Özet
Telekomünikasyon kurumları, üniversiteler, araÅŸtırma kurumları, bankalar ve büyük ÅŸirketlere ait ana bilgisayar sistemlerinin bulunduÄŸu server veri iÅŸleme merkezlerinde (data center) raflarda (rack) muhafaza edilmektedir. Bu cihazlar yüksek düzeyde ısı yararken, verimli biçimde çalışabilmeleri için sabit iç çevre koÅŸullarına ihtiyaç gösterirler. Bu çalışmada yüksek yoÄŸunlukta ısı yayan ve tüm dünyada giderek yaygınlaÅŸan data center’ların mekanik tesisat sistemlerinin (HVAC) tasarımı ve enerji verimliliÄŸi incelenmiÅŸtir.

1. GiriÅŸ
Günümüzde data centerlar birçok kurumun deÄŸerli bilgilerinin saklandığı mahallerdir. Bu mahaller, çok önemli olmalarının yanında çok yüksek düzeyde enerji tüketirler. ÖrneÄŸin tipik bir ofis binasında enerji tüketimi 50-100 W/m2 civarında iken, modern data centerlarda bu deÄŸer 1500 - 7500 W/m2lerdedir. Bu ise serverlerde (chipler) 6000-18000 W/m2 enerji yoÄŸunluklarına karşılık gelmektedir. Bu mahallere ait mekanik tesisat (HVAC), elektrik tesisatı ve yangın tesisatı binanın diÄŸer 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. ÖrneÄŸin ABD’de bu tesislerde kullanılan elektrik, toplam tüketimin yüzde 1,5’u mertebesindedir. Bu deÄŸer 61 milyar kWh/yıl’a denk gelmektedir. Türkiye’nin 2010 yılı toplam elektrik tüketiminin 200 milyar kWh olduÄŸu dikkate alınırsa, bunun büyüklüÄŸü 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 baÅŸlarında yapılan Merkez Bankası’na ait bilgi iÅŸlem, para makineleri, Reuters cihazları, banknot matbaası mahalleri (bunların bir kısmının yapımında katkı saÄŸlamıştık) ile Borsa bilgi iÅŸlem sistemi ve bazı üniversitelerin sistemleridir. Daha sonra telekomünikasyon ÅŸirketleri, bankalar vb. bu tür merkezler kurmuÅŸlardır. Günümüzde ise özel internet servis saÄŸlayıcı ÅŸirketlere kadar birçok kurumun sistemleri bulunmaktadır. Ancak bu sistemlerin enerji verimliliÄŸi ve standartlara uygun tasarım yönünden yeterince analiz edilerek kurulduÄŸu söylenemez.
Ä°ÅŸletmeye açıldıktan sonra enerji tüketimi, yedekleme, homojen iç mekan koÅŸullarının saÄŸlanması gibi konularda geri döndürülmesi zor problemlerle karşılaşılabilmektedir. IT teknolojileri birkaç yılda bir tümüyle geliÅŸerek deÄŸiÅŸmekte, kompaktlık ve ısı yayınım yoÄŸunlukları artmaktadır. HVAC sistemleri 15 yıl civarında teknolojik ömürlerini doldurmaktadır. Bu baÄŸlamda, Türkiye’deki 10 yıldan daha eski bu gibi tesislerin enerji verimliliÄŸi yönünden incelenmesi çok yararlı olacaktır.

2. Ä°ç Çevre KoÅŸulları
Tablo 1’de ASHRAE tarafından 2004 ve 2008’de önerilen data center iç mahal koÅŸulları verilmiÅŸtir.

3. Tasarım ile İlgili Stratejiler
ASHRAE “Datacom Equipment Power Trends And Cooling Applications 2010”da, bu merkezlerde raf başına 15-48 kW ısı yayınımı olduÄŸu belirtilmektedir. Bunun anlamı, küçük alanlara çok sayıda server yerleÅŸtirildiÄŸi ve yüksek ısı yoÄŸunlukları oluÅŸtuÄŸudur. Bu durum sistemlerin kompaktlaÅŸmasına, daha fazla soÄŸutma enerjisine ve nemlendirmeye ihtiyaç duymaktadır. Küçük hacimlerde verimli yüksek soÄŸutma saÄŸlanması 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 ÅŸekilde duvar dışından ısı ve nem yalıtımı yapılmalıdır. Ä°çten yapılmamasının nedeni, soÄŸutma enerjisinin kesilmesi halinde bir miktar ısıl kütle oluÅŸturularak sıcaklığın limit deÄŸerin üstüne çıkma süresini uzatmaktır. Ayrıca hava kaçakları önlenmeli, kapılar sızdırmaz olmalı ve mümkün olduÄŸunca 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 saÄŸlanmasıdır. Serverlerin yerleÅŸtirildiÄŸi rafların (rack) düzenlemesi, CRAC (Compter Room Air Condtioner) yerleÅŸimi ve kablo düzenlemeleri vb. mahal içindeki hava dağılımını etkileyecektir.
Raf (rack) düzenlemesi: Günümüzde data center’lar soÄŸuk koridor, sıcak koridor ÅŸeklinde düzenlenmektedir. Burada CRAC’tan çıkan soÄŸuk hava, soÄŸuk koridordan rafların içindeki serverlerin üzerinden geçerek, ısıyı alıp arka taraftaki sıcak koridora geçer ve buradan CRAC fanı ile emilerek soÄŸutulduktan sonra tekrar mahale verilir. DönüÅŸ havası chipler üzerindeki ısıyı alarak ne kadar ısınırsa CRAC verimliliÄŸi o kadar yüksek olur. YükseltilmiÅŸ döÅŸemeden çıkan  soÄŸuk hava, döÅŸemeye yakın olan serverları (alt kısımlar) daha iyi soÄŸuturken, rafların üstlerine doÄŸru hava sirkülasyonu ve soÄŸutma etkinliÄŸi azalır.
Panel ve rafların ayrılması: Verimli bir soÄŸuk/sıcak koridor uygulaması için soÄŸuk hava ile sıcak havanın birbirine karışmaması gerekir. Bunun için soÄŸuk hava, sıcak koridordan tamamıyla izole edilmiÅŸ olan soÄŸuk koridorun altındaki yükseltilmiÅŸ döÅŸemeden verilir. Ayrıca raflar içinde boÅŸ yer varsa (yedekleme amacıyla) buralar panellerle kapatılır.
YükseltilmiÅŸ döÅŸemenin yalıtılması: Data center’larda döÅŸeme yükseklikleri tipik olarak 30 cm-60 cm civarındadır. SoÄŸuk havanın kontrolsüz biçimde kaçmaması için döÅŸeme altı ve kablo geçiÅŸleri yalıtılmalıdır.  
CRAC yerleÅŸimi: SoÄŸuk/sıcak koridor uygulamalarında CRAC’lar soÄŸuk koridora dik yerleÅŸtirilmelidir. Böylece sıcak hava yolu kısaltılmış ve soÄŸuk hava ile karışma ihtimali minimize edilmiÅŸ olur. EÄŸer bu biçimde yerleÅŸtirme imkanı yoksa asma tavan gerisi bu amaca uygun biçimde düzenlenmelidir.
Kablo düzenlemeleri: Data center’lardaki server sayılarının artması (kompaktlaÅŸma) sonucu kablolama yönetimi önemli hale gelmiÅŸtir. EÄŸer kablolar uygun biçimde döÅŸenmezse hava hareketlerine engel olabilir. (Mahal içinde olabilecek kolon, kiriÅŸ gibi yapı elemanları da benzer bir etkiye sahiptir).

3.3. Soğutucu Akışkan
SoÄŸutucu akışkan kullanımı ile yüksek soÄŸutma yoÄŸunlukları elde edilebilir. Data center’lar yaz-kış çalıştığı için su tarafında donmaya karşı antifiriz konulmalıdır. Burada soÄŸutma sistemi, bina soÄŸutma sisteminden bağımsız olmalıdır (yedekleme amacıyla bina sisteminden de besleme düÅŸünülebilir). SoÄŸutma sisteminin kapasite ve verimi giriÅŸ havası sıcaklığının düÅŸürülmesiyle artacaktır.
Bu sıvılara ait daha geniÅŸ bilgi literatürden alınabilir.

3.4. Data Center Mimarisi
Yukarıda belirtildiÄŸi üzere data center’lar açık, kapalı veya yarı açık ÅŸeklinde düzenlenir. Kapalı veya yarı açık mimariler soÄŸuk ve sıcak koridorları birbirinden ayırarak soÄŸutma etkinliÄŸini artırır (mümkün olan her yerde kullanılması faydalıdır). Kapalı mimaride soÄŸuk ve sıcak koridorlar tamamen birbirinden ayrılır, soÄŸutma cihazı (örneÄŸin eÅŸanjör) raf içine yerleÅŸtirilir (server ve soÄŸutucu aynı kabindedir). Bunun dezavantajı soÄŸutma enerjisi kesilmelerinde ortam sıcaklığının 60 saniye gibi kısa bir sürede limit deÄŸerin üstüne çıkması ve bakım zorluÄŸudur. Bunlar yüksek ısı yayınımı durumlarında soÄŸutma verimliliÄŸi yüksek yöntemlerdir. Açık mimaride soÄŸuk ve sıcak havanın karışma ihtimali olduÄŸu için soÄŸutma verimliliÄŸinin artırılması zordur. Açık mimari tüm mahal havasını kullanır. Mekan duvarlarının termal depolama olarak kullanılarak soÄŸutmanın kesilmesi durumunda, mahal sıcaklığının limitlerin üzerine çıkmasını 15 dakikaya kadar geciktirir (tek avantajı budur). Ancak soÄŸutma sistemi güvenilir ikinci bir kaynaktan besleniyor ise bu durum çok önemli bir avantaj deÄŸildir.

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

4. Computational Fluid Daynamics (CFD) Analizi
Data center HVAC tasarımı ve enerji verimliliÄŸinin incelenip saÄŸlanmasında 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 VerimliliÄŸi
Yukarıda, data center’ların yüksek yoÄŸunluklarda enerji tükettikleri belirtilmiÅŸti. Bu nedenle gerek yeni tasarlanacak tesislerde gerekse mevcut tesislerde günün teknolojik olanakları dikkate alınarak enerji verimlilikleri artırılmalıdır. Data center enerji verimliliÄŸinin belirlenmesinde ve sınıflandırılmasında kullanılan metrikler; “Power Usage Effectiveness (PUE)“ ve “Data Center Infrastructure Efficiency (DCiE)” olup bunlar aÅŸağıdaki gibi ifade edilmektedir.

Ortalama PUE deÄŸerleri Tablo 5’te görülmektedir.  
GörüldüÄŸü üzere bir data center’da tüketilen enerjinin yarıdan fazlası IT cihazları dışındaki HVAC ve aydınlatma gibi yüklerden oluÅŸmaktadır. Enerji verimliliÄŸine baÄŸlı olarak soÄŸutma sistemlerinin PUE deÄŸerleri 0,44-2 arasında deÄŸiÅŸmektedir. Bu durum sistemlerin doÄŸru ve verimli biçimde tasarımını, eski sistemlerin yenilenmesinin önemini göstermektedir. (ÖrneÄŸin ABD’de çoÄŸu mevcut data center’larda yapılan ölçümler ve hesaplamalar PUE deÄŸerlerinin 5’e kadar çıktığını göstermiÅŸtir (bunun kolayca 2,7 deÄŸerine düÅŸürülebileceÄŸi 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 düÅŸürülebileceÄŸidir).
Merkezi santral besleme sistemleri, bilgisayar odalarındaki artan yükleri karşılayabilecek biçimde tasarlanmalıdır. Bunlar paket iklimlendirme ünitelerinden daha geniÅŸ kapasiteye sahip olup, enerji tasarrufu yönünden de daha büyük olanaklar sunarlar. Direk evaporatif nemlendirmeyi, mekanik soÄŸutmayı ve deÄŸiÅŸken hacimli kontrolü içeren sistemler, nemlendirme için herhangi bir enerji tüketimi olmaksızın taze havayla çalışma olanağı saÄŸlar.
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 soÄŸutma yapan taze hava sistemleri, deÄŸiÅŸken hacimli havalandırma ve evaporatif soÄŸutma nemlendirme stratejileri, enerji tasarrufu ve hava kalitesi yönünden paket iklimlendirme cihazları kullanan sistemlere göre merkezi sistemleri çok daha çekici hale getirir.
EÄŸer geri kazanılan enerjinin kullanılacağı bir yer bulunuyorsa, bilgisayar odaları yıl boyu yükleri nedeniyle ısı geri kazanımı için uygun adaylardır. YoÄŸuÅŸma sırasında atılan ısı mahal ısıtma, evsel sıcak su üretimi ya da diÄŸer prosesler için ısıtmada kullanılabilir. KoÅŸullandırma sistemi tarafından çekilen ısı, tesisteki baÅŸka bir yere etkili biçimde aktarılıp uygulanabiliyorsa, iÅŸletme maliyetleri düÅŸürülebilir.
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, inÅŸa edilmemiÅŸ bir sistemin enerji tüketimi profilinin belirlenmesi amacıyla kullanılır. Bu çerçevede projenin yeri, dış iklim ÅŸartları, bina kabuÄŸu (veya data center kabuÄŸu), kullanım program (schedule) iç ısı kazançları, hava hareketleri, menfezler ve bina sistemleri incelenir. Bu modellerde su ve tarafı ekonomizer, nemlendirme, güneÅŸ radyasyonu vb. de dikkate alınır. Dış hava soÄŸuk veya kuru olduÄŸunda nemlendirme yapılır. Buharlı (elektrotlu), gazlı, elekrik rezistanslı, ultrasonik ve yüksek basınçlı atomizasyon nemlendiriciler burada kullanılabilecek seçeneklerdir. Ancak ultrasonik ve yüksek basınçlı atomizasyon nemlendirme, diÄŸerlerine 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 özetlenmiÅŸtir.
DiÄŸer yandan data center’lar 10-15 yıllık bir ömre göre tasarlanırlar (binalar ise 20-30 yıl). Bu ömür ve yüksek yoÄŸunlukta enerji tüketimi sistem seçimini etkiler. Bu baÄŸlamda seçilecek ekonomizerler ve verimlilik artırıcı önlemlerin geri dönüÅŸ süreleri 5 yılın altında olmalıdır. Server cihazları birkaç yılda bir deÄŸiÅŸebildiÄŸi için HVAC sistemleri esnek ve geliÅŸtirilmeye açık olmalıdır. Su tarafı ekonomizeleri bu anlamda daha verimlidir. Data center’larda server ve raf yerleÅŸim, sayı ve tipleri projenin sonuna kadar netleÅŸemeyebilir. Bu nedenle soÄŸutma sisteminin, yükseltilmiÅŸ döÅŸeme altının ve asma tavan gerisinin esnek tutulmaya çalışılması gerekir.

7. Sonuç
Data center’larda ısı yoÄŸunlukları arttıkça soÄŸutma 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. SoÄŸutma sistemlerinin enerji verimliliklerinin artırılması için bu tesisatların her yönüyle irdelenmesi gerekir.

Kaynaklar

1. ASHRAE 2009, “Best Practices For Datacom Facility Energy Efficiency”.
2. Çakmanus, Ä°., 2000, “Elektronik Sistemlerin SoÄŸutulması: Duvarlarında Isı Yayan Bloklar Bulunan Kanallarda Akış ve Isı Transferinin Sayısal ve Deneysel Olarak Ä°ncelenmesi”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara.
3. ASHRAE “Sistemler ve Ekipmanlar El Kitabı”, Bölüm 17 (Veri Ä°ÅŸlemleme 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.