Chlazení serveroven

Role chlazení v serverovnách a cíle návrhu

Chlazení serveroven je klíčové pro dostupnost IT služeb, dlouhou životnost zařízení a nízké provozní náklady. Návrh musí současně zajistit stabilní teplotně-vlhkostní podmínky v povolených tolerancích, řízení proudění vzduchu, škálovatelnost, redundanci, monitoring a maximální energetickou účinnost vyjádřenou metrikami jako PUE, WUE či CUE. Základem je minimalizace spotřeby ne-IT energie při nezhoršení SLA a bezpečnosti.

Metriky energetické výkonnosti

• PUE (Power Usage Effectiveness) = (celkový příkon objektu) / (příkon IT). Cíl ≤ 1,3 u moderních serveroven, špičkové hodnoty ~1,1–1,2.
• WUE (Water Usage Effectiveness) – litry vody na kWh dodané IT. Důležité u adiabatiky a evaporativního chlazení.
• CUE (Carbon Usage Effectiveness) – emise CO₂ vztažené na IT energii; zahrnuje mix zdrojů elektřiny.
• ITEr – účinnost přenosu vzduchu k IT (poměr užitečného průtoku k celkovému); zlepšuje se obsahem a těsněním uliček.

Provozní rozsahy a doporučení pro IT zařízení

Pro většinu moderních zařízení lze bezpečně aplikovat širší rozsahy prostředí, což snižuje energetickou náročnost chlazení. Reálné nastavení je vždy nutné sladit s doporučením výrobce serverů, diskových polí a síťových prvků.

Management proudění vzduchu

• Horké a studené uličky: stojany orientovat čely proti sobě (studené) a zády proti sobě (horké). Minimalizovat míchání vzduchu.
• Obsazení zaslepek: nevyužité pozice v racku vyplnit blank panely; zabrání by-passu a recirkulaci.
• Těsnění: průchodky kabeláže, kartáčové lišty, těsnění pod rackem; snížení netěsností → nižší průtoky VZT.
• Distribuce pod raised floor: vyvážené perforované dlaždice, omezení „bouří“ a by-passů, řízené klapky.
• Containment: fyzické oddělení uliček (zastřešení, dveře). Nejvyšší přínos pro stabilitu přívodní teploty a snížení PUE.

Architektury chlazení

• Perimetrická klimatizace (CRAC/CRAH): jednotky u obvodu, distribuce pod raised floor nebo stropem. Jednodušší retrofit, horší granularity.
• In-Row (řadové) chlazení: chladicí moduly mezi racky, krátké toky vzduchu, lepší lokální řízení, vyšší hustoty.
• Rear-Door Heat Exchanger (RDHx): vodou chlazené zadní dveře racku; vysoká hustota tepla, nízký hluk v uličkách.
• Liquid-to-Chip / Direct-to-Chip: kapalina přímo ke chladičům CPU/GPU; pro HPC a AI clustery. Minimální potřeba proudění vzduchu.
• Ponorné (immersion) chlazení: jedno- či dvoufázové; špičková hustota a účinnost, jiné požadavky na obsluhu a servis.

Zdroj chladu a technologie výroby chladu

• Chillery se suchými chladiči: bez vody v okruhu venku, nižší WUE; vhodné pro oblasti s omezenou vodou.
• Adiabatiky/evaporativní chlazení: velmi efektivní při suchém klimatu, pozor na kvalitu vody a legionellu; vliv na WUE.
• Volné chlazení (free-cooling): přímé (filtrací venkovní vzduch) nebo nepřímé (vzduch-vzduch/kapalina-vzduch výměníky). Velký vliv na PUE v chladném období.
• Chladicí věže: s chillerem (chiller-tower) či bez (ekonomizéry); vyžadují vodní hospodářství a chemii.
• Vodní smyčky a sekundární okruhy: oddělení IT výměníkem (plate HX), prevence kontaminace, stabilní teplota okruhu k IT.

Řízení, regulace a automatizace

• Supply-air control místo return-air: řídit na teplotu přívodu do uličky/racků, ne na teplotu sání jednotek.
• EC ventilátory s VSD: plynulé řízení průtoku podle diferenčního tlaku/teplotních sond v uličkách.
• Chladicí okruh: ekvitermní křivky, optimalizace ΔT, vysokoteplotní chlazení (např. 20/30 °C voda pro free-cooling).
• Prediktivní řízení: korelace IT zátěže (telemetrie serverů) s chladem; AI/ML optimalizace setpointů.
• Alarmy a bezpečnost: víceúrovňové mezní hodnoty, fallback režimy, watchdog u řízení ventilátorů/čerpadel.

Monitorování, měření a datová analytika

• Senzory: teplota/relativní vlhkost/rosný bod v přívodu a výfuku racků, diferenční tlak uliček, průtoky, ΔT na výměnících.
• Energetika: podružná měření (PDU, CRAH/CRAC, čerpadla, věže, ventilátory), výpočet PUE v reálném čase.
• CFD a verifikace: CFD model pro návrh a post-occupancy ověření; korekce perforací, dlaždic a setpointů.
• DCIM/BMS: integrace trendů, alarmů a kapacitního plánování (teplo, proud, prostor, síť).

Strategie pro snížení PUE bez kompromisu SLA

• Zvýšení teploty přívodu: postupné zvedání setpointů v rámci doporučených rozsahů; zlepšení free-coolingu a COP chilleru.
• Containment: po uzavření uliček často okamžité snížení příkonu ventilátorů o 20–40 %.
• Optimalizace ΔT: vyšší ΔT na výměnících → menší průtoky a menší příkon čerpadel/ventilátorů.
• Práce s vlhkostí: minimalizace aktivního zvlhčování, preferovat řízení dle rosného bodu.
• Modularita: vypínání/škálování jednotek v nízké zátěži (N+1 v „sleep“), sekvenční starty.

Voda vs. vzduch: srovnání přístupů

Integrace s IT a provozními strategiemi

• Virtualizace a orchestrace: soustředit zátěž do menšího počtu racků/zon → zbylé zóny do útlumu.
• Right-sizing UPS a distribuce: provoz v účinných pásmech; modernizace na vysokou účinnost (e.g. 96–98 %).
• Napájecí profily serverů: aktivovat hlubší C-stavy a P-stavy, řídit ventilátory serverů v koordinaci s VZT.
• Tepelná mapa: dynamicky rozmísťovat servery podle profilů, vyhnout se lokálním hotspotům.

Redundance, odolnost a bezpečnost

• N, N+1, 2N dimenzování chladu podle SLA; logické oddělení smyček a napájení čerpadel.
• Fail-safe režimy: otevření by-pass klapek, nouzové větrání, řízené odstavení IT zátěže podle priorit.
• Netěsnost a voda: detekční kabely v vaničkách, dvouplášťové hadice, havarijní uzávěry.
• Požární bezpečnost: čistá hasiva (FK-5-1-12, inertní plyny), koordinace s tlakem v sálech a těsností uliček.

Hluk, vibrace a ergonomie

• EC ventilátory a nízkootáčkové režimy v kombinaci s containmentem.
• Antivibrace pro čerpadla a výměníky; akustické tlumiče na sání/výfuku.
• Servisní přístup: 1000–1200 mm před zařízeními, čitelné štítky, bezpečné manipulace s těžkými díly.

Vodní hospodářství a kvalita vody

• Úprava vody: tvrdost, vodivost, biocidy; prevence koroze a zarůstání výměníků.
• Minimalizace WUE: preferovat suché okruhy, nepřímý free-cooling, rekuperace vody, monitoring odparu.

Obálka budovy a interakce s klimatem

• Architektonická stínění a tepelná setrvačnost; omezení solárních zisků v technických prostorech.
• Umístění sání/výfuku: zabránit re-entrainmentu a krátkým smyčkám vzduchu; ochrana proti sněhu/dešti a pylu.

Komisionování a validace

• FAT/SAT testy, integrální testy (black-building, ztráta chladiva, single-point of failure).
• Výkonnostní křivky: ověření COP chillerů, křivek ventilátorů, ΔT a průtoků při různých IT zátěžích.
• Sezónní optimalizace: přepnutí setpointů pro zimu/léto, test ekonomizérů.

Příklad energetické bilance (orientační)

IT zátěž: 150 kW. Scénář A (bez containmentu, PUE 1,6): celkový příkon 240 kW (chlazení a podpora ~90 kW). Scénář B (containment, vyšší přívod 25 °C, PUE 1,28): celkový příkon 192 kW (úspora 48 kW). Při 8 760 h/rok jde o ~420 MWh/rok a při ceně 0,15 €/kWh úsporu ~63 000 €/rok. Nezahrnuje CAPEX a údržbu.

Údržba, provoz a životní cyklus

• Plán TPM: filtry, řemeny, ložiska, senzory rosného bodu; intervaly dle provozu a prašnosti.
• Čištění výměníků a kalibrace sond; drobné netěsnosti výrazně snižují účinnost.
• Retrofit: EC ventilátory, VSD čerpadla, vyšší teploty vody, doplnění containmentu a řízení podle supply.

Udržitelnost a integrace s energií

• Rekuperace odpadního tepla do vytápění přilehlých částí budovy nebo sítě (např. 30–40 °C voda z RDHx).
• Řízení podle uhlíkového signálu: načasování batch zátěží při nízké intenzitě emisí sítě.
• Fotovoltaika a akumulace: pokrytí základní spotřeby chladicího řetězce v letních dnech; hybridní řízení UPS/baterií.

Checklist pro návrh a provoz

• Je definován teplotní a vlhkostní setpoint pro přívod k IT a existuje rezerva k limitům?
• Je dokončen containment a těsnění všech by-pass cest (rack blanks, průchodky)?
• Je distribuce vzduchu vyvážená (Δp, perforace, klapky) a ověřená měřením a/nebo CFD?
• Je řízení ventilátorů/čerpadel v režimu VSD dle supply a ΔT, nikoli fixními otáčkami?
• Je nasazen DCIM s PUE/WUE/CUE a poplachy na dew-point a diferenční tlak?
• Jsou definovány scénáře poruch (N+1/2N, ztráta vody, blackout) a procedury pro řízený útlum IT?
• Proběhla sezónní optimalizace setpointů a test ekonomizérů?

Závěr

Energeticky účinné chlazení serverovny je výsledkem disciplinovaného řízení proudění vzduchu, vhodné architektury chlazení, chytré regulace a propojení s IT provozem. Správně navržený systém využívá vyšší teploty přívodu, containment, volné chlazení a modulární technologie, aby minimalizoval PUE bez ztráty spolehlivosti. Pravidelné měření, analytika a iterativní ladění jsou nezbytné pro dlouhodobě nízké provozní náklady a udržitelný provoz.