Bilgi İşlem Merkezlerinde İklimlendirme ve Enerji Verimliliği

Bilgi İşlem Merkezlerinde İklimlendirme Ve Enerji Verimliliği

1.   Giriş

    Bilgi işlem merkezleri, kurumların çok değerli bilgilerinin saklandığı mahallerdir. Bu mahallerde çok yüksek düzeyde enerji tüketen bilgisayar sistemleri yer almaktadır. Örneğin tipik bir ofis binasında enerji tüketimi 50-100 W/m² civarında iken, modern bilgi işlem merkezlerinde bu değer 1500-7500 W/m² civarındadır. Bu değerler chiplerin içinde 6000-18000 W/m²’lik yoğunluklara denk gelmektedir. Şekil 1’de bir bilgi işlem merkezi fotoğrafı ve  hava dağılımının prensip şeması görülmektedir.

Şekil 1.  Tipik bir data center görünüşü ve yerleşim şeması.

    Söz konusu cihazlar çok hassastır ve belirli ortam şartlarına ihtiyaç duyarlar. Bu sistemlerin bulundukları mahallere ait soğutma, havalandırma sistemleri, elektrik tesisatı ve yangın tesisatı binanın diğer tesisatlarından daha özeldir. Ayrıca bu sistemlerin binanın diğer sistemlerinden bağımsız biçimde tasarlanmaları tercih edilmelidir. Bilgi işlem merkezlerinin tasarımında TIER standartları kullanılmaktadır. HVAC sistemleri ASHRAE, elektrik tesisatları NEC, yangın tesisatları NFPA standartlarına göre yapılmalıdır. Bilgi işleme merkezi HVAC sistemleri yüksek verimlilik, kolay bakım ve ulaşım, yedekleme, kolay arızalanmama, esneklik gibi özelliklere sahip olmalıdır. Primer enerji tüketiminin azaltılması bağlamında verimli HVAC cihazları seçimi, verimli system konfigürasyonu oluşturulması, free cooling olanaklarından yararlanılması, güneş enerjisinin elektrik elde edilmesi veya soğutmada kullanılması, trijenerasyon sistemleri kullanımı önemli alternatifler durumundadır. Bunlardan hangisinin ne oranda kullanılabileceği sistemin yapısı, enerji tüketimi, bulunduğu iklim bölgesinin özelliklerine bağlıdır.

Yukarıda belirtildiği üzere bilgi işlem merkezleri çok fazla elektrik tüketirler. Örneğin ABD’de bu tesislerde kullanılan elektrik enerjisi miktarı, ülkenin toplam tüketiminin %1,5’u mertebesinde olup, bu değer 61 milyar kWh/yıl’a denk gelmektedir. Türkiye’nin 2010 yılı toplam elektrik tüketiminin 200 milyar kWh olduğu dikkate alınırsa, bunun Türkiye’nin elektrik tüketiminin %30’u civarına denk geldiği anlaşılır.

2.     Terimler ve Kısaltmalar

ASHRAE:  American Society Of Heating And Regrigeration And Air Conditioning Engieers

NEC: National Electric Community.

IT: Bilgi İşlem Teknolojileri

HVAC: Bilgi işlem merkezi klima  sistemi (klima santarlı, paket soğutma ve nemlendirme üniteleri vb.).

Bilgi İşlerm Sistemleri: Server, chip vb.

Bilgi İşlem Merkezleri: Data Center.

Raf sistemleri: Rack.

CRAC- Computer Room Air Conditioners: Bilgi İşlem Merkezi Klima Sistemleri.

CFD- Computational Fluid Dynamics: Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği.

TIER: Bilgi işlem sistemleri tasarım standartları.

Free cooling: Serbest soğutma.

Trijenerasyon: Kojenerasyon cihazı ve absorbsiyonlu chiller ile birleşik elektrik ve soğutma enerjisi üretimi.

Primer enerji: Fosil tabanlı enerji tüketimi. Örneğin şebekeden alınan elektrik enerjisi, doğal gaz, motorin vb.

NFPA: National Fire Protection Association.

PUE: Power Usage Effectivenes- Enerji kullanım etkinliği.

DCI: Data Center Insfrastructure  Efficiency- Bilgi İşlem sistem verimliliği (1/PUE).

CDD: Cooling Degree Day- Soğutma gün sayısı.

3.   İç Çevre Koşulları

    Bilgi işlem merkezleri sıcaklık, nem, toz gibi yönlerden uygun iç çevre koşullarına ihtiyaç duymaktadır. Tablo 1’de, ASHRAE tarafından önerilen şartlar verilmiştir (2004 değerleri değişimleri görebilmek için verilmiştir).

   Tablo 1. ASHRAE 2004 ve 2008 data center iç mahal tasarım koşulları.    

    Öte yandan ASHRAE 62.1-2007 Tablo 6-1’de bilgi işlem merkezleri için minimum havalandırma miktarı 0,3 l/./m²+3,5 l/s.kişi olarak verilmesi öngörülmektedir. Dolayısıyla yukarıdaki Tablo 1 ile bu değerlerin birlikte sağlanması gerekmektedir. İstenilen bu şartların sağlanabilmesi için HVAC sistemi tarafından soğutulmuş, nemlendirilmiş veya filtrelenmiş hava Şekil 1’de görüldüğü üzere genellikle yükseltilmiş döşemeye yerleştirilmiş menfezlerden mahale verilir. Aşağıdaki CFD analizlerinde de görüldüğü üzere bu hava bilgi işlem cihazlarından yayılan ısıyı alarak HVAC sistemine dönmekte, bir kısmı egzos edilip yerine bir miktar dış hava alınarak çevrim devam etmektedir.

    Bilgi işlem mahallinde havanın uygun biçimde dağıtılması ile bilgi işlem sistemlerinin enerji verimli biçimde soğutulması çok önemlidir. Sıcaklık, hız ve basınç dağılımları, ölü bölgeler, resirkülasyonlar, baypaslar da bu anlamda etkili olmaktadır. Yeni tasarlanan veya mevcut  bilgi işlem merkezlerinde hava dağılımları CFD programları ile analiz edilebilmektedir.

Şekil 2’de bir data center için tarafımızca yapılan bir CFD analizinin sonuçları görülmektedir.

      Şekil 2a. Zemin seviyesi z=0 olmak üzere,         Şekil 2b. Zemin seviyesi z=0 olmak üzere,

        Z= 1.0 m yukarıda sıcaklık dağılımı.                  Z= 1.5 m yukarıda sıcaklık dağılımı

Şekil 2a’da soğuk koridorlarda daha iyi dağılım olmak üzere Z=1 seviyelerine kadar sıcaklık dağılımlarının homojen ve ASHRAE tarafından verilen limitlerde olduğu görülmektedir. Şekil 2b’de görüldüğü üzere ise Z=1,5 seviyelerine doğru sıcak koridorun kenarlarında sıcaklıklar, limitin üstüne çıkmaya başlamaktadır.

    Şekil 2c. Zemin seviyesi z=0 olmak üzere,          Şekil 2d. Zemin seviyesi z=0 olmak üzere,

         Z= 2.0 m yukarıda sıcaklık dağılımı                   Z= 2.5 m yukarıda sıcaklık dağılımı

    Şekil 2c’de Z=2,0 seviyelerinde sıcaklıkların üst limiti aştığı bölgelerin genişlediği, Şekil 2d’de ise Z=2,5 istenilmeyen sıcaklıkların iyice yaygınlaştığı görülmektedir. Buradan, hava yüksek verimli sistemlerle soğutulmuş olsa bile, mahal içindeki dağılımlar uygun değilse enerjinin bir bölümünün boşa gittiği söylenebilir. Şekil 3’de sıcaklık dağılımının yanında hız vektörleri de görülmektedir. Bu vektörler havanın mahaldeki hareketini gösterir. Bu örnekte olduğu üzere, problem görülmesi halinde menfezlerin ebat ve yerleşimlerinin değiştirilmesi, menfez çıkış hızlarının ayarlanması, gerekirse sirkülasyonları engelleyici bölmeler konularak yeninden inceleme yapılması ile hava ve sıcaklık dağılımları optimize edilebilir. Bu şekilde gerek yeni tasarımda ve gerekse mevcut sistemlerde deneme-yanılmanın azaltılması sağlanabilir.

Şekil 3a. Zemin seviyesi z=0 olmak üzere,            Şekil 3b. Zemin seviyesi z=0 olmak üzere,

Z= 1.5 m’de sıcaklık dağ. ve hız vektörleri.          Z= 1.5 m’de sıcaklık dağ. ve hız vektörleri. 

                              Şekil 3c. Mahal içinde havanın izlediği yollar.                            

    Görüldüğü üzere hava ortama düşük sıcaklıklarda verilse bile, eğer ortamdaki bilgi işlem cihazlarının ve menfezlerin yerleşimleri, hava çıkış hızları uygun değilse (havanın bilgi işlem cihazlarına homojen biçimde girememesi, resirkülasyonlar vb.nedeniyle) mahal sıcaklıkları Tablo 1’de verilen limitlerin üstüne çıkabilmektedir. Bu durumlarda hem gereksiz yere enerji harcanmakta hem de yeterli soğutma sağlanamamaktadır. Diğer yandan AB ve ABD’de yapılan ölçümlerde ve CFD analizlerinde benzer durumlar tespit edilmiştir. Bu gibi durumlar verimin düşmesine, sıcaklığın 27ºC’yi geçmesine ve arızalara sebep olabilmektedir. Bu tür sorunlarla karşılaşılan yerlerde çözüm olarak genellikle ilave soğutucu konulmaktadır. Halbuki bundan önce mahal içinde sıcaklık ve hız dağılımları ölçülüp, gerekiyorsa CFD analizleri yapılarak havanın sistemlere gerektiği biçimde dağıldığından emin olunmalıdır.

4. Klima Cihazı (CRAC) ve Sistem Seçimi

    Bu cihaz bir klima santralı veya direk ekspansiyonlu paket tip klima cihazı olabilir. Bu cihaza dışarıdan taze hava sağlanabilir ve içerideki havanın bir bölümü egzos edilebilir. Cihazın soğutma kapasitesi toplam yükleri karşılayacak şekilde seçilmelidir. Cihaz ve mahaldeki dağılım yedeklemeyi sağlayacak biçimde düzenlenir. Cihaza soğuk su bir buhar sıkıştırmalı chillerden (kendisi chillerin iç ünitesi de olabilir) veya bir trijenerasyon sisteminin parçası olan (veya güneş enerjisi ya da atık ısı ile beslenen) bir absorbsiyonlu chillerden sağlanabilir. Ayrıca sistemde enerji verimliliğini artırmak için ısı geri kazanım ve free cooling gibi olanaklardan da yararlanılmalıdır. Soğutma sistemi bina soğutma sisteminden bağımsız olmalıdır (yedekleme amacıyla bina sisteminden de besleme düşünülebilir). Soğutma sisteminin kapasite ve verimliliği giriş havası sıcaklığının düşürülmesiyle artar. Soğutulmuş su ya da soğutkan boru tesisatının tasarımı ve kurulumu ile çalışma sıcaklıklarının seçimi, hizmet verilen sistemin gereklerini karşılarken, kaçak olasılığını ve yoğuşmayı en aza indirecek biçimde yapılmalıdır. Su soğutmalı bilgisayar ekipmanına hizmet veren soğutulmuş su sistemleri; (a) üreticinin tolerans sınırları içerisindeki sıcaklıklarda su sağlamalıdır. (b) yıl boyu günde 24 saat çalışabilmelidir. Şekil 5’de tipik bir soğutma sistemi görülmektedir.

Şekil 5. Tipik bir soğutma sistemi şeması.

5. Termoekonomik Analiz

ABD’de yapılan çalışmalarda database olarak bilgi işlem merkezlerinin termoekonomik analizi yapılmıştır. Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar Tablo 3’da özetlenmiştir.

Tablo 3. Database olarak merkezlerin  termoekonomik analizi.

6. Enerji Verimliliği

Veri merkezi enerji verimliliğinin belirlenmesine ve sınıflandırılmasında kullanılan metrikler; “Power Usage Effectiveness (PUE) “ve “Data Center Infrastructure Efficiency (DCiE)” olup, bunlar aşağıdaki gibi ifade edilir.

Ortalama PUE değerleri Tablo 4’te görülmektedir. 

  Tablo 4  Ortalama PUE değerleri.

   RFA: Yükseltilmiş döşeme alanı.

    Görüldüğü üzere bilgi işlem merkezinde tüketilen enerjinin yarıdan fazlası IT cihazları dışındaki HVAC ve aydınlatma cihazlarından kaynaklanmakta olup bu cihazların PUE değerleri 0,44 ile 2,0 arasında değişmektedir (tablolarda bu değerler gösterilmemiştir). Bu durum HVAC sistemlerinin verimli biçimde tasarımının ve eski sistemlerin yenilenmesinin önemini göstermektedir. Örneğin ABD’de çoğu mevcut veri işleme merkezlerinde yapılan ölçümler ve hesaplamalar PUE değerlerinin 5’e kadar çıktığını göstermiştir. Bunun kolayca 2,7’nin altına (yarıya yakın) düşürülebileceği belirtilmektedir. Türkiye’de bu gibi çalışmalar bulunmamasına karşın, durumun daha iyi olmadığı söylenebilir. Bunun anlamı, 10 yıldan eski tesislerde enerji tüketiminin en az yarı yarıya düşürülebileceğidir.

Bilgi işlem merkezlerinin enerji tüketimini etkileyen en önemli parametrelerden birisi de dış iklim koşullarıdır. Buradaki parametre “Cooling Degree Days –CDD”’dir. Soğuk iklimlerde daha az CDD söz konusu olup free cooling olanaklarından önemli ölçüde yararlanılabilir ve böylece PUE değeri düşer. Sıcak iklimlerde soğutma sistemi tam kapasitelerde ve yüksek CDD değerlerinde çalışır. Böyle yerlerde free cooling, frekans invertörlü pompa, ekonomizerler kullanımının fazla bir yararı olmayabilir. Akdeniz Bölgesi gibi sıcak iklimlerde yüksek soğutma yoğunluklarında kullanılabilecek alternatiflerden birisi güneş destekli absorbsiyonlu soğutma sistemleridir. Burada güneş enerjisi sisteminin örneği bir kazan ve ısıl depolama ile yedeklenmesi gerekir. Sistem seçiminde ekonomik ve güvenlik analizleri ile karar verilmelidir.

    Diğer yandan enerji maliyetlerinin artması, sürdürülebilir tasarımı gündeme getirmiştir. Bu bağlamda su tarafında, dış hava sıcaklığı uygun olduğunda, soğutma grubu devre dışı bırakılarak ve su doğrudan kuleden sirküle ettirilerek free cooling yapılabilir. Su tarafında yüksek COP değerine sahip soğutma grubu kullanımı, kule fanlarının yüksek verimli olması (değişken kanatlı, değişken devirli vb.), kireçlenmenin ve kirlenmenin önlenmesi, frekans invertörlü pompalar, yüksek verimli plakalı eşanjörler kullanımı, otomasyon sistemleri enerji verimliliğini artıran sistemlerdir. Gece soğuğundan yararlanarak soğutma grubunun COP değerini yükseltmek ve gece tariflerinden yararlanmak için yerine göre buz veya soğuk su depolaması düşünülmelidir.

    Enerji verimliliğinin artırılabilmesi için tasarımın erken safhalarında enerji modellemesi yapılması ve enerji tüketimlerinin doğru biçimde belirlenmesi gerekir. Enerji modellemesi ve CFD analizleri, inşa edilmemiş bir sistemin enerji tüketimi profilinin belirlenmesi amacıyla kullanılır. Bu çerçevede projenin yeri, dış iklim şartları, bina kabuğu (veya merkez kabuğu), kullanım program (schedule) iç ısı kazançları, hava hareketleri, menfezler ve bina sistemleri incelenmelidir. Enerji modellerinde su ve tarafı ekonomizer, nemlendirme, güneş radyasyonu vb. dikkate alınmalıdır. Bu bağlamda buharlı (elektrotlu), gazlı, elekrik rezistanslı, ultrasonik ve yüksek basınçlı atomizasyon nemlendiriciler kullanılabilir. Son iki yöntem diğerlerine nazaran 15-30 kat daha az enerji tüketir.

Kaynaklar

[1] ASHRAE 2009, “Best Practices For Datacom Facility Energy Efficiency”.

[2] Çakmanus, İ., 2000, “Elektronik Sistemlerin Soğutulması: Duvarlarında Isı Yayan Bloklar Bulunan Kanallarda Akış Ve Isı Transferinin Sayısal Ve Deneysel Olarak İncelenmesi”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara.

[3] ASHRAE “Sistemler ve Ekipmanlar El Kitabı”, Bölüm 17 (Veri İşlemleme Ve Elektronik Büro Mahalleri) TTMD Yayınları, 2006.

[4] Stahl, L., 2010, “System Architectures and Fluids for High Heat Density Cooling Solutions”, ASHRAE Winter Conference.

[5] Cho, J., Jeong C, Kim, S., 2007, “Evaluation Of Aisle Partition System’s Thermal Performance in Large Data Centers For Superior Cooling Efficiency”, REHVA 9. Clima Conference, Helsinki.

[6] Lui, Y., 2010, “Waterside And Airside Economizers Design Considerations For Data Center Facilities”, ASHRAE Winter Conference.

[7] Salim, M., 2010, “Data Centers Energy Auditing And Benchnarking-Progress Update”, ASHRAE Winter Conference.

[8] Hellmer, B., 2010, “Consumption Analysis Of Telco And Data Center Cooling nd Humidification Option”, ASHRAE Winter Conference.

[9] Anderson, J. D. Jr. 1995. Computationnal Fluid Dynamics: The Basics with Applications, Mc. Graw-Hill inc., New York, USA.