Hava Soğutmalı Veri Merkezleri
Veri merkezinde bulunan IT cihazların büyük bir bölümü hızlı bir şekilde ve yüksek oranda ısı üretmektedir. Bu ortaya çıkan fazla ısı performans kaybı ve daha sonra arızaya neden olmaktadır. Veri merkezindeki sıcaklık değerlerinin artması veri merkezinin süreklilik durumunu ciddi olarak riske atmaktadır. Dolayısı ile soğutma sistemleri, kesintisizliğin sağlanması konusunda en önemli ünitelerdir.
İklimlendirme planlaması yapılırken, veri merkezinin yapısına ve IT cihaz özelliğine uygun olarak nem ve ısı değerini dengede tutan bir soğutma sistemi oluşturulmalıdır. Geleneksel yöntemde iklimlendirme sıcaklık değeri geri dönen havayı baz alarak soğutma yaparken, yeni tasarımlarda sunucuların önündeki soğuk kolidor denilen havayı emdiği noktanın sıcaklık değeri baz alınarak soğutma işlemi yapılmaktadır.
İklimlendirmenin sağlanması için sadece ortama soğuk havayı iletip sıcak havayı ortamdan uzaklaştırmak yeterli olmamaktadır. Özellikle yüksek yoğunluklu olan veri merkezlerinde bu işlemi yaparken verimi artırması amacına yönelik hava akımı oluşturulmaktadır. Bu amaçla hava akışının hesaplamalarında CFD (Computational Fluid Dynamics) programı ile analizler yapılmasına gerek vardır. Bir veri merkezi soğutma altyapısı şeması gösterilmiştir.
Amerika Birleşik Devletlerinde bulunan ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) isimli kuruluş tarafından yayınlanan bilimsel çalışmalar ile CFD analizleri temelleri verilmektedir. Hava akışını etkileyen kabinetlerin yerleşimi, kullanılacak olan sunucu ve iklimlendirme cihazlarının güç/kapasite seçimleri, yükseltilmiş döşemenin altından yapılan iklimlendirme sistemlerinde yükseltilmiş döşemeye konulacak olan ızgaraların açıklık oranları, yönleri ve konumları, veya soğuk/sıcak hava koridorlarının belirlenmesi, data ve elektrik kablolarının döşenmesinde hava akımına etkileri gibi konularda planlanma yapılırken CFD programı ile yapılan analizlerden yararlanılmaktadır.
ABD’de bulunan ısıtma soğutma iklimlendirme mühendisleri organizasyonu ASHRAE veri merkezi soğutma sistemleri hakkında tavsiyeler yayınlamaktadır. sistem odaları ve veri merkezleri açısından ASHRAE tarafından belirlenen çevresel tavsiye değerleri verilmektedir.
ASHRAE yönerge değerlerinin karşılaştırılması.
Düşük Uç Sıcaklık 18°C (64.4°F)
Yüksek Uç Sıcaklık 27°C (80.6°F)
Düşük Uç Nem 5.5°C ?? (41.9°F)
Yüksek Uç Nem 60% ??
A1 sınıfı çevresel parametreleri (nem, sıcaklık) sıkıca kontrol edilen kurumsal sunucular ve depolama ürünlerinden oluşan tipik veri merkezlerini, A2-A4 sınıfları hacimli sunucular, depolama ürünleri, kişisel bilgisayarlar ve iş istasyonlarından oluşan bilgi teknoloji ofisleri veya laboratuvar ortamları tarzındaki veri merkezlerini temsil etmektedir.
Free Cooling Sistemi:
İklimlendirme altyapısında A.H.U. “Free cooling” adı verilen bir teknolojide kullanılıyor. Veri Merkezi bu teknoloji sayesinde yüzde 70’e kadar enerji tasarrufu sağlayabiliyor. “Free Cooling” iklimlendirmede kullanılan havanın soğutulması için dış ortamdaki düşük hava sıcaklığını kullanmayı esas alıyor.Veri Merkezi içinde sıcak hava koridorlarına hapsedilen 30-35°C değerindeki sıcak hava, hassas klima üniteleriyle emiliyor ve soğutuculardan (Chiller) gelen soğuk gaz ile 16-23° dereceye kadar soğutuluyor.
Soğutulan hava doğrudan sunucu sistemlerinin soğuk hava koridorlarına ve girişlerine yönlendiriliyor. Bu işlem kış aylarında, dış ortamda bulunan soğutucu ünitelerinin kompresörlerini kullanmadan, doğal soğuk hava yardımıyla gerçekleştiriliyor. Beyaz alandaki ısınan havayı dış hava ısısıyla soğutma işlemidir. Soğuk koridorda istenilen 23°C'yi dış hava sıcaklığı 18°C altına düştüğü zaman (Chiller) kullanılmadan doğal olarak soğutma işlemidir.
Bir Veri Merkezinde çalışan çok sayıda ekipmandan (sunucu, switch, depolama cihazı, vb.) dolayı ortam ve cihazların aşırı ısınması söz konusu olabilmektedir. Bu nedenle iklimlendirme sistemi, sıcaklık ve nem kontrolü için önemlidir. Oda tipi, koridor tipi, kabinet içi, kabinet arkası, kabinet üstü, vb. gibi farklı biçimlerde kullanılabilen iklimlendirme sistemleri bulunmaktadır. Günümüzde en yaygın soğutma yöntemi soğuk hava (Klima) ile yapılmaktadır.
Su ile soğutma (Green Data Center) yeni bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. ANSI/TIA-942 standardı, soğutmada en öncelikli yapılması gereken çalışmayı, kabinlerin yerleşimlerinin düzenlenmesi olarak ortaya koymaktadır. Bu çözümde dikkat edilmesi gereken sıcak ve soğuk hava koridorları oluşturmaktır. Kabin ve Klima yerleşimlerinde cihazların soğuk havayı çektiği ve sıcak havayı boşalttığı alanlar bir koridor gibi oluşturulmalıdır.
Sıcak hava öz kütleden dolayı yükseleceği için klimalar bu havayı çekebilecek konumda olmalıdır. Soğuk hava ise yükseltilmiş zeminin altından kabin önlerindeki menfezlerden cihazlara ulaşmalıdır. Devamlılığın öneminden dolayı klimaların yedekliliği de son derece önemlidir. Klimalar sık arızalanan bir yapıya sahiptir bu yüzden yedeklilik son derece önemlidir.
ANSI/TIA-942 standartlarına göre koridorların asgari genişliği 100 cm, kabinet arkası genişlik ise en az 60cm olarak belirlenmelidir. FKM iklimlendirme sisteminin döşeme altından soğutması planlanıyorsa elektrik kablolamasının döşeme altında hava akışını engellemeyecek şekilde planlanması gerekmektedir. Data kablolaması ise kabinet üstünden tel tava ve fiber kanallar ile çekilerek havalandırmayı engellememesi sağlanmış olmalıdır.
Bir başka iklimlendirme yöntemi olan “Free Cooling”, iklimlendirmede kullanılan suyun soğutulması için dış ortamda yer alan düşük sıcaklıktaki havanın kullanılması ile soğutmayı mümkün kılar. Soğuk gece ve kış aylarında bu işlemle enerji tüketiminde %70’e kadar tasarruf sağlanılabilmektedir. Ortalama sıcaklığın yüksek olduğu coğrafi bölgelerde bu sistem verimlilik sağlamamaktadır.
Veri Merkezi güvenliğini izleme ve oluşabilecek kötü durumların önceden tespit edilmesini sağlama amacıyla ortam izleme sisteminden yararlanılır. Veri Merkezi kamera sistemi ile izlenmeli ve kayıt altına alınmalıdır. Olası istenmeyen bir durumda izlemeyi gerçekleştiren personel, yaşanan durumun önemine göre sorumlu olan personelle irtibata geçmeli ya da kendisi Veri Merkezine müdahale edebilmelidir.
Veri Merkezi içerisinde:
• Sıcaklık,
• Nem,
• Hava basıncı (iklimlendirme sistemlerinden aktarılan),
• Hava akışı (iklimlendirme sistemlerinden aktarılan),
• Su sızıntısı,
• Kabinet güvenliği
ve benzeri unsurların izlenmesi gerekmektedir. Söz konusu unsurların, en uygun çalışma koşullarını yansıtacak şekilde normal ve eşik değerler belirlenmeli, bu eşik değerlerin aşılması durumunda ilgili personele uyarı mesajlarının gönderileceği bir alarm mekanizması kurulmalıdır.
Sıvı Soğutmalı Veri Merkezleri
Veri merkezleri şu anda 20 kilovat (kW) üzerinde kabin güç gerekliliklerini desteklemektedir ancak pazar 50 kW veya daha fazlasına yönelmektedir. Yeni nesil merkezi işleme birimleri (CPU’lar) ve grafik işleme birimleri (GPU’lar) önceki nesil mimarilere göre daha yüksek termal yoğunluk özelliklerine sahiptir. Buna ek olarak, sunucu üreticileri yüksek performanslı bilişim ve yapay zeka uygulamalarına yönelik artan talebi karşılamak için her kabine daha fazla CPU ve GPU dahil etmektedir.
Hava soğutmalı sistemler artık sınırlarını zorluyor. Geleneksel hava soğutma, bu yüksek yoğunluklu kabinleri verimli ve sürdürülebilir bir şekilde soğutamaz. Sonuç olarak, veri merkezi operatörleri sıvı soğutma seçeneklerini araştırıyor. Sıvı soğutma, yüksek yoğunluklu kabinlerin verimli ve uygun maliyetli bir şekilde soğutulmasını desteklemek için su veya diğer sıvıların daha yüksek sıcaklık transfer özelliklerinden yararlanmak ve hava kullanımından 3000 kata kadar daha etkili olabilir.
Ana bilgisayar ve oyun uygulamaları için uzun süre kanıtlanmış olan sıvı soğutma, dünya genelindeki veri merkezlerinde kabine monte sunucuları korumak için genişlemektedir. Veri merkezi operatörleri sıvı soğutmada üç yoldan birini izlemektedir. Gelecekte sıvı soğutmalı kabinleri desteklemek için yeni altyapıya sahip hava soğutmalı tesisleri geleceğe
hazır hale getirerek ve bu kabinleri destekleyecek altyapıya sahip olmayan mevcut hava soğutmalı tesislere sıvı soğutmayı entegre ederek yalnızca sıvı soğutmalı veri merkezleri geliştiriyorlar.
Büyük olasılıkla çoğu operatör, kısa vadeli iş ihtiyaçlarını karşılayan ve hızlı yatırım getirisi sağlayan kapasiteyi kazanmak için ikinci yolu seçecektir. Sıvı soğutma kurulumu karmaşık olabilir. Veri merkezi ekipleri, sıhhi tesisat gereklilikleri, soğutma dağıtımı, dengeleme kapasitesi, risk azaltma stratejileri ve ısı atımı sistemleri dahil olmak üzere önemli konuları değerlendirmek için bir iş ortağıyla birlikte çalışmak isteyecektir.
Sıvı soğutma seçenekleriniz şunları içerir:
- Arka kapı ısı eşanjörleri – Pasif veya aktif ısı eşanjörleri, BT ekipman kabininin arka kapısını sıvı ısı eşanjörü ile değiştirir. Bu sistemler, karışık kabin yoğunluklarına sahip ortamları soğutmak için hava soğutma sistemleriyle birlikte kullanılabilir.
- Doğrudan çipe sıvı soğutma – Doğrudan çipe soğuk plakalar, ısıyı tek faz soğuk plakalar veya iki faz buharlaşma üniteleri yoluyla çekmek için kartın ısı üreten bileşenlerinin üzerine yerleştirilir. Bu soğutma teknolojileri kabindeki ekipmanlar tarafından üretilen ısının yaklaşık %70-75’ini giderebilir ve geriye hava soğutma sistemleri tarafından giderilmesi gereken %25-30’luk bir pay kalır.
- Daldırma soğutma – Tek faz ve iki faz daldırma soğutma sistemleri, sunucuları ve diğer bileşenleri kabindeki termal olarak iletken bir dielektrik sıvı veya akışkana daldırarak hava soğutma ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu yaklaşım, sıvının termal transfer özelliklerini en üst düzeye çıkarır ve piyasadaki en enerji tasarruflu sıvı soğutma biçimidir.
Veri Merkezi Sıvı Soğutma Enerji Verimliliği Analizinden Elde Edilen Temel Çıkarımlar
Güç Kullanım Verimliliği PUE, veri merkezi sıvı soğutma verimliliğinin iyi bir ölçüsü değildir. Hava soğutmanın aksine, sıvı soğutma, PUE hesaplamasında pay (toplam veri merkezi gücü) ve paydayı (IT ekipmanı gücü) etkiler. Bu durum, sıvı soğutmayı sıvı ve hava soğutma sistemlerinin verimliliğini karşılaştırmak için onu etkisiz kılar.
Toplam Kullanım Etkinliği
TUE (Toplam Kullanım Etkinliği) gibi alternatif ölçütler, hava soğutmalı bir veri merkezinde sıvı soğutmanın uygulanmasıyla ilgili tasarım kararlarına yol göstermede daha faydalı olacaktır.
TUE = ITUE x PUE (ITUE = IT Ekipmanına Giden Toplam Enerji/Bilgisayar Bileşenlerine Giden Toplam Enerji) Veya TUE = Veri Merkezine Giden Toplam Güç/Bileşenleri Hesaplamak, İşlemek ve Depolamak için Toplam Güç Yüksek yoğunluklu veri merkezlerinde sıvı soğutma, hava soğutmaya kıyasla IT ve tesis sistemlerinin enerji verimliliğini iyileştirir. Tamamen optimize edilmiş çalışmamızda, sıvı soğutmanın uygulanması toplam veri merkezi gücünde %10,2'lik bir azalma ve TUE’de %15’ten fazla bir iyileşme sağlamıştır.
Sıvı Soğutma Teknolojileri ile daha yüksek verimlilik
Veri merkezi sıvı soğutma uygulamasını en üst düzeye çıkarmak, — sıvı ile soğutulan IT yükünün yüzdesi açısından — en yüksek verimliliği sağlar. Doğrudan çipe soğutma ile tüm yükün sıvı ile soğutulması mümkün değildir, ancak yükün yaklaşık %75’i etkili bir şekilde soğutulabilir.
Sıvı soğutma, tesis altyapısının verimliliğini en üst düzeye çıkaran daha yüksek soğutulmuş su, besleme havası ve ikincil giriş sıcaklıkları sağlayabilir. Özellikle sıcak su soğutması dikkate alınmalıdır. Son çalışmamızdaki ikincil giriş sıcaklıkları 45 °C’ye (113 °F) yükseltilmiştir. Bu, elde edilen sonuçlara katkıda bulunurken atık ısının yeniden kullanımı için fırsatları da artırmıştır.