Özet
Telekomünikasyon kurumları, üniversiteler, araştırma kurumları, bankalar ve büyük şirketlere ait ana bilgisayar sistemlerinin bulunduğu server veri işleme merkezlerinde (data center) raflarda (rack) muhafaza edilmektedir. Bu cihazlar yüksek düzeyde ısı yararken, verimli biçimde çalışabilmeleri için sabit iç çevre koşullarına ihtiyaç gösterirler. Bu çalışmada yüksek yoğunlukta ısı yayan ve tüm dünyada giderek yaygınlaşan data center’ların mekanik tesisat sistemlerinin (HVAC) tasarımı ve enerji verimliliği incelenmiştir.

1. Giriş
Günümüzde data centerlar birçok kurumun değerli bilgilerinin saklandığı mahallerdir. Bu mahaller, çok önemli olmalarının yanında çok yüksek düzeyde enerji tüketirler. Örneğin tipik bir ofis binasında enerji tüketimi 50-100 W/m2 civarında iken, modern data centerlarda bu değer 1500 - 7500 W/m2lerdedir. Bu ise serverlerde (chipler) 6000-18000 W/m2 enerji yoğunluklarına karşılık gelmektedir. Bu mahallere ait mekanik tesisat (HVAC), elektrik tesisatı ve yangın tesisatı binanın diğer tesisatlarından bağımsız biçimde tasarlanır. Bu merkezlerdeki HVAC sistemleri ASHRAE, elektrik tesisatları NEC, yangın tesisatları NFPA standartlarına göre yapılır. Data center sistemleri yüksek verimlilik, kolay bakım ve ulaşım, yedekleme, kolay arızalanmama, esneklik gibi özelliklere ihtiyaç gösterir.
Data centerlar, genel kanının aksine çok fazla elektrik tüketmektedir. Örneğin ABD’de bu tesislerde kullanılan elektrik, toplam tüketimin yüzde 1,5’u mertebesindedir. Bu değer 61 milyar kWh/yıl’a denk gelmektedir. Türkiye’nin 2010 yılı toplam elektrik tüketiminin 200 milyar kWh olduğu dikkate alınırsa, bunun büyüklüğü daha iyi anlaşılır. Öte yandan ABD’de 2000-2005 yılları arasında bu sistemlerde kullanılan elektrik ikiye katlanmıştır ve 2011 yılında tekrar ikiye katlanması beklenmektedir.
Türkiye’de ise bu sistemlerin ilk örnekleri 1990’ların başlarında yapılan Merkez Bankası’na ait bilgi işlem, para makineleri, Reuters cihazları, banknot matbaası mahalleri (bunların bir kısmının yapımında katkı sağlamıştık) ile Borsa bilgi işlem sistemi ve bazı üniversitelerin sistemleridir. Daha sonra telekomünikasyon şirketleri, bankalar vb. bu tür merkezler kurmuşlardır. Günümüzde ise özel internet servis sağlayıcı şirketlere kadar birçok kurumun sistemleri bulunmaktadır. Ancak bu sistemlerin enerji verimliliği ve standartlara uygun tasarım yönünden yeterince analiz edilerek kurulduğu söylenemez.
İşletmeye açıldıktan sonra enerji tüketimi, yedekleme, homojen iç mekan koşullarının sağlanması gibi konularda geri döndürülmesi zor problemlerle karşılaşılabilmektedir. IT teknolojileri birkaç yılda bir tümüyle gelişerek değişmekte, kompaktlık ve ısı yayınım yoğunlukları artmaktadır. HVAC sistemleri 15 yıl civarında teknolojik ömürlerini doldurmaktadır. Bu bağlamda, Türkiye’deki 10 yıldan daha eski bu gibi tesislerin enerji verimliliği yönünden incelenmesi çok yararlı olacaktır.

2. İç Çevre Koşulları
Tablo 1’de ASHRAE tarafından 2004 ve 2008’de önerilen data center iç mahal koşulları verilmiştir.

3. Tasarım ile İlgili Stratejiler
ASHRAE “Datacom Equipment Power Trends And Cooling Applications 2010”da, bu merkezlerde raf başına 15-48 kW ısı yayınımı olduğu belirtilmektedir. Bunun anlamı, küçük alanlara çok sayıda server yerleştirildiği ve yüksek ısı yoğunlukları oluştuğudur. Bu durum sistemlerin kompaktlaşmasına, daha fazla soğutma enerjisine ve nemlendirmeye ihtiyaç duymaktadır. Küçük hacimlerde verimli yüksek soğutma sağlanması gerekir.

3.1. Data Center’ın Çevreden Yalıtılması
Data center’lar normal bir bina gibi tasarlanamazlar. Bu çerçevede data center’ın dış ortam (atmosfer veya bina içinde herhangi bir mahal) ile ısı transferini engelleyecek şekilde duvar dışından ısı ve nem yalıtımı yapılmalıdır. İçten yapılmamasının nedeni, soğutma enerjisinin kesilmesi halinde bir miktar ısıl kütle oluşturularak sıcaklığın limit değerin üstüne çıkma süresini uzatmaktır. Ayrıca hava kaçakları önlenmeli, kapılar sızdırmaz olmalı ve mümkün olduğunca kapalı tutulmalıdır.

3.2. Hava Hareketleri
Data center, öncelikle ısı, nem transferi ve hava kaçakları yönlerinden yalıtılmalıdır. Bundan sonraki adım, ortamda homojen ve verimli bir hava dağılımı ve sirkülasyonu sağlanmasıdır. Serverlerin yerleştirildiği rafların (rack) düzenlemesi, CRAC (Compter Room Air Condtioner) yerleşimi ve kablo düzenlemeleri vb. mahal içindeki hava dağılımını etkileyecektir.
Raf (rack) düzenlemesi: Günümüzde data center’lar soğuk koridor, sıcak koridor şeklinde düzenlenmektedir. Burada CRAC’tan çıkan soğuk hava, soğuk koridordan rafların içindeki serverlerin üzerinden geçerek, ısıyı alıp arka taraftaki sıcak koridora geçer ve buradan CRAC fanı ile emilerek soğutulduktan sonra tekrar mahale verilir. Dönüş havası chipler üzerindeki ısıyı alarak ne kadar ısınırsa CRAC verimliliği o kadar yüksek olur. Yükseltilmiş döşemeden çıkan  soğuk hava, döşemeye yakın olan serverları (alt kısımlar) daha iyi soğuturken, rafların üstlerine doğru hava sirkülasyonu ve soğutma etkinliği azalır.
Panel ve rafların ayrılması: Verimli bir soğuk/sıcak koridor uygulaması için soğuk hava ile sıcak havanın birbirine karışmaması gerekir. Bunun için soğuk hava, sıcak koridordan tamamıyla izole edilmiş olan soğuk koridorun altındaki yükseltilmiş döşemeden verilir. Ayrıca raflar içinde boş yer varsa (yedekleme amacıyla) buralar panellerle kapatılır.
Yükseltilmiş döşemenin yalıtılması: Data center’larda döşeme yükseklikleri tipik olarak 30 cm-60 cm civarındadır. Soğuk havanın kontrolsüz biçimde kaçmaması için döşeme altı ve kablo geçişleri yalıtılmalıdır.  
CRAC yerleşimi: Soğuk/sıcak koridor uygulamalarında CRAC’lar soğuk koridora dik yerleştirilmelidir. Böylece sıcak hava yolu kısaltılmış ve soğuk hava ile karışma ihtimali minimize edilmiş olur. Eğer bu biçimde yerleştirme imkanı yoksa asma tavan gerisi bu amaca uygun biçimde düzenlenmelidir.
Kablo düzenlemeleri: Data center’lardaki server sayılarının artması (kompaktlaşma) sonucu kablolama yönetimi önemli hale gelmiştir. Eğer kablolar uygun biçimde döşenmezse hava hareketlerine engel olabilir. (Mahal içinde olabilecek kolon, kiriş gibi yapı elemanları da benzer bir etkiye sahiptir).

3.3. Soğutucu Akışkan
Soğutucu akışkan kullanımı ile yüksek soğutma yoğunlukları elde edilebilir. Data center’lar yaz-kış çalıştığı için su tarafında donmaya karşı antifiriz konulmalıdır. Burada soğutma sistemi, bina soğutma sisteminden bağımsız olmalıdır (yedekleme amacıyla bina sisteminden de besleme düşünülebilir). Soğutma sisteminin kapasite ve verimi giriş havası sıcaklığının düşürülmesiyle artacaktır.
Bu sıvılara ait daha geniş bilgi literatürden alınabilir.

3.4. Data Center Mimarisi
Yukarıda belirtildiği üzere data center’lar açık, kapalı veya yarı açık şeklinde düzenlenir. Kapalı veya yarı açık mimariler soğuk ve sıcak koridorları birbirinden ayırarak soğutma etkinliğini artırır (mümkün olan her yerde kullanılması faydalıdır). Kapalı mimaride soğuk ve sıcak koridorlar tamamen birbirinden ayrılır, soğutma cihazı (örneğin eşanjör) raf içine yerleştirilir (server ve soğutucu aynı kabindedir). Bunun dezavantajı soğutma enerjisi kesilmelerinde ortam sıcaklığının 60 saniye gibi kısa bir sürede limit değerin üstüne çıkması ve bakım zorluğudur. Bunlar yüksek ısı yayınımı durumlarında soğutma verimliliği yüksek yöntemlerdir. Açık mimaride soğuk ve sıcak havanın karışma ihtimali olduğu için soğutma verimliliğinin artırılması zordur. Açık mimari tüm mahal havasını kullanır. Mekan duvarlarının termal depolama olarak kullanılarak soğutmanın kesilmesi durumunda, mahal sıcaklığının limitlerin üzerine çıkmasını 15 dakikaya kadar geciktirir (tek avantajı budur). Ancak soğutma sistemi güvenilir ikinci bir kaynaktan besleniyor ise bu durum çok önemli bir avantaj değildir.

3.5. Soğutucu Akışkan
Data center’lar için en iyi soğutma sistemi seçimi kolay olmayıp, Tablo 4 bu anlamda yardımcı olabilir.

4. Computational Fluid Daynamics (CFD) Analizi
Data center HVAC tasarımı ve enerji verimliliğinin incelenip sağlanmasında vazgeçilmez araçlardan bir tanesi CFD analizidir. Burada mahal içinde havanın sıcaklık, hız ve basınç dağılımları, ölü bölgeler, resirkülasyonlar, bypaslar vb. bu teknik ile analiz edilebilmektedir.

5. Enerji Verimliliği
Yukarıda, data center’ların yüksek yoğunluklarda enerji tükettikleri belirtilmişti. Bu nedenle gerek yeni tasarlanacak tesislerde gerekse mevcut tesislerde günün teknolojik olanakları dikkate alınarak enerji verimlilikleri artırılmalıdır. Data center enerji verimliliğinin belirlenmesinde ve sınıflandırılmasında kullanılan metrikler; “Power Usage Effectiveness (PUE)“ ve “Data Center Infrastructure Efficiency (DCiE)” olup bunlar aşağıdaki gibi ifade edilmektedir.

Ortalama PUE değerleri Tablo 5’te görülmektedir.  
Görüldüğü üzere bir data center’da tüketilen enerjinin yarıdan fazlası IT cihazları dışındaki HVAC ve aydınlatma gibi yüklerden oluşmaktadır. Enerji verimliliğine bağlı olarak soğutma sistemlerinin PUE değerleri 0,44-2 arasında değişmektedir. Bu durum sistemlerin doğru ve verimli biçimde tasarımını, eski sistemlerin yenilenmesinin önemini göstermektedir. (Örneğin ABD’de çoğu mevcut data center’larda yapılan ölçümler ve hesaplamalar PUE değerlerinin 5’e kadar çıktığını göstermiştir (bunun kolayca 2,7 değerine düşürülebileceği de belirtilmektedir). Türkiye’de bu tür istatistiki veriler bulunmamasına karşın, durumun daha iyi olmadığı söylenebilir. Bunun anlamı, 10 yıldan eski tesislerde enerji tüketiminin en az yarı yarıya düşürülebileceğidir).
Merkezi santral besleme sistemleri, bilgisayar odalarındaki artan yükleri karşılayabilecek biçimde tasarlanmalıdır. Bunlar paket iklimlendirme ünitelerinden daha geniş kapasiteye sahip olup, enerji tasarrufu yönünden de daha büyük olanaklar sunarlar. Direk evaporatif nemlendirmeyi, mekanik soğutmayı ve değişken hacimli kontrolü içeren sistemler, nemlendirme için herhangi bir enerji tüketimi olmaksızın taze havayla çalışma olanağı sağlar.
Verimlilik artırıcı stratejiler kullanılarak çok önemli kazanımlar elde etmek olasıdır. Geri kazanılan enerjinin ikincil kullanım yeri bulunmadığı ya da geri kazanımı mantıklı gösterecek bir neden olmadığında, serbest soğutma yapan taze hava sistemleri, değişken hacimli havalandırma ve evaporatif soğutma nemlendirme stratejileri, enerji tasarrufu ve hava kalitesi yönünden paket iklimlendirme cihazları kullanan sistemlere göre merkezi sistemleri çok daha çekici hale getirir.
Eğer geri kazanılan enerjinin kullanılacağı bir yer bulunuyorsa, bilgisayar odaları yıl boyu yükleri nedeniyle ısı geri kazanımı için uygun adaylardır. Yoğuşma sırasında atılan ısı mahal ısıtma, evsel sıcak su üretimi ya da diğer prosesler için ısıtmada kullanılabilir. Koşullandırma sistemi tarafından çekilen ısı, tesisteki başka bir yere etkili biçimde aktarılıp uygulanabiliyorsa, işletme maliyetleri düşürülebilir.
Tasarımın erken safhalarında enerji modellemesi ve enerji tüketimlerinin belirlenmesi ihtiyacı vardır. Mevcut tesislerin incelenmesinde de bu teknik ölçümlerle birlikte kullanılması halinde çok yararlıdır. 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 data center kabuğu), kullanım program (schedule) iç ısı kazançları, hava hareketleri, menfezler ve bina sistemleri incelenir. Bu modellerde su ve tarafı ekonomizer, nemlendirme, güneş radyasyonu vb. de dikkate alınır. Dış hava soğuk veya kuru olduğunda nemlendirme yapılır. Buharlı (elektrotlu), gazlı, elekrik rezistanslı, ultrasonik ve yüksek basınçlı atomizasyon nemlendiriciler burada kullanılabilecek seçeneklerdir. Ancak ultrasonik ve yüksek basınçlı atomizasyon nemlendirme, diğerlerine nazaran 15-30 kat daha az enerji tüketmektedir.

6. Termoekonomik Analiz
ABD’de yapılan çalışmalarda bazı data center’ların termoekonomik analizleri yapılmıştır. Bu çalışmalardan elde edilen bazı sonuçlar Tablo 6’da özetlenmiştir.
Diğer yandan data center’lar 10-15 yıllık bir ömre göre tasarlanırlar (binalar ise 20-30 yıl). Bu ömür ve yüksek yoğunlukta enerji tüketimi sistem seçimini etkiler. Bu bağlamda seçilecek ekonomizerler ve verimlilik artırıcı önlemlerin geri dönüş süreleri 5 yılın altında olmalıdır. Server cihazları birkaç yılda bir değişebildiği için HVAC sistemleri esnek ve geliştirilmeye açık olmalıdır. Su tarafı ekonomizeleri bu anlamda daha verimlidir. Data center’larda server ve raf yerleşim, sayı ve tipleri projenin sonuna kadar netleşemeyebilir. Bu nedenle soğutma sisteminin, yükseltilmiş döşeme altının ve asma tavan gerisinin esnek tutulmaya çalışılması gerekir.

7. Sonuç
Data center’larda ısı yoğunlukları arttıkça soğutma sisteminin ve verimin önemi giderek artmaktadır. Eskiden mal sahipleri bu tür sistemlerde emniyetli bir çalışmayı ön planda tutarlardı. Ancak bu sistemlerin enerji tüketimleri giderek artmaktadır. Soğutma sistemlerinin enerji verimliliklerinin artırılması için bu tesisatların her yönüyle irdelenmesi gerekir.

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.