Datakeskuksen hukkalämpö: Miten konesalin poistolämpö hyödynnetään tehokkaasti kaukolämpöverkossa?

Konesalien energiatehokkuus ja ympäristövaikutukset ovat keskeisiä puheenaiheita datakeskusten määrän ja laskentatehon kasvaessa. Datakeskukset kuluttavat suuren määrän sähköenergiaa, joka muuttuu lähes kokonaan lämpöenergiaksi. Aikaisemmin tämä poistolämpö puhallettiin suoraan ulkoilmaan, mutta nykyisin se hyödynnetään arvokkaana resurssina. Kun hukkalämpö ohjataan kaukolämpöverkkoon, voidaan korvata merkittävä määrä fossiilisia polttoaineita ja parantaa koko alueellisen energiajärjestelmän hyötysuhdetta. Ratkaisu vähentää hiilidioksidipäästöjä ja tarjoaa kuluttajille puhtaampaa energiaa.

Teknologian tutkimuskeskus VTT:n selvitysten mukaan datakeskusten poistolämmöllä voitaisiin kattaa merkittävä osa suomalaisten kaupunkien lämmitystarpeesta. Suuret konesalihankkeet sijoitetaankin yhä useammin alueille, joilla lämpö saadaan siirrettyä suoraan osaksi olemassa olevaa kaukolämpöverkostoa. Hankkeiden onnistuminen edellyttää tiivistä yhteistyötä energiayhtiöiden, konesalioperaattoreiden ja vaativien betonirakenteiden suunnitteluun erikoistuneiden asiantuntijoiden välillä.

Konesalin lämmöntuotto ja sen siirtäminen kaukolämpöverkkoon

Lämmön siirtäminen palvelimista kaukolämpöveteen vaatii optimoidun prosessin. Konesalien tuottama hukkalämpö on tyypillisesti matalalämpötilaista, noin 30–45-asteista ilmaa tai nestettä, jota ei voida sellaisenaan hyödyntää perinteisessä kaukolämpöverkossa. Kaukolämpöverkko vaatii sääolosuhteista riippuen 75–115-asteista vettä, jotta lämpö siirtyy tehokkaasti kiinteistöjen käyttöön. Siksi lämmön talteenotossa tarvitaan teollisen kokoluokan lämpöpumppuja, jotka nostavat lämpötilan riittävän korkealle tasolle.

Lämpö siirretään aluksi konesalin jäähdytyskierrosta lämmönvaihtimien avulla erilliseen talteenottokiertoon. Sieltä se johdetaan lämpöpumppulaitokseen, jossa kylmäaineen ja kompressoritekniikan avulla lämpötila nostetaan vastaamaan kaukolämpöverkon vaatimuksia. Järjestelmän taloudellista kannattavuutta mitataan usein lämpökertoimella (COP). Motivan selvitysten mukaan nykyaikaisilla teollisen mittakaavan lämpöpumppujärjestelmillä saavutetaan erittäin korkeat hyötysuhteet. Esimerkiksi yhdellä sähköverkosta otetulla kilowattitunnilla voidaan tuottaa useampi kilowattitunti hyödyllistä kaukolämpöä. Tämä alentaa tuotantokustannuksia ja vähentää sähkön kokonaiskulutusta.

Lämpöpumppulaitosten asettamat vaatimukset rakenteille

Suuret, teollisen mittakaavan lämpöpumput, kompressorit ja massiiviset varaajat asettavat rakenteille poikkeuksellisia vaatimuksia. Koska kyseessä on jatkuvassa mekaanisessa liikkeessä oleva painava laitteisto, perustusrakenteiden suunnittelussa on huomioitava dynaamiset kuormat ja värähtelyt erittäin tarkasti. Väärin suunnitellut rakenteet voivat siirtää värähtelyä muuhun runkoon, mikä puolestaan vaarantaa datakeskuksen herkkien palvelinlaitteiden toiminnan tai aiheuttaa meluhaittoja lähialueelle.

Värähtelyn hallitsemiseksi laiteperustukset toteutetaan yleensä massiivisina betonirakenteina, jotka on akustisesti ja mekaanisesti erotettu muusta rakennuksen rungosta joustavilla saumoilla ja vaimennusmateriaaleilla. Tällöin dynaamiset voimat vaimenevat suoraan maaperään tai perustuksen massaan vaikuttamatta ympäröiviin rakenteisiin. Lisäksi järjestelmän putkistojen, venttiilien ja suurten vesimassojen aiheuttamat staattiset pistekuormat vaativat tarkkaa lujuussuunnittelua. Betonirakenteilta vaaditaan korkeaa halkeilun kestävyyttä ja tiiviyttä, sillä mahdolliset vesivuodot tai kosteusvauriot voivat vaarantaa konesalin sähköturvallisuuden. Esijännitetyt ja jälkijännitetyt betonirakenteet mahdollistavat hoikkien mutta erittäin lujien rakenteiden toteuttamisen. Ne kestävät suuria pistekuormia ilman halkeamariskiä ja tarjoavat muuntojoustavat tilat laitteiston huollolle ja laajentamiselle.

Raskaiden lämpöpumppulaitosten ja varaajien maaperä- ja perustustekniset haasteet

Maaperän kantavuus ja pohjaolosuhteet määrittävät konesalin lämpöpumppulaitoksen ja kuumavesivaraajien perustamistavat. Teollisen mittakaavan lämpöpumppujen ja tuhansia kuutiometrejä vettä sisältävien varaajien eli lämpöakkujen omapaino nousee helposti miljooniin kiloihin. Kun tällainen pistemäinen ja valtava kuormitus kohdistuu maaperään, perustusten suunnittelun on oltava erittäin järeää. Jo muutaman millimetrin epätasainen painuma voi aiheuttaa vakavia vaurioita. Teräksiset putkijärjestelmät ja niiden herkät liitokset joutuvat tällöin alttiiksi suurille vääntömomenteille, mikä kasvattaa putkirikkojen ja vesivuotojen riskiä.

Siksi pohjarakennesuunnittelussa hyödynnetään kolmiulotteista elementtimenetelmää (FEM-laskentaa), jolla simuloidaan maaperän ja betonilaatan välistä vuorovaikutusta. Tarkat laskelmat osoittavat optimaalisen betonilaatan paksuuden ja teräsmäärän. Raudoitusta ei asenneta turhaan liikaa, mikä säästää materiaalikustannuksia ja nopeuttaa työtä työmaalla ilman, että rakenteen lujuudesta tai turvallisuudesta tingitään. Alueilla, joilla maaperä on pehmeää, tukeudutaan yleensä porapaaluihin tai teräsbetonipaaluihin, jotka ulottuvat kantavaan kallioperään saakka.

Lämpöpumppulaitoksen perustusten on myös kyettävä eristämään suurten kompressorien ja pumppujen dynaamiset värähtelyt. Värähtelyneristys toteutetaan yleensä valamalla laiteperustukset erillisinä betonilaattoina, jotka on mekaanisesti erotettu rakennuksen lattiasta ja kantavasta rungosta. Saumat tiivistetään joustavilla elastomeereillä, jolloin värähtely vaimenee perustuksen massaan eikä siirry rakennuksen runkoon. Tämä suojaa datakeskuksen muiden tilojen herkkiä palvelinlaitteita ja ehkäisee runkomelun leviämistä ympäristöön.

Taloudellinen kannattavuus ja päästöjen vähentäminen

Datakeskushankkeen siirtyminen hukkalämmön hyödyntämiseen parantaa konesalin kokonaistaloudellisuutta ja auttaa saavuttamaan ympäristötavoitteet. Energiateollisuus ry:n tilastojen mukaan suomalaisesta kaukolämmöstä jo huomattava osa tuotetaan hiilineutraalisti, ja konesalien poistolämpö näyttelee kehityksessä yhä suurempaa roolia. Kun konesalin sähkönkulutuksesta syntyvä lämpö kerätään talteen ja myydään energiayhtiölle, konesalioperaattori voi kattaa osan sähkökuluistaan takaisin saatavilla lämpötuloilla. Ratkaisu lyhentää investoinnin takaisinmaksuaikaa ja luo vakaan tulovirran pitkäksi aikaa.

Toisaalta energiayhtiölle datakeskus toimii luotettavana ja tasaisena lämmönlähteenä, joka ei ole riippuvainen ulkoilman lämpötilasta samalla tavalla kuin esimerkiksi ilmalämpöpumput. Jatkuva lämmöntuotto helpottaa kaukolämpöverkon peruskuorman hallintaa erityisesti talvikuukausina. Kaupungeissa tällainen teollinen integraatio vaatii usein myös kaupunkirakenteeseen sovitettavaa arkkitehtuuria ja infrasuunnittelua. Siksi on tärkeää, että teollisuusrakennusten ja infrarakenteiden rakennesuunnittelu Helsingissä ja muissa kasvukeskuksissa toteutetaan tiiviissä yhteistyössä kaavoittajien ja teknisten asiantuntijoiden kanssa.

Uusia konesaleja ja lämpöpumppulaitoksia suunniteltaessa elinkaariajattelu on ensiarvoisen tärkeää. Teollisuus- ja infrarakenteet on suunniteltava kestämään vuosikymmenten rasitukset, mutta niiden on oltava myös muuntojoustavia. Laitteistoteknologia kehittyy nopeasti, joten tulevaisuudessa pumppuja tai varaajia saatetaan joutua vaihtamaan suurempiin tai tehokkaampiin. Esijännitetyt ja jälkijännitetyt betonirakenteet tarjoavatkin tässä selkeän edun: niiden avulla voidaan toteuttaa laajoja, pilarittomia tiloja ja hoikkia välipohjia. This helpottaa laitteiden siirtelyä ja huoltoa ilman, että kantavia seinärakenteita tarvitsee purkaa.

Turvallinen ja taloudellinen toteutus vaatii erikoisosaamista

Datakeskuksen ja kaukolämpöverkon yhteensovittaminen on monimutkainen tekninen kokonaisuus, jossa sähkö-, LVI- ja rakennesuunnittelun on toimittava tiiviisti yhteen. Kun raskaat teollisuuslaitteet, suuret vesimassat ja herkät palvelinsaliympäristöt sijoitetaan samaan kiinteistöön tai vierekkäisiin rakennuksiin, rakennesuunnittelun rooli korostuu. Rakenteiden on oltava kestäviä ja värähtelyteknisesti optimoituja. Niiden on myös oltava helppoja ja nopeita rakentaa työmaalla, jotta hanke pysyy aikataulussa ja budjetissa.

Huolellisella betoni- ja jännitetekniikan suunnittelulla voidaan vähentää tarvittavan materiaalin määrää, mikä pienentää rakennusvaiheen hiilijalanjälkeä. Hoikemmat välipohjat ja pidemmät jännevälit antavat enemmän tilaa talotekniikan asennuksille ja huoltotoimenpiteille. Ratkaisu sujuvoittaa työtä ja vähentää asennusvirheiden riskiä työmaalla.

Datakeskuksen hukkalämmön tehokas talteenotto ja hyödyntäminen edellyttää muutakin kuin toimivaa lämpöpumppujärjestelmää. Se vaatii vakaata ja huolellisesti suunniteltua rakennusteknistä pohjaa, joka kestää raskaat dynaamiset ja staattiset kuormat ilman vaurioitumisen riskiä. Kun perustus- ja rakennesuunnittelu tehdään ammattitaitoisesti ja työmaaystävällisesti, säästetään aikaa ja rahaa jo rakennusvaiheessa. Samalla varmistetaan laitoksen häiriötön toiminta koko sen elinkaaren ajan. Laadukas suunnittelu poistaa epävarmuustekijät työmaalta ja luo edellytykset sille, että vihreän siirtymän mukaiset energiaratkaisut saadaan otettua käyttöön luotettavasti ja taloudellisesti fiksusti.