Tehnoruumide kliimaseadmed ning nende energiakulukus

Millist rolli mängivad serverite ja muude tehnoruumide kliimaseadmed suure elektriarve tekkimisel ja millised on energia säästmise võimalused?

Elame jahedas kliimas ja oleme seetõttu harjunud pöörama suurt tähelepanu hoonete kütmiseks kuluvale energiale, õigemini selle kokkuhoiule. Küllap on paljusid hooneomanikke ja -haldajaid üllatanud suvine elektriarve. Pärast väikest arupidamist on leitud ka süüdlane – kliimaseade.

Enamikku kliimaseadmeist võiks liigitada mugavusseadmete hulka. Ometi on osa neist tänapäeval vältimatud ja, mis veelgi tähtsam, peavad jahutama aasta ringi ning tekitavad aastaringset energiakulu. Serverite ja muude tehnoruumide kliimaseadmetest, nende tööst ning energia säästmise võimalustest ongi käesolevas artiklis jutt.

Serveriruumide jahutamisele kulub 40%, halvemal juhul isegi kuni 60% elektrienergiast. Üldjuhul nimetatakse selleks kasutatavaid seadmeid täppiskonditsioneerideks (ingl close control), mis peale täpse temperatuuri hoidmisele tagavad ruumides ka etteantud suhtelise niiskuse. Selleks on neisse sisse ehitatud aurniisutid ja kütteelemendid. Jahutamist vajavates ruumides võivad viimased tunduda esmapilgul üleliigsed, ent on täpse niiskus- ja temperatuurirežiimi hoidmiseks ometi vältimatud. Täppiskonditsioneere eristab tavalistest ka teistsugune ehitus ja teistsugused koostisosad, mis peavad tagama nende pikema tööea ekstreemsetes tingimustes – töötama peavad nad 365 päeva aastas ja 24 tundi ööpäevas nii suvise palavuse kui ka talvise külmaga.

Serverite ja muude tehnoruumide jahutamise suurim eripära ongi jahutusvajadus ka kõige käredama pakasega. Meie kliimas on peale miinuskraadidega ilmade veel hulk sellist aega, mil välistemperatuur on serveriruumis hoitavast madalam. Tehnoruumi säästlikku jahutamist tuleks alustada seadmete tööga seotust pisut kaugemalt – õigesti seatud lähteülesandest. Siin ei tohi lähtuda põhimõttest, et suurem on parem ja väiksem odavam, valida tuleb optimaalne lahendus. Vaid õigesti valitud lähteülesanne ja õigesti valitud seadmed annavad hea tulemuse. Üldjuhul küsitakse serveriseadmeid haldava IT-firma esindajalt kohe seda, milline peab olema ruumi kliima, ning tema ütleb oma parema äranägemise järgi ja paraja varuga midagi peamiselt ruumide temperatuuri kohta ning kui töökindlad peavad kliimaseadmed olema. Inimesena võib temast aru saada, ent insener teab, et palutud varu maksab peaaegu alati kallist raha.

Temperatuurist

Oluline on mitte unustada, et kui server paikneb kapis (ingl rack), ei ole vaja tagada madalat temperatuuri terves ruumis, vaid just nimelt kohas, kust serverikapp saab jahutusõhu. Konditsioneeri kasutegur (ja energiasääst) on seda suurem, mida kõrgema temperatuuriga õhku ta jahutamiseks saab. Teisisõnu, mida suurem on jahutatava õhu ja konditsioneeri soojusvaheti pinna vahelise temperatuuri erinevus, seda aktiivsem on soojuse ülekandumine. Seega peaks ruumis tekitama õhu suunatud ringluse – jahutatud õhk konditsioneerist otse kapi õhuvõtukohta ning soojenenud õhk kapist tagasi konditsioneeri. Mida paremini seda suudetakse teha, seda väiksema nimivõimsusega konditsioneeri on vaja tekkinud soojuse väljatoimetamiseks.

Tihti kasutatav väide, mille kohaselt ruumis madala temperatuuri hoidmine tagab teatava ajavaru seadme rikke korral, on tegelikult vale. Üldjuhul on ruumi suuruse ja soojuskoormuse suhe sedavõrd viimase poole kallutatud, et seadme seiskumise korral on temperatuuri tõus paarikümne kraadi võrra ülimalt poole tunni küsimus. Ehk piltlikult öeldes võib see, kas temperatuur hakkab tõusma 18 või 22 ºC juurest, anda tehnikule vea leidmiseks vaid viis minutit ajavõitu, kui ruumi temperatuur hakkab madalamalt tõusma, madalama ruumitemperatuuri hoidmiseks vajalikud seadmed maksavad aga rohkem ja kulutavad ka rohkem energiat. Temperatuuri tagamine serveriruumides konditsioneeri tõrke korral peaks siiski käima varuseadmete abil (n+1 – üks seade alati reservis ja töösolevad vahelduvad). Peale temperatuuri on oluline hoida ka õiget õhuniiskust. Liiga väike niiskus võib kahjustada serveriseadmeid, liiga suur aga põhjustab jällegi kulu – osa konditsioneeri võimsusest läheb kaotsi nn varjatud jahutusvõimsusena, s.o kulub veeauru kondenseerimisele ning temperatuuri ei alanda.

Konditsioneeri koormuse määramine

Et täppiskonditsioneer soovikohaselt toimiks, peab selle võimsus võimalikult täpselt vastama ruumi soojuskoormusele. Komistuskiviks võib saada inimtegur. Näiteks valitakse konditsioneer ülemäärase varuga. Tihtilugu juhtub, et konditsioneer kas ei suuda õhu nõutud suhtelist niiskust hoida või peab selleks ise tublisti juurde kütma. Nt kui suvel on ruumiõhu niiskus suur, siis õhu kuivatamiseks konditsioneer kõigepealt jahutab ja alles seejärel hakkab õhku soojendama. Probleem on selles, et seadme kütteelement arvestab ruumist saadava „abiga“ ja on seetõttu jahutuselemendist väiksem. Mõnikord kiputakse aga serveriseadmeid jooksvalt laiendama, ent konditsioneer jääb samaks. Siis ei suuda seade ühel hetkel oma põhifunktsiooni (jahutamine) enam täita.

Seadme valimine

Tulgem tagasi temperatuuri juurde. Oma olemuselt on kõik konditsioneerid soojuspumbad, tööpõhimõtte poolest sarnased koduste külmikutega. Seadme kompressor teeb tööd, et kanda soojust külmemast keskkonnast soojemasse, kasutades soojuskandjaks külmaainet (peamiselt mingisugust freooni). Kompressori käitamiseks vajalik elektrienergia ongi peamine kulu. Kasulik on meeles pidada, et suurel osal aastast ei ole Eesti kliimas vaja liikuda soojusega loodusseaduste vastu – meil on väljas enamasti jahedam kui jahutamist vajavas ruumis. See võimaldab odavamalt hakkama saada, kasutades nn vabajahutust. Vabajahutusega seadmed on aga tavalistest kallimad, sest neis on rohkem koostisosi ning nende juhtimisloogika keerukam. Tihtipeale ei tee seadme soetamise otsust selle hilisem kasutaja ega elektrienergia eest maksja ning seade valitakse vaid soetusmaksumust arvestades.

Vabajahutus

Vabajahutuse puhul ei juhita soojust ruumist välja kompressori jõul, vaid kasutades keskkondade temperatuurivahet, vahesoojuskandjat, pumpa või ventilaatoreid. Loomulikult on käitus sel puhul odavam ja paljuski ka töökindlam, võtmesõnad on kasutamispiirid ja (ümberlülituse) toimekindlus. Arusaadavalt peab välistemperatuur olema madalam kui ruumitemperatuur (tuletagem meelde eespool mainitud ruumitemperatuuri õiget valikut, mis pikendab ka vabajahutuse kasutamise perioodi), küsimus on vaid selles, kui palju peab ruumi temperatuur olema välistemperatuurist kõrgem.

Täppiskonditsioneeride tootja Stulz GmbH Saksamaalt (nagu teada, on Saksamaa energiasäästmise vallas esimeste hulgas) on viimasel ajal kulutanud palju aega vabajahutusega täppiskonditsioneeride täiustamisele. Täppiskonditsioneeri, eriti vabajahutusega täppiskonditsioneeri olulisemaid koostisosi on juhtimisloogika. Üks asi on saavutada nõutud kliimanäitajaid mitmesuguste funktsioonide (kütmine, jahutamine, niisutamine, kuivatus) abil, teine asi on saavutada need võimalikult energiasäästlikult ja kolmas asi on neid näitajaid täpselt hoida. Vabajahutuse põhimõtteskeem on suhteliselt muutumatuna olnud kasutusel juba päris kaua ning seda kasutatakse ka paljude büroohoonete jahutamisel. Siiski on Stulz GmbH välja töötanud rea uuendusi, mis on koondatud kaubamärgi Dynamic Free Cooling® (DFC) alla.

Dynamic Free Cooling®

Traditsioonilistes vabajahutusega süsteemides on vahesoojuskandja (glükooli vesilahus) temperatuur konstantne, tavaliselt graafikuga 7 ºC /12 ºC. Selline soojuskandja temperatuur tagab konditsioneeri siseosa nõutud võimsuse saavutamise, ent seab jäigad piirid kõrgeimale välisõhutemperatuurile, mille korral saab vabajahutust kasutada. Sõltuvalt jahutusseadme välisosa valikust ei tohi välisõhu temperatuur olla üle +3 ºC, sellest kõrgema korral lülituvad tööle kompressorid ja algab tavaline jahutamine. Olukorra parandamiseks on aga DFC® puhul tehtud mitu täiendust, millest olulisemad on traditsioonilise vabajahutusega võrreldes järgmised:

• siseseadmete konstantse pöörlemissagedusega ventilaator on asendatud muudetava pöörlemissagedusega EC-ventilaatoriga, et saaks ruumis ringlevat õhu hulka optimeerida vastavalt hetkeolukorrale. Niigi energiasäästliku EC-ventilaatori energiasäästu suurendamiseks on pööratud erilist tähelepanu sisemisele aerodünaamikale;
• sise- ja välisseadme vaheline konstantse pöörlemissagedusega pump on asendatud muutuva pöörlemissagedusega pumbaga, mis võimaldab optimeerida vahesoojuskandja vooluhulka süsteemis;
• ka konditsioneeri välisosas kasutatakse tavaliste ventilaatorite asemel muutuva pöörlemissagedusega ventilaatoreid.

Kui silmas pidada ventilaatorite kohta öeldut ja lisada vahesoojuskandja temperatuuri juhtimise ning reservis olevate seadmete vahelduvat kasutamist, saavad selgeks DFC® tööpõhimõtte põhijooned. Süsteemi automaatika juhib kõiki koostisosi nõnda, et energiasääst oleks võimalikult suur. Nii sise- kui ka välistemperatuuri arvestades pannakse tööle kas ainult ventilaatorid ja vahesoojuskandja või kaetakse osa jahutusvajadusest kompressori jõul ning osa vabajahutusega.

Sõltuvalt temperatuuridest kasutab süsteem kas madala temperatuuriga soojuskandjat, säästes energiat ventilaatorite ja pumba arvelt, või, kui madalama temperatuuriga soojuskandjat ei ole, suurendab pumpade ja ventilaatorite jõudlust, hoides kokku kompressori töö arvelt. Variante on veelgi ja täpne tööloogika on valmistajafirma ärisaladus. Selline dünaamiline juhtimine tagab selle, et vabajahutuse kasutamist ei piira enam välisõhu temperatuur, vaid vabajahutusega on võimalik energiat säästa nii kaua, kuni välistemperatuur on ruumi temperatuurist vaid mõni kraad madalam.

Stulz GmbH on välja töötanud ka spetsiaalse programmi, mille abil on näitajate väärtusi (sisetemperatuur, kliimavöönd, seadmetüüp, hind ja isegi inflatsiooni suurus) sisestades võimalik arvutada variantide tasuvusaja. Võrdleva tasuvusarvutuse saab koostada igat tüüpi (nt vahesoojuskandjaga, otseaurustusega, vabajahutusega) seadmete kohta.

Kokkuvõtteks võib öelda, et tavaliste täppiskonditsioneeridega võrreldes on DFC®- seadmetega võimalik Eesti kliimas saada kuni 60%-list energiasäästu aastas ning kallim seotusmaksumus teenib ennast tagasi keskmiselt ühe kuni kolme aastaga.

Artikli autor on ALLAN SUURKASK, BVT Partners OÜ

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 2/2009 lk 32–33

Foto: Johan Fredriksson / Wikimedia Commons, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.