Datakeskuksen jäähdytys - kattava opas

Datakeskus on prosessilaitos. Siinä siirretään lämpöä, nesteitä ja energiaa suljetuissa piireissä, ja järjestelmän on
toimittava keskeytyksettä vuodesta toiseen. Laskennan näkökulmasta kyse on palvelimista, mutta laitoksen
näkökulmasta kyse on pumpuista, lämmönsiirtimistä, venttiileistä, mittauksesta ja automaatiosta. Juuri näiden varaan datakeskuksen käytettävyys rakentuu.

Jäähdytys on datakeskuksen kriittisin apujärjestelmä ja samalla sen suurin yksittäinen energiankuluttaja IT-laitteiden jälkeen. Laskentatehon tiheyden kasvu on muuttanut tilannetta nopeasti: kun perinteinen konesaliräkki kulutti muutamia kilowatteja, tekoälylaskentaan tarkoitettu räkki voi kuluttaa kymmeniä tai yli sata kilowattia. Tällaisia tehotiheyksiä ei enää jäähdytetä ilmalla, vaan lämpö siirretään nesteeseen mahdollisimman lähellä piiriä.

Tämä opas kokoaa yhteen datakeskuksen jäähdytyksen kokonaisuuden: jäähdytystapojen erot, nestejäähdytyksen
rakenteen, mittauksen ja todentamisen, hukkalämmön talteenoton sekä sen, mitä kunnossapito ja kunnonvalvonta
jäähdytysjärjestelmältä vaativat. Oppaan lopusta löydät syventävät artikkelit yksittäisistä osa-alueista.

Miksi jäähdytys ratkaisee datakeskuksen talouden

Jäähdytysjärjestelmä vaikuttaa datakeskuksen tuottoon neljää eri reittiä.

Käytettävyys. Jäähdytyksen menetys näkyy salissa minuuteissa, ei tunneissa. Nestejäähdytetyssä salissa lämpötila nousee nopeammin kuin ilmajäähdytetyssä, koska puskuroivaa ilmamassaa on vähemmän. Suojaukset, redundanssi ja kunnonvalvonta ovat siksi osa jäähdytyksen suunnittelua, eivät sen lisävaruste.

Energiankulutus. Jäähdytys on tyypillisesti suurin ei-IT-kuluerä. Sen hyötysuhde määrää suoraan laitoksen PUE-luvun ja siten sähkölaskun.

Hukkalämmön arvo. Kaikki datakeskukseen syötetty sähkö muuttuu lämmöksi. Nestejäähdytys tuottaa lämmön
korkeammassa ja tasaisemmassa lämpötilassa kuin ilmajäähdytys, jolloin se on hyödynnettävissä kaukolämpönä.
Suomessa tämän merkitys kasvoi, kun konesalien sähkö siirtyi 1.7.2026 alemmasta veroluokasta II yleiseen veroluokkaan I. Lämmön myynti on tulovirta, joka osaltaan tasaa käyttökustannusten nousua

Sääntely. EU:n energiatehokkuusdirektiivi (2023/1791) velvoittaa vähintään 500 kW:n IT-teholla toimivat datakeskukset raportoimaan vuosittain energiatehokkuustietonsa eurooppalaiseen tietokantaan. Raportoitaviin tunnuslukuihin kuuluvat PUE, WUE, ERF ja REF, ja laskentatavat on määritelty komission delegoidussa asetuksessa (EU) 2024/1364. Yli 1 MW:n laitoksia koskee lisäksi velvoite hyödyntää hukkalämpöä silloin, kun se on teknisesti ja taloudellisesti mahdollista. Käytännössä tämä tarkoittaa, että jäähdytysjärjestelmän mittaus on suunniteltava raportointikelpoiseksi jo ennen ensimmäistä kilowattituntia.

 

Jäähdytystapojen erot lyhyesti

 

Jäähdytystapa	Mitä se tekee parhaiten?	Mihin se sopii?
Ilmajäähdytys (CRAH, käytäväerottelu)	Jäähdyttää maltillisen tehotiheyden saleja tunnetulla ja yksinkertaisella tekniikalla	Perinteinen konesali ja kolokaatio, tyypillisesti muutamasta kilowatista noin 20 kW:n räkkitehoon
Suora nestejäähdytys (direct-to-chip, cold plate)	Siirtää lämmön suoraan prosessorilta nesteeseen korkeassa lämpötilassa	Tekoäly- ja HPC-räkit, joiden tehotiheys ylittää ilmajäähdytyksen rajat
Immersiojäähdytys	Upottaa laitteet dielektriseen nesteeseen ja poistaa puhaltimet kokonaan	Erikoiskohteet ja erittäin tiheät asennukset, joissa laitekanta on tähän suunniteltu
Vapaajäähdytys ja kuivajäähdyttimet	Siirtää lämmön ulkoilmaan ilman mekaanista jäähdytystä suuren osan vuodesta	Pohjoismainen ilmasto, erityisesti korkean menoveden nestejäähdytys
Lämmön talteenotto lämpöpumpulla	Nostaa hukkalämmön kaukolämpötasolle ja tekee siitä myytävää energiaa	Kohteet kaukolämpöverkon läheisyydessä

 

Käytännön kohteissa nämä eivät sulje toisiaan pois. Tyypillinen nykyhanke on hybridi, jossa sama laitos jäähdyttää
nesteellä laskentaräkit, ilmalla verkkolaitteet ja apukuormat, poistaa lämmön kuivajäähdyttimillä silloin kun ulkolämpötila sen sallii ja ohjaa talteenotetun lämmön lämpöpumpun kautta kaukolämpöverkkoon.

Nestejäähdytys muuttaa laitossuunnittelun

Siirtymä nesteeseen ei ole pelkkä komponenttivaihdos. Se tuo konesaliin putkiston, paineen, virtauksen ja vuotoriskin, eli juuri ne asiat, joita prosessiteollisuudessa on hallittu vuosikymmeniä. Suunnittelussa ratkaistavia kysymyksiä ovat piirien erottelu, materiaalivalinnat, liitostekniikka, vuodonvalvonta ja se, miten sali huolletaan ilman että laskenta pysähtyy.

Suoran nestejäähdytyksen ja immersiojäähdytyksen eroja, hybridiratkaisuja sekä siirtymän vaikutuksia salin rakenteeseen käsitellään tarkemmin artikkelissa Nestejäähdytys datakeskuksessa: direct-to-chip, immersio ja
hybridiratkaisut.

CDU-yksiköt ovat nestejäähdytyksen sydän

CDU (Coolant Distribution Unit) erottaa palvelinpiirin laitoksen jäähdytysvesipiiristä. Se sisältää lämmönsiirtimen, pumput, suodatuksen, paisunnan ja säädön, ja se pitää palvelinpiirin olosuhteet vakaina riippumatta siitä, mitä laitoksen puolella tapahtuu.

CDU:n keskeinen tehtävä on hallita kolmea asiaa samanaikaisesti: menoveden lämpötilaa, virtausta ja painetta.
Palvelinpiirin paine pidetään tyypillisesti laitospiirin painetta matalampana, jolloin mahdollinen sisäinen vuoto ei työnnä laitosvettä palvelimiin. Lämpötila taas pidetään salin kastepisteen yläpuolella, jottei kylmiin putkiin tiivisty kosteutta. Nämä eivät ole hienosäätöä vaan ehtoja, joiden pettäminen vaurioittaa laitteita.

CDU-yksiköiden tyypit, mitoitusperusteet, asennus ja käyttöönotto käydään läpi artikkelissa CDU-yksiköt
datakeskuksessa: toiminta, mitoitus ja käyttöönotto.

TCS ja FWS: kaksi piiriä ja niiden rajapinta

Nestejäähdytetty laitos jakautuu kahteen piiriin. TCS (Technology Cooling System) on suljettu piiri CDU:lta laitteille. FWS (Facility Water System) on laitospiiri CDU:lta lämmön poistoon eli kuivajäähdyttimille, jäähdytyskoneille tai lämmön talteenottoon.

ASHRAE:n TC9.9-työryhmän lämpötilaluokitukset kuvaavat näiden piirien olosuhteita. Laitospiirille on määritelty W-luokat W17, W27, W32, W40, W45 ja W+, joissa numero kertoo menoveden ylärajan celsiusasteina, ja laiteperäiselle TCS-piirille vastaavat S-luokat. Mitä korkeampi luokka, sitä suuremman osan vuodesta laitos pärjää vapaajäähdytyksellä ja sitä arvokkaampaa talteenotettu lämpö on. Yläraja tulee laitevalmistajan vaatimuksista, joten luokka on sovittava laitetoimittajan kanssa, ei valittava suunnittelupöydällä.

Vesikemia ratkaisee, kuinka kauan järjestelmä kestää

Nestejäähdytyspiiri on pieni, ahdas ja materiaaleiltaan sekalainen. Cold plate -rakenteiden virtauskanavat ovat kapeita, ja piirissä voi olla kuparia, ruostumatonta terästä, alumiinia sekä erilaisia tiiviste- ja letkumateriaaleja. Tästä syntyy kolme riskiä: hiukkaset tukkivat kanavia, eri metallien yhdistelmä aiheuttaa korroosiota, ja seisova lämmin vesi mahdollistaa mikrobikasvun.

Kaikki kolme ovat hallittavissa, mutta vain jos vesikemia, suodatus ja huuhtelukäytännöt määritellään jo
suunnitteluvaiheessa ja niitä seurataan käytön aikana. Käytännössä tämä tarkoittaa määriteltyä nestelaatua, lisäaineiden seurantaa, suodatuksen mitoitusta ja dokumentoitua täyttö- ja huuhteluprosessia. Aihetta käsitellään artikkelissa Nestejäähdytyksen vesikemia, suodatus ja materiaaliyhteensopivuus.

Mittaus tekee suorituskyvystä todennettavan

Jäähdytysjärjestelmän suorituskykyä ei voi arvioida ilman virtaus- ja energiamittausta. Virtaus kertoo, saako jokainen piiri sen mitä sille on suunniteltu. Virtauksen ja lämpötilaeron yhdistelmä kertoo siirretyn tehon, ja siitä lasketaan sekä jäähdytyksen todellinen hyötysuhde että talteen otetun lämmön määrä.

Datakeskuksessa mittaus toteutetaan usein ultraäänellä putken ulkopuolelta. Clamp-on-mittaus ei aiheuta painehäviötä, siinä ei ole liikkuvia osia eikä se edellytä piirin avaamista, mikä tekee siitä käyttökelpoisen myös jo rakennetussa salissa. Kannettavalla mittarilla tehdään kartoitukset, piirien tasapainotus ja kiinteiden mittarien tarkistukset, kiinteä mittaus jää palvelemaan jatkuvaa energianseurantaa ja raportointia.

Mittaustekniikoiden erot ja valintaperusteet käsitellään laajemmin virtausmittareiden kattavassa oppaassa, ja
datakeskuskohtaiset mittauspisteet artikkelissa Virtaus- ja energiamittaus datakeskuksen jäähdytyspiireissä.
Tuotevaihtoehtoihin voit tutustua virtausmittarivalikoimassamme.

Hukkalämmöstä tulee tuotetta, kun lämpötila riittää

Ilmajäähdytetyn salin paluulämpötila on matala ja lämpö on hajallaan. Nestejäähdytys kokoaa lämmön yhteen piiriin ja korkeampaan lämpötilaan, mikä on koko talteenoton edellytys. Kaukolämpöverkko vaatii kuitenkin selvästi korkeampaa lämpötilatasoa kuin palvelinpiiri tuottaa, joten väliin tarvitaan teollisuuslämpöpumppu.

Talteenoton kannattavuus ratkeaa harvoin lämpöpumpun tehokkuudella yksin. Ratkaisevia ovat etäisyys
kaukolämpöverkkoon, verkon lämpötilataso ja kausivaihtelu, lämmön ostohinta sekä se, miten talteenotto vaikuttaa
jäähdytyksen käytettävyyteen kesäkuukausina. Nämä kysymykset käydään läpi artikkelissa Hukkalämmön talteenotto ja myynti kaukolämpöön. Talteenoton ympärillä tarvittavat säätö- ja varoventtiilit sekä pumput kuuluvat samaan kokonaisuuteen.

Tunnusluvut: PUE, WUE ja ERF

PUE kuvaa laitoksen kokonaissähkönkulutuksen suhdetta IT-laitteiden kulutukseen, WUE vedenkulutusta suhteessa IT-kulutukseen ja ERF talteen otetun energian osuutta laitoksen kulutuksesta. Luvut ovat yksinkertaisia, mutta niiden vertailukelpoisuus riippuu täysin mittausrajoista ja mittausjaksosta. Sama laitos voi näyttää eri lukuja sen mukaan, mistä kohtaa mitataan ja miltä ajanjaksolta.

Koska luvut ovat nyt raportointivelvoitteen alaisia, mittausrajat kannattaa lyödä lukkoon suunnitteluvaiheessa eikä
ensimmäisen raportointimääräpäivän alla. Tunnuslukujen laskenta, sudenkuopat ja mittausrajojen määrittely käsitellään artikkelissa PUE, WUE ja ERF: mitä datakeskuksen tunnusluvut kertovat ja mitä eivät.

Kunnonvalvonta pitää kapasiteetin käytössä

Jäähdytysjärjestelmän pyörivät koneet eli jäähdytyskoneiden kompressorit, pumput ja puhaltimet ovat se osa laitosta, joka rikkoutuu. Kriittisimmille koneille asennetaan koneensuojaus, joka pysäyttää koneen ennen vauriota. Laajemmalle konekannalle riittää jatkuva tai langaton kunnonvalvonta, joka näkee alkavan laakerivian viikkoja ennen kuin se aiheuttaa katkon.

Käyttöönoton yhteydessä mitattu värähtelyn lähtötaso on tässä avainasemassa. Ilman lähtötasoa myöhemmät mittaukset kertovat vain sen hetken arvon, eivät muutosta. Kunnonvalvonnan toteutus datakeskuksessa käsitellään artikkelissa Datakeskuksen jäähdytyskoneiden ja pumppujen kunnonvalvonta, ja ratkaisuihin voit tutustua turva-automaation ja kunnonvalvonnan sivulla.

Miten jäähdytysratkaisu valitaan

Jäähdytysratkaisu ei ole tuotevalinta vaan laitossuunnittelun päätös. Keskeisiä tekijöitä ovat

• laskentakuorman tehotiheys ja sen odotettu kehitys laitoksen elinkaaren aikana

• laitevalmistajan vaatima menoveden lämpötila ja virtaus, eli ASHRAE-luokka

• redundanssivaatimus ja se, mitä yksittäinen vika saa pysäyttää

• vapaajäähdytyksen osuus paikallisessa ilmastossa

• hukkalämmön hyödyntämismahdollisuus ja etäisyys kaukolämpöverkkoon

• vedenkulutus ja ympäristöluvan ehdot, melu mukaan lukien

• huollettavuus käytön aikana, eli mitä voidaan huoltaa salia pysäyttämättä

• mittauksen ja raportoinnin vaatimukset

Näistä tehotiheyden kehitys ja huollettavuus jäävät useimmin liian vähälle huomiolle. Molemmat maksavat vasta
myöhemmin, mutta silloin kalliisti.

Käyttöönotto ratkaisee, toimiiko suunnitelma

Jäähdytysjärjestelmä siirtyy suunnitelmasta todellisuudeksi käyttöönotossa. Huuhtelu, täyttö, piirien tasapainotus,
virtausten todentaminen, suojausten koestus ja hälytysten läpikäynti ovat vaiheita, joissa suunnitteluvirheet ja
asennuspoikkeamat tulevat esiin. Jos ne eivät tule esiin täällä, ne tulevat esiin tuotannossa. Luovutuksen lähtötaso kannattaa mitata ja dokumentoida: virtaukset piireittäin, lämpötilaerot, koneiden värähtelytaso ja
energiamittarien lukemat. Näihin verrataan kaikkea, mitä laitoksesta myöhemmin mitataan. Ilman niitä myöhempi
suorituskykykeskustelu on mielipiteiden vaihtoa.

Datakeskus on prosessilaitos, ja niin sitä kannattaa rakentaa

Jäähdytys, sähköistys, instrumentointi ja automaatio vaativat datakeskuksessa samaa toimintavarmuutta kuin kriittiset voima- ja prosessiteollisuuden laitokset. Finkova johtaa datakeskustyömaata, asentaa ja käyttöönottaa jäähdytyksen ja CDU-yksiköt, sähköistyksen, instrumentoinnin ja turva-automaation sekä pitää järjestelmät käynnissä luovutuksen jälkeen. Asentajamme, käyttöönottajamme ja työnjohtomme työskentelevät parhaillaan käynnissä olevissa datakeskushankkeissa Suomessa.

Jos suunnitteilla on uusi datakeskus, laajennus tai siirtymä nestejäähdytykseen, käydään läpi mitä se tarkoittaisi teidän hankkeellenne. Tutustu myös datakeskuspalveluihimme ja elinkaaripalveluihimme.

Ota yhteyttä, autamme mielellämme.