhkosti jsou elektrostatické výboje (ESD)

Pod 30 % RH se vzduch stává výborným izolantem. Pohyb osob, manipulace s komponentami nebo výměna karet či jiných dílů může generovat náboj stovek až tisíců voltů. Výboj přes citlivou elektroniku (ESD - Electrostatic Discharge) způsobí okamžité nebo latentní poškození. Latentní poškození je zákeřnější, protože součástka funguje, ale má zkrácenou životnost.

Dolní limit ASHRAE TC 9.9 pro třídy A1–A2 je rosný bod −12 °C nebo RH 8 % (platí přísnější). V praxi facility manažeři udržují RH 40 až 55 % pro bezpečnou rezervu.

Rizika vysoké vlhkosti se projevují korozí a kondenzací

Nad 60 % RH začíná elektrochemická koroze kovových povrchů desek plošných spojů. Vlhkost usnadňuje migraci iontů a vznik vodivých cest (CAF - Conductive Anodic Filament). Kritičtější je kondenzace: přijde-li teplý vlhký vzduch do kontaktu s povrchem chladnějším než rosný bod, zkondenzuje voda přímo na hardwaru. Horní limit ASHRAE TC 9.9 je rosný bod 17 °C a RH 80 % (platí přísnější), v praxi se udržuje RH < 55–60 %.

ASHRAE TC 9.9 a obálka pro třídy A1–A4

Třídy definují podmínky na vstupu do IT vybavení (ne v celém prostoru). Čím vyšší číslo, tím volnější podmínky:

Třída	Aplikace	Teplota	Rosný bod	RH
A1	Kritická infrastruktura	15–32 °C	−12 až 17 °C	8–80 %
A2	Typická serverovna	10–35 °C	−12 až 21 °C	8–80 %
A3	Robustní hardware	5–40 °C	−12 až 24 °C	8–85 %
A4	Outdoor / edge	5–45 °C	−12 až 24 °C	8–90 %

Platí vždy ta z obou mezí, která je přísnější — rosný bod, nebo RH.

Tyto obálky lze vykreslit přímo v h-x diagramu jako oblasti přípustných stavů. Klimatizace musí zajistit, aby stav vzduchu na vstupu do racků zůstal uvnitř obálky při všech venkovních podmínkách a to od letního dne 35 °C / 50 % RH po zimní noc −15 °C / 80 % RH.

Free cooling a jeho psychrometrická analýza

Free cooling (tzv. volné chlazení) využívá venkovní vzduch bez aktivního kompresoru, jsou-li venkovní podmínky dostatečně příznivé:

• Vzduchový free cooling - venkovní vzduch jde po filtraci přímo do sálu, což je možné, pokud jsou teplota a vlhkost v přípustné obálce.
• Kapalinový free cooling - chladicí věž ochlazuje cirkulující vodu bez kompresoru.

Pro pražská klimatická data leží venkovní vzduch mimo tepelnou obálku třídy A1 zhruba 2 000–3 000 hodin ročně a ve zbývajících 5 700–6 700 hodinách je potenciálně možný přímý vzduchový free cooling. Vlhkostní podmínka (RH < 80 %) je ve středoevropském klimatu méně omezující než teplotní.

Adiabatické (evaporativní) chlazení

Velcí provozovatelé rozšířili free cooling o adiabatické předchlazení, tj. venkovní vzduch se před vstupem ochladí odpařováním vody. V h-x diagramu jde vzduch podél izentalpy doprava a dolů, teplota klesá a vlhkost roste. Tím lze rozšířit počet hodin free coolingu o 500–1 500 ročně. Rizikem je růst RH přiváděného vzduchu a možná kontaminace minerály z vody, proto je nutná úprava vody a pravidelná údržba porézních panelů. Fyzikální principy rozebírá článek Evaporativní chlazení.

PUE a vliv vlhkostní strategie

PUE (Power Usage Effectiveness) = celková spotřeba datového centra ÷ spotřeba IT zařízení.

Průměrné světové PUE je kolem 1,55, hyperscale centra dosahují 1,1–1,2. Klimatizace tvoří 30 až 40 % spotřeby a volba vlhkostní strategie přímo ovlivňuje podíl hodin s free coolingem. Rozšíření přípustného teplotního okna (přechod z A1 na A2 nebo A3) prodlouží free cooling sezónu a každý stupeň zvýšení vstupní teploty sníží PUE přibližně o 0,02–0,04.

Časté dotazy

Proč se v datovém centru hlídá jak horní, tak dolní mez vlhkosti? Dolní mez proti elektrostatickým výbojům (pod 30 % RH), horní proti korozi a kondenzaci (nad 60 % RH). Přípustný koridor je proto úzký a definuje ho ASHRAE TC 9.9.

Co znamenají třídy A1–A4? Definují přípustné teploty a vlhkosti na vstupu do IT zařízení. Vyšší číslo znamená volnější podmínky vhodné pro robustnější hardware, což umožňuje více hodin free coolingu a nižší PUE.

Jak vlhkostní strategie ovlivní provozní náklady? Čím širší přípustné okno, tím více hodin lze chladit venkovním vzduchem místo kompresoru. To snižuje PUE i spotřebu, a proto ASHRAE doporučuje provoz v horním pásmu přípustných teplot.