Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi

Yıl 2022, Cilt: 37 Sayı: 4, 1883 - 1898, 28.02.2022

Hamza Salih Erden İsmail Türkmen

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.897270

Öz

Önceki optimizasyon çalışmaları sistem odası kliması (computer room air handling, CRAH) baypas (BP) yönteminin veri merkezlerindeki enerji tasarruf potansiyelini oda seviyesinde akış ağı modelleme ve soğutma altyapısı seviyesinde termodinamik modellemeyi harmanlayan indirgenmiş model yaklaşımı kullanmışlardır. Akış ağı modellerini barındıran termodinamik modeller farklı BP oranları için soğutma altyapı gücünü tahmin etmekte iyi bir iş çıkarmıştır. Ancak yapılan çalışmalar varsayımsal veri merkezleri ya da deneysel düzeneklerle ilgili olup yöntemin gerçek ve işler bir veri merkezinde yapılabilirliğine yönelik kayda değer bir çalışma bulunmamaktadır. Literatürdeki bir diğer eksiklik de yöntemin ekonomik gereksinimleridir. Bu çalışmada, literatürde önerilen indirgenmiş modelleme yaklaşımlarını kullanarak klima BP yöntemlerinin (itişli ve çekişli) çalışan bir veri merkezine uygulanabilirliği üzerine değerlendirmeler yapılmıştır. Çeşitli senaryoların enerji ve ekonomik analizi neticesinde klima BP yönteminin fizibilitesinin, tasarımın ihtiyaç duyduğu fan sayısına doğrudan bağlı olduğu sonucuna ulaşılmış ve çalışan bir veri merkezi için uygulama önerilerinde bulunulmuştur.

Anahtar Kelimeler

ısıl sistemler, veri merkezleri, termodinamik modelleme, ekonomik analiz

Destekleyen Kurum

TÜBİTAK

Proje Numarası

118M238

Teşekkür

Bu çalışma 118M238 numaralı TÜBİTAK projesi tarafından desteklenmiştir. Model geliştirme aşamasında sonuçlarından yararlanılan pilot veri merkezine ilişkin çalışma ise İstanbul Teknik Üniversitesi’nin (İTÜ) 40576 nolu genel araştırma projesi kapsamında gerçekleştirilmiş, ilgili çalışmanın hesaplama ihtiyaçları İTÜ Ulusal Yüksek Başarılı Hesaplama Merkezi UHEM’in 1006272019 nolu projesinden karşılanmıştır.

Kaynakça

• Masanet, E., Shehabi, A., Lei, N., Smith, S., Koomey, J., Recalibrating global data center energy-use estimates, Science, 367, pp. 984-986, 2020, 10.1126/science.aba3758
• Belady, C., Rawson, A., Pfleuger, D., and Cader, T. “Green Grid Data Center Power Efficiency Metrics: PUE and DCiE,” The Green Grid, White Paper No. 6, 2008.
• ISO. Information Technology -- Data Centres -- Key Performance Indicators -- Part 2: Power Usage Effectiveness (PUE), 2016, https://www.iso.org/standard/63451.html.
• Shehabi, Arman, S Smith, DA Sartor, RE Brown, M Herrlin, JG Koomey, ER Masanet, N Horner, IL Azevedo, and W Lintner. “United States Data Center Energy Usage Report.” Berkeley, CA: Lawrence Berkeley National Laboratory. LBNL-1005775. June 27, 2016, https://eta.lbl.gov/publications/united-states-data-center-energy.
• Patankar, S.V.,“Airflow and cooling in a data center”, J. Heat Transfer 132. 73001-1-73001-17, 2010.
• ASHRAE, “Thermal Guidelines for Data Processing Environments”, 4rd Edition, Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2015.
• ASHRAE, Air distribution. In: Design Considerations For Datacom Equipment Centers, 2nd Ed. Atlanta, GA, USA: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2009.
• Seymour, M., "Chapter 17: Computational Fluid Dynamics Applications in Data Centers." In Data Center Handbook edited by Hwaiyu Geng, (John Wiley & Sons), 313-341, 2015.
• Salim, M. ve Tozer, R., “Data Centers’ Energy Auditing and Benchmarking-Progress Update.,” ASHRAE Trans., vol. 116, no. 1, 2010.
• Khalifa, H. E. ve Demetriou, D. W., “Enclosed-aisle data center cooling system.” Google Patents, 02-Feb-2012.
• Erden, H.S., Yildirim, M. T., Koz, M. and H. E. Khalifa, “Energy assessment of CRAH bypass for enclosed aisle data centers,” in Proc. IEEE ITherm, pp. 433–439, Las Vegas, NV, USA, May/Jun. 2016.
• Demetriou, D.W., Khalifa, H.E., "Optimization of Enclosed Aisle Data Centers Using Bypass Recirculation," Journal of Electronic Packaging, 134(2), 2012.
• Kang S, Schmidt RR, Kelkar KM, Radmehr A, Patankar SV., “A methodology for the design of perforated tiles in a raised floor data center using computational flow analysis”, Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, Las Vegas, 2000.
• Schmidt, R., Karki, K., Kelkar, K., Radmehr, A., and Patankar, S., “Measurements and Predictions of the Flow Distribution Through Perforated Tiles in Raised Floor Data Centers,” in "Proceedings of ASME InterPACK ’01, The Pacific Rim/ASME International Electronic Packaging Technical Conference and Exhibition", Kauii, Hawaii, 2001.
• Erden, H.S., Koz, M., Yildirim, M.T., Khalifa, H.E., "Experimental investigation of CRAH bypass for enclosed aisle data centers," in Proc. IEEE ITherm, pp. 1293-1299, Las Vegas, NV, USA, May/Jun. 2016.
• Erden, H.S., Koz, M., Yildirim, M.T., Khalifa, H.E., “Experimental Demonstration and Flow Network Model Verification of Induced CRAH Bypass for Cooling Optimization of Enclosed-Aisle Data Centers,” IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 7, Issue 11, pp. 1795-1803, 2017.
• Erden, H.S., Koz, M., Yildirim, M.T., Khalifa, H.E., “Optimization of Enclosed Aisle Data Centers with Induced CRAH Bypass”, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 7, Issue 12, pp. 1981-1989, 2017.
• Athavale, J., Joshi, Y., ve Yoda, M., “Experimentally validated computational fluid dynamics model for data center with active tiles,” J. Electron. Packag., vol. 140, no. 1, p. 10902, 2018.
• Erden, H.S., “Investigation of Induced CRAH Bypass for Air-Cooled Data Centers Using Computational Fluid Dynamics,” in Proc. IEEE SoftCOM 2017, Split, pp. 1-6, 2017.
• Ahmadi, V.E. and Erden, H.S., “Investigation of CRAH Bypass for Air-Cooled Data Centers using Computational Fluid Dynamics,” IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC) 2018 (pp. 1-6), 2018.
• Ahmadi, V.E. and Erden, H.S., “A parametric CFD study of computer room air handling bypass in air-cooled data centers,” Applied Thermal Engineering, Volume 166, 114685, ISSN 1359-4311, 2020, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114685.
• ASHRAE, “Duct design,” in Fundamentals Handbook. Atlanta, Georgia: ASHRAE, ch. 34, 2001.
• Turkmen, I., Mercan, C.A., Erden, H.S., “Experimental and Computational Investigations of the Thermal Environment in a Small Operational Data Center for Potential Energy Efficiency Improvements,” J. Electron. Packag. Sep 2020, 142(3): 031116, 10.1115/1.4047845
• Moore, J., Chase, J., Ranganathan, P., Sharma, R., Making Scheduling “Cool”:Temperature-Aware Workload Placement in Data Centers. In: Proceedings of the USENIX Annual Technical Conference, Anaheim, CA, 2005.
• Vertiv, Rubén Fernandez, Gabriel Bonilha ve Hakan İçli ile eposta iletişimleri, 2020.
• Gözcü, O., Erden, H.S., “Energy and economic assessment of major free cooling retrofits for data centers in Turkey,” Turkish J. Electr. Eng. Comput. Sci., 27 (3), pp. 2097-2212, 2019.
• Kierulff, H., MIRR: A better measure, Business Horizons, 51(4), pp. 321-329, 2008.
• Mayes, T.R. ve Shank T.M., Financial Analysis with Microsoft Excel 2016, Boston, MA, ABD. Cengage Learning, 2018.
• Server Rack Online. Raised Floor Airflow Panels & Controllers/Dampers. https://www.server-rack-online.com/airflow-panels.html. Erişim tarihi Mart 7, 2021.
• STULZ, Şenay Üner (Key Account Manager) ile eposta iletişimi, 2020.
• TATE, Daniel Kennedy (General Manager) ile eposta iletişimi, 2020.
• Spangler, R., Jeffers, G., “Total cost of ownership comparison of air economizers to other energy saving techniques in data center applications”, ASHRAE Transactions; 116 (2): 82-89, 2010.
• Ganguly, S., Shehabi, A., Tschudi, W.F., Gadgil, AJ., “Impact of Air Filtration on the Energy and Indoor Air Quality of Economizer-based Data Centers in the PG&E Territory”, Berkeley, CA, USA: Lawrence Berkeley National Laboratory, 2009.
• ASHRAE, “Owning and Operating Costs,” in HVAC Applications. Atlanta, Georgia: ASHRAE, ch. 37.3, 2015.
• Türkiye İstatistik Kurumu. Enflasyon ve fiyat [çevrimiçi], 2020, http://www.tuik.gov.tr/UstMenu.do?metod=temelist
• Çalışma Genel Müdürlüğü, “Yıllar itibarıyla günlük ve aylık asgari ücretler”, Aile, Çalışma ve Sosyal Hizmetler Bakanlığı, [çevrimiçi], 2020, https://www.ailevecalisma.gov.tr/media/35831/yillar-itibariyla-gunluk-ve-aylik-asgari-ucret-01-07-1974-31-12-2020.pdf
• TEDAŞ, Elektrik Tarifeleri [çevrimiçi], 2020, http://www.tedas.gov.tr/#!tedas_tarifeler
• TCMB. Gösterge Niteliğindeki Merkez Bankası Kurları, [çevrimiçi], 9 Kasım 2020, https://www.tcmb.gov.tr/kurlar/kurlar_tr.html
• Lande, Pınar Çınar Özdemir (Yurtiçi Satış Sorumlusu) ile eposta iletişimi, 2020.
• Mirsan, Neşe Doğan (Yurtiçi Satış Temsilcisi) ile eposta iletişimi, 2020.
• Vertiv, İlke Çakabey (Thermal Sales Manager) ile eposta iletişimi, 2020.
• EAE Elektroteknik, Elektroteknik Taşeron Firma (Çelik Cam Yapı), Cemal ÇELİK (Firma Sahibi) ile eposta iletişimi, 2020.
• Erfa Mühendislik, Erhan SAGIN (Elektrik Mühendisi) ile eposta iletişimi, 2020.
• Cns Teknoloji ve Mühendislik, Cengiz PELTEK (Data Center, Infrastructure & IOT Solutions Manager) ile eposta iletişimi, 2020.
• Oniks Kontrol, Sürücüler, [çevrimiçi], 2020, http://www.onxcontrol.com