Veri Merkezleri için Klima Santralleri
Hassas proseslerin gerçekleştirildiği tesislerdeki ısı yönetiminin güvenilir ve uygun maliyetli 4 seçeneği
Yazan: John Peter, "JP" Valiulis, Emerson Network Power, Westerville, Ohio
Çeviren: Meriç Noyan Karataş
Standart çatı tipi klima santralleri (AHU), veri merkezlerinin ve hassas proseslerin gerçekleştirildiği ortamların talep ettiği hassas ısı kontrolünü ve yüksek ısıyı karşılamak için tasarlanmamışlardır. Örneğin, 10 yılı aşkın bir süreçte, tipik standart bir çatı klima santrali yaklaşık 30,000 saat çalışırken, veri merkezi soğutma sistemi 80,000 saat veya üzeri çalışabilmektedir. Aynı zamanda, geleneksel konfor soğutma sistemleri için tipik servis talebi cevap süresi 12 – 24 saatken, veri merkezi operasyonlarının kritikliği sebebiyle servis talebine 2 veya 4 saatten az bir cevap süresi gerektirir. Kısa bir zaman önceye kadar sadece büyük firmalar ve büyük ölçekli operasyonlar için ulaşılabilir olan veri merkezleri için tasarlanmış klima santralleri, bu özgün çevreler için gereken koruma, güvenilirlik, verimlilik ve esneklik düzeyini sunmaktadır. Bunlar bir tesiste ısıyı güvenilir bir şekilde ve uygun maliyetle yönetme fırsatı sunmaktadır. Bu makale veri merkezleri için klima santrallerinin en yaygın 4 tipini konu almaktadır:
- İndirekt evaporatif serbest soğutma sistemi.
- Direkt evaporatif serbest soğutma sistemi
- Direkt genleşmeli sistem (DX)
- Soğuk sulu sistemler
Akıllı Kontrol Sistemlerinin Ek Faydası
Dört farklı tip hava koşullandırma sistemini ele almadan önce, akıllı kontrol sistemlerinin verimliliği, elverişliliği ve korumayı maksimuma çıkarmada oynadığı rolden bahsetmek faydalı olacaktır. Tüm kontrol sistemlerinin soğutma ünitelerine ve bileşenlerine veya bina yönetim sistemlerine belirli bir uyarlama gerektirdiği gibi tipik bir yanlış kanı bulunmaktadır. Gerçekte, veri merkezleri için tasarlanmış klima santrallerine entegre edilmiş belli ısıl-yönetim kontrol sistemleri ya hiç ya çok az uyarlama gerektirir ve olağanüstü koruma ve verimlilik sağlar.
Ünite düzeyinde, akıllı kontroller fan hızı, kompresör kullanımı ve ekonomizer gibi anahtar işletim parametrelerini sürekli olarak takip eder ve otomatik olarak ayarlar. Eğer ayar noktasından bir sapma gözlenirse, kontrol algoritmaları operasyonları ona göre ayarlamaktadır. Klima santrali ekonomizer döngüsü uygulaması durumunda, dış-hava fanı ile su kullanımının optimum karışımını sağlarken, besleme fanları, pompaları ve egzoz fanlarında enerji optimizasyonu yapılabilmesi için güç tüketim ölçümü sunar ve ekonomizer döngüsünü besleme havası sıcaklığı ve entalpi bazında kontrol eder.
Sistem düzeyinde, ünitelerin birbirleriyle çatışmasını engellemek ve bağlantılı bir sistem olarak çalışmalarına izin vermek için akıllı kontrol sistemleri tesis-düzeyinde talep değişikliklerine verimli bir şekilde adapte olarak makineden-makinaya iletişimini sağlamaktadır. Bu ekip çalışması düzeyi bilgi-teknolojisi yükü (IT) ve dış durumlara bağlı olarak hava akışını, ısıyı ve ekonomizer operasyonlarını otomatik olarak ayarlayan geliştirilmiş algoritmalar ile tamamlanır. Bu çoklu soğutma ünitelerinin koordinasyonu, yıllık mekanik güç kullanım verimliliğinin (PUE) 1,2’nin altında tutmaya; bir ünite grubu olarak, kendi başına çalışan bir üniteden % 50 daha fazla daha verimli olarak çalışmaya yardımcı olacaktır.
İndirekt Evaporatif Serbest Soğutma Sistemi
İndirekt evaporatif serbest soğutma sistemi (Şekil 1) genellikle bilgi merkezi dışında konuşlandırılan büyük bir ünitedir. İki adet hava akışı barındırır: Veri merkezi içerisinden dönen sıcak dönüş havası (birincil akış) ısı eşanjörü üzerinden geçirilir ve burada dış hava ile soğutulur (ikincil akış). İkincil hava akışının soğuk olmasının sebebi daha önceden eşanjör üzerine püskürtülen havanın buharlaştırılması ile gerçekleşir. Daha sonra bir fan soğutulmuş birinci havayı veri merkezi içerisinde sirküle ederken, ikincil hava birincil hava ile karışmadan dış ortama atılır.
Şekil 1: Indirekt Evaporatif Serbest Soğutma Sistemi
Ünite kontrol sistemleri besleme havasını kullanıcı-ayarlı ayar noktasına getirerek fanı ünitenin çalışma moduna göre çalıştırır. Dış ortam sıcaklığının düşük olduğu ve ünite kuru modda çalışırken, kontrol sistemi soğutma kapasitesini; dış hava fanını istenilen hava set değerinde besleyecek şekilde ayarlar. Soğutma kapasitesinin artırılması için fan hızı artırılır, azaltmak için de fan hızı azaltılır.
Dış hava sıcaklığı yükselip de ünite (kuru modda ve sadece ısı eşanjörünü kullanarak) istenilen ayar değerine verimli bir şekilde ulaşamadığı durumlarda; ünitenin pompaları devreye girer ve ısı eşanjörü üzerine su püskürtülür. Bu işlem, dış hava sıcaklığını yaş termometre sıcaklığına yakınlaştırarak, ısı eşanjörünün kapasitesini artırır.
Her ne kadar bu yöntem sürekli işlenmiş su beslemesi gerektirse de, ikincil hava akımından birincil hava akımına buhar geçişi olmaz. Yani, veri merkezine beslenen havanın nem seviyesinin düşük olması sebebiyle ekonomizer işlemi için dış hava gereksinimi yoktur. Buna ek olarak, kilowatt başına ilk kurulum maliyeti göstergesinin düşük tutulması için elektrik altyapısı küçük tutulabilir.
Bulut bilgi sistemine ev sahipliği yapan, ortak yerleşim ve IT sağlayıcısı olan Green House Data, yakın zamanda Cheyenne, Wyoming’deki tesislerine 4 adet 300 kW’lık indirekt evaporatif serbest soğutmalı klima santralinin kurulumunu yapmıştır. Bu sistem, konvansiyonel veri merkezi hava koşullandırma sistemlerinden % 90-95 daha az enerji kullanmakta ve PUE 1.14 hedefinin ulaşılmasında önemli bir araçtır.
Direkt Evaporatif Serbest Soğutma Sistemi
Direkt evaporatif serbest soğutma sisteminde (Şekil 2), sıcak dönüş havası ile dış hava ünite kontrollerindeki damper pozisyonunu ayarlayarak karışır. Sıcak, kuru ve karışmış hava bir filtre ve suya doymuş bir ortam içerisinden geçirilir. Havadaki ısı suyu buharlaştırır. Ortaya çıkan nem, soğuk hava sonrasında fan vasıtasıyla veri merkezine geri verilir.
Şekil 2. Direkt evaporatif serbest soğutma sistemi
Tipik olarak, bir direkt evaporatif serbest soğutucu veri merkezinin dışına yerleştirilen geniş bir ünitedir. Genellikle, daha yüksek besleme ve dönüş sıcaklıkları olan tamamen kapalı bir sistem tavsiye edilir. Direkt evaporatif serbest soğutma sistemi dış havanın serin ve nemin düşük olduğu ve veri merkezi yöneticilerinin daha geniş ısı ve nem aralıklarında çalışabildiği coğrafi bölgeler için idealdir. Kompresör olmadığından ve tüketimin büyük bir kısmı su pompası ve fan tarafından gerçekleştiğinden soğutmanın diğer formlarına göre önemli ölçüde daha az enerji tüketilir. Bu tasarım ile elektriksel altyapı küçültülerek kullanılan enerji tüketimi diğer tip klima santrallerine göre daha düşük olacaktır. Bir direkt evaporatif serbest soğutma ünitesi dış havayı bilgi merkezine alır ve arıtılmış suyun sürekli olarak sağlanmasını gerektirir.
Direkt Genleşmeli Sistem (DX Sistemi)
Tipik olarak bir DX sistemi (Şekil 3) tek veya 2 katlı binalara hizmet eden çatıya monteli bir ünitedir. Genellikle, hava dağıtımı için besleme ve/veya dönüş kanal sistemi gerektirir. Temel olarak bir DX sistemi, soğutucu ve ortam arasındaki ısı geçişini kolaylaştırmak için soğutulmuş su hattı yerine, havayı direkt olarak soğutmak için soğutucu akışkan kullanan ısıl-yönetim sisteminin kullanılmasıyla tanımlanır.
Şekil 3. Direkt genleşmeli sistem
Modüler dış yapılara kolaylıkla yerleştirilebilen DX sistemleri 3 temel enerji tüketen bileşenlere dayanır: Kompresörler, kondensörler ve evaporatör fanlar. İki ısıl eşanjör - mahal havasından soğutucuya ve soğutucudan dış havaya - ısıyı atmak için kullanılır. Bunun gibi, sadeleştirilmiş altyapısı ile bu tip bir tasarım genellikle başarısızlık oranı olmadan yüksek düzeyde verimlilik elde etmeye elverişlidir. DX sistemleri tipik olarak çatıya monteli olduğu için, binanın çatı yapısının iyileştirilmesi gerekebilir. Aynı zamanda, kötü ortam şartları DX üniteleriyle çalışma sorunlarına sebep olabilir.
Soğuk-Sulu Sistem
Bir soğuk sulu sistem (Şekil 4), bir bina çevresi boyunca dikey olarak veya bina hava atma işlemini yükseltilmiş döşeme içerisine yapıyor ise üst balkonda, yükseltilmiş döşeme yok ise yine üst balkonda yatay bir ünite şeklinde veya binanın dışında konuşlandırılabilir. Tesisin su soğutma sistemlerini gün boyunca soğutma kaynağı olarak kullanır. Binanın chiller ünitesi, Soğuk su sistemli klima santralinin içerisindeki serpantinlerde dolaştırılır. Veri merkezinden gelen sıcak hava soğutma serpantin kanatlarının üzerinden geçerek ısı serpantin içerisindeki suya transfer olur. Hava artık soğutma havası olarak yeniden veri merkezine gönderilir. Serpantinler içerisindeki nispeten daha sıcak olan su chiller’e geri gönderilir. Isı burada ikincil bir su akımına iletilir ve bu su akımı vasıtası ile soğutma kulelerine taşınarak oradan dışarıya atılır.
Şekil 4. Soğuk sulu klima santrali
Bu tasarım yüksek hissedilir sıcaklık oranı ile çalışarak gerekli olan nemlilik seviyesinin devamlı kılınmasını garanti altına alır. Veri merkezlerinin hassas ortam koşullarının sağlanması için idealdir. Ayrıca su döngü sıcaklığının yüksek olduğu sistemler veya su veya hava tarafı ekonomizerler ile eşlendiğinde oldukça verimlidir. Oda tipi üniteler kurulumu, devreye alınması ve servisi kolaydır. Buna karşın, gerekli olan chiller santralinin kurulumu veya direkt ve indirekt evaporatif serbest soğutma sistemlerinde olduğu gibi işlenmiş su gereksinimi gibi ön maliyetleri gerektirir.
Sonuç
Veri merkezleri için tasarlanan hava koşullandırma teknolojileri tesis içerisindeki ısının güvenilir ve maliyet etkin bir şekilde yönetilmesi için bir fırsat sunmaktadır. Veri merkezi ve tesis müdürlerinin, onlara sunulan mevcut seçenekleri anlamaları, istenilen verimlilik ve PUE değerlerine ulaşabilen sistemleri seçip uygulamaları önemlidir.
