2010 yılından bu yana, dünya çapında internet kullanıcılarının sayısı iki katına çıkarken, küresel internet trafiği 12 kat veya yılda yüzde 30 artmıştır. Veri ve dijital hizmetlere olan talebin artmasıyla birlikte küresel internet trafiğinin 2022 yılına kadar ikiye katlanarak 4.2 zettabayta (4.2 trilyon gigabayt) çıkması bekleniyor. IP trafiğinin çoğu veri merkezlerinden geçer. Bu nedenle veri merkezleri ve dolayısıyla elektrik enerjisi kullanımı artmaktadır. Uluslararası Enerji Ajansı tarafından 2019’da yayınlanan Veri Merkezleri ve Veri İletim Ağları raporunda, 2019’da küresel ölçekte, veri merkezlerinin güç tüketimi yaklaşık 200 terawatt-saat olup dünyada tüketilen toplam elektrik enerjisinin yaklaşık yüzde 0.8’i kadardır.

Veri merkezlerindeki en büyük güç talebi soğutma yüklerinden kaynaklanıyor. Bu oran yaklaşık, veri merkezlerinde tüketilen enerjinin yarısından fazlasına karşılık geliyor. Tüm bunlar göz önünde bulundurulduğunda veri merkezleri için en verimli ve en az kayıpla çalışan tasarımlar en makul çözüm yaklaşımı olacaktır.

Bu sebeple, veri merkezlerinde sürdürülebilirlik noktasında soğutma sistemlerinin enerji tüketimlerini azaltabilmek için hava akışları incelenmelidir. Teoride planlananlar uygulamaya geçilmeden önce gerçekten teoride planlandığı gibi mi olacak sorusuna cevap verebilecek şekilde içerideki hava akışı irdelenmelidir. Hava akışı yönetiminde karşılaşılacak başlıca sorunlar şunlar olabilir:

• Sıcak havanın yeniden dolaşıma girmesi
• Soğuk havanın baypas olması
• Hava kaçakları
• Fazla veya yetersiz olan hava beslemeleri
• Hava akışı ve sıcaklığın homojen olmaması

Veri merkezlerinde genellikle iki tip soğutma sistemi kullanılır. Bunlar; uzun mesafeli ve kısa mesafeli soğutma sistemleridir. Şekil 1’de uzun mesafeli soğutma sistemlerinin ve Şekil 2’de ise kısa mesafeli soğutma sistemlerinin örnek şematiği verilmiştir.

Bu yazıda veri merkezleri için örnek bir vaka analizi yapılmıştır. Vaka analizinde kullanılan veri merkezi odası ve yerleşim düzeni Şekil 3’te gösterilmiştir.

Veri merkezlerindeki hava akışı yönetiminde incelenecek birçok parametre vardır. Bunlar; koridor muhafazası, sızıntıların etkisi, iklimlendirme cihazlarının konumu, ızgaraların hava geçirme oranları vb.

Veri merkezi odası için yapılan vaka analizlerinde iki parametre ele alınmıştır. Bunlar, yükseltilmiş döşemenin yüksekliği ve odanın tavan yüksekliğidir.

Başka bir ifadeyle, yeni bir veri merkezi odası yapılacak. Bu odanın soğutma tasarım kriterleri, cihazların konumları, ızgaraların hava geçirim oranları gibi birçok şey belirlenmiş ancak bu oda için en iyi soğutma performasını sağlayabilecek yükseltilmiş döşemenin ve odanın tavan yükseklikleri bilinmemektedir.

Vaka analiz çalışmasında, veri merkezleri için soğutma açısından en iyi performans gösteren yükseltilmiş döşeme ve tavan yükseklikleri belirlenmiştir. Bunun için öncelikli olarak yükseltilmiş döşemenin yüksekliği tespit edilmiştir. Bu bağlamda 5 farklı yüksekliğe sahip 5 adet senaryo oluşturulmuştur. Bu senaryolardan en iyi performans gösteren yükseklik, odanın tavan yüksekliğini belirlemek için kullanılmıştır. En iyi performans gösteren yükseltilmiş döşeme yüksekliği ile 8 farklı yüksekliğe sahip tavan yüksekliği planlanmıştır. Vaka analiz çalışmalarında irdelenen bu senaryolar ve içerikleri Şekil 4’te yer alan görselde açıklanmıştır.

Şekil 4’ten de anlaşılacağı üzere, yükseltilmiş döşeme yüksekliğinin belirlenmesi için oluşturulan senaryolarda, odanın yüksekliği 3.6m olarak sabittir. Yani, döşeme yüksekliği arttıkça rack kabinetlerin üst kısmı ile tavan arasındaki boşluk daralacaktır. Döşeme yükseklikleri 240 mm’lik aralıklarla arttırılarak 5 senaryo oluşturulmuştur. Tavan yüksekliğinin belirlenmesi için oluşturulan senaryolarda, döşeme yüksekliği 1080 mm olup sabittir ve tavan yüksekliği 240 mm’lik aralıklarla arttırılarak 8 senaryo oluşturulmuştur.

Vaka analiz çalışmalarında Şekil 3’ten de anlaşılacağı üzere uzun mesafeli soğutma sistemi tercih edilmiştir. Veri merkezinin soğutulmasında, her biri 100 kW soğutma yüküne, 8.36 m³/s üfleme hızına ve 18 °C üfleme sıcaklığına sahip iki iklimlendirme cihazı kullanılmıştır. Bu cihazlar, döşeme zeminine paralel menfezden içeri soğuk hava üflemektedir ve tavana paralel menfezden emiş yapmaktadır. Yükseltilmiş döşemenin içerisi tamamen boş olarak modellenmiştir. Elbette gerçek analizlerde kablo ve diğer aparatların yoğunluğuna bağlı bu hacim içinde yaklaşık basınç kayıp eğrileri oluşturulur. Yükseltilmiş döşeme içerisinde bulunabilecek kablo hatları gibi oda bileşenleri ve oda içerisindeki sızıntılar ihmal edilmiştir.

Oda içerisinde 4 adet rack kabinet sırası vardır. Her sırada 10 adet  kabinet yer alır. Şekil 3’te yer alan isimlendirmeye göre, A ve C sıralarındaki her bir rack kabinet 5 kW, B ve D sıralarındakiler ise 3 kW ısı yüküne sahiptir. Her bir kabinetin önündeki zeminde olacak şekilde oda içerisinde toplam 40 adet %25 hava geçirimli ızgaralar mevcuttur.

Veri merkezi odasındaki sıcak ve soğuk koridor kurgusu yapılarak koridorlara herhangi bir muhafaza uygulanmamıştır. Rack kabinetlerin ve iklimlendirme cihazlarının yükseklikleri 2m’dir.

Oluşturulan senaryolar, bu koşullar altında CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir. Yükseltilmiş döşeme yüksekliği için yapılan analizlerin sonuçları Şekil 6’da ve tavan yüksekliği için yapılan analizlerin sonuçları Şekil 7’de verilmiştir.

Analiz sonuçları, ASHRAE standartlarına göre değerlendirilmiştir. Şekil 5’te gösterildiği gibi rack kabinetlerin ortasından alınan dikey bir kesitte sıcaklık dağılımları incelenmiştir. Performans değerlendirmesinde, soğuk olarak kurgulanan koridorlardaki havanın rack kabinetlere giriş sıcaklığı kullanılmıştır. Rack kabinetlere giren havanın sıcaklığı, ASHRAE standartlarına göre maksimum 27 °C olmalıdır.

Yükseltmiş döşeme yüksekliklerinden en iyi performans gösteren senaryo 04 yani 1080 mm yüksekliği olmuştur. Buradaki etkin parametre %25 hava geçirimli ızgaralardan geçen havanın homojenliğidir. Döşeme yüksekliği arttıkça, döşeme altındaki alanda akış akım yönünde basınç farkını korumuştur ve ızgaralardan daha düzgün hava akışı sağlanmıştır. Ancak, oda yüksekliğinin sabit olması nedeniyle döşeme yüksekliği arttıkça, rack kabinetlerin üst kısmıyla tavan arasındaki mesafe daralmıştır. Bu mesafe azaldıkça, tavan yüksekliğinin etkisi devreye girmiştir. Rack kabinetlerin üst kısmıyla tavan arasındaki boşluğun azalması, odadaki sıcak havanın serbest hareketini kısıtlar. Böylelikle soğuk-sıcak hava akımlarının yoğun bir şekilde karışmasına ve sıcaklıklarda artışa neden olur. Elbette bu durum farklı mimari yaklaşımlarla (asma tavan, farklı kapamalar vb.) giderilebilir fakat amaç tek değişkenle sistemi irdelemektir.

Tavan yüksekliklerinden en iyi performans gösteren senaryo 03 yani 2720 mm yüksekliği olmuştur. Tavan yüksekliği arttıkça koridorlardaki soğutma performansı yükselmiştir ve en iyi hali senaryo 03’de gözlemlenmiştir. Ancak bu senaryodan sonra tavan yüksekliği arttıkça koridorlardaki soğutma performansı düşmeye başlamıştır ve sonrasında sabit bir dağılıma erişip çok fazla değişmemiştir. Bunda da sıcak hava sirkülasyonlarının artması etkili olmuştur.

Veri merkezi için yapılan vaka analiz çalışmaları sonucunda en iyi performans gösteren yükseltilmiş döşeme yüksekliği ile tavan yüksekliği belirlenmiştir. Bu yüksekliklerle ve kabul edilen koşullarla birlikte oda içerisindeki hava dağılımının en iyilemesi yapılarak termal performans üzerindeki etkileri incelenmiştir. Böylece her tasarımın basit bir yaklaşımla da olsa ilk aşamada kritize edilmesinin önemi ortaya çıkmaktadır. Veri merkezlerini farklı değişkenlerle irdelediğimiz bir sonraki yazımızda görüşmek üzere.

Kaynakça

• A review on airflow management in data centers (Wen-Xiao Chu, Chi-Chuan Wang)
• A Comparison of Parametric and Multivariable Optimization Techniques in a Raised-Floor Data Center (Srinarayana Nagarathinam, Babak Fakhim, Masud Behnia, Steve Armfield)
• Optimization of Data Center Room Layout to Minimize Rack Inlet Air Temperature (Siddharth Bhopte, Dereje Agonafer, Roger Schmidt, Bahgat Sammakia)
• Comprehensive study on the effects of plenum depths on air flow and thermal managements in data centers (S.A. Nada, M.A. Said)
• Airflow and Cooling in a Data Center (Suhas V. Patankar)
• Comparison Between Numerical and Experimental Results of Airflow Distribution in Diffuser Based Data Center (Qifei Jian, Qiaoli Wang, Haoting Wang, Zheng Zuo)
• Airflow distribution through perforated tiles in raised-floor data centers (Kailash C. Karki, Suhas V. Patankar)