Verimli veri merkezi soğutması için fayda döngüsü oluşturmak

Anıl Çevikel

ABB Elektrik, Sürücü Bölümü, HVACR Satış Müdürü

Veri merkezleri, halihazırda dünya enerji üretiminin yaklaşık % 2’sini kullanmaktadır ve enerji taleplerinin 2030 yılına kadar sekiz kat artacağı öngörülüyor. Yaklaşık 3.200 TWh. Bu enerjinin yaklaşık% 40’ı, tesisin 7/24 çalışır durumda kalmasını sağlamak için kritik olan soğutma sistemleri tarafından kullanılıyor. Bu nedenle, veri merkezlerinin ısıtma, havalandırma, iklimlendirme ve soğutma (HVACR) sistemlerinin kalbini oluşturan yüzlerce fan, pompa ve kompresörün enerji verimliliğini optimize etme ihtiyacına daha fazla odaklanılması gerekmektedir.

Frekans konvetörleri (VFD’ler) enerji tasarrufunda önemli bir role sahiptir. Bunu, HVACR uygulamalarında kullanılan elektrik motorlarının hızını kontrol ederek yaparlar, böylece gerekli akışı üretmek için sadece gerektiği kadar enerji kullanımını sağlarlar. Ancak, VFD’lerin avantajı sadece enerji verimliliği sağlaması olmamakla beraber, bir veri merkezi soğutma projesinin gerçek başarısı, sekiz anahtar faktörden oluşan fayda döngüsünün oluşturulmasına bağlıdır: verimlilik, güvenilirlik, güvenlik, kullanılabilirlik, işlerlik, hizmet verilebilirlik, sürdürülebilirlik ve ölçeklenebilirlik.

Kısmi yüklerde verimlilik kritik öneme sahiptir

Veri merkezi soğutma sistemleri, yaz sıcakları gibi en olumsuz koşullar altında bile en pik yükleri kaldırabilecek şekilde boyutlandırılır. Ancak çoğu durumda, soğutma sistemleri tam yükte değil;
kısmı yüklerde çalışıyor olabilir. Buradaki konu, kısmi yüklerde de yüksek sistem verimlilğini sağlayabilmesi için  soğutma sisteminin, veri merkezinin değişken yük profiline uyumlu şekilde ayarlanmasını sağlamaktır.

Fanlar, pompalar ve motorlar için sektörde çok sayıda motor ve hız kontrol çözümleri bulunmaktadır. Verimliliklerini değerlendirirken, hem elektriksel, hem de mekanik performansın toplam etkilerini dikkate almak gerekir. Örneğin, entegre fan ve motor kontrol çözümleri yüksek elektrik verimliliği sağlar. Ancak, harici rotor, fanın bir parçası olduğu için hava akışını engeller. Bu aerodinamik verimliliği azaltır ve dolayısıyla toplam verimliliği etkiler. Buna karşılık, frekans konvertörü ile çalışan yüksek verimli bir motor, toplam enerji verimliliği açısından bakıldığında daha üstün performans sağlayabileceğini söyleyebiliriz.

Güç kalitesi – önemli bir güvenilirlilik faktörü

Güvenirlik, kullanılabilirlik ve güvenlik, veri merkezleri için kritik öneme sahiptir ve soğutma sistemleri de tesisin her zaman çalışır durumda olmasında hayati bir öneme sahiptir. Güvenilirlik faktörlerinden biri, güç şebekesindeki harmoniklerin var olmasıdır.

VFD’ler enerji verimliliğinde çok önemli bir rol oynarken, diğer lineer olmayan yüklerle birlikte, güç şebekesinde akım ve gerilim dalga formlarını bozarak hormoniklerin oluşmasına da neden olur. Harmonik akımları motor, trafo ve kablolarda güç kayıpları oluşturur ve atık ısıların oluşmasına sebep olurlar. Ayrıca, artan ısı ve elektromanyetik parazit (EMC), cihazlarda arıza veya bozulma riski oluşturur.

Harmoniklerin etkisi sonucu enerji sistemlerinde gözlemlenen olumsuz etkilerden biri de enerji tüketiminde artışa sebep olmasıdır.

Burada çözüm, kısmi yüklerde bile düşük harmonik seviyesini sağlayabilen, HVACR uygulamaları için tasarlanmış ultra düşük harmonikli (ULH) ACH580 serisi sürücüler kullanmaktır. Soğutma sistemlerinin bağlı olduğu sebekede temiz bir enerji sağlayabildiğiniz taktirde, tüm sistem için tekrardan harici harmonik çözümlerine ihtiyaç duymazsınız.

Bununla birlikte güç faktörünü de dikkate almak gerekir. Veri sunucuları kapasitif yüklerdir. Soğutucu ekipmanlar ise büyük endüktif yüklere sahiptir. Her iki yük tipi de, güç faktörünü (PF) etkileyen reaktif güç kaynaklarıdır. PF, basit bir ifadeyle, bir elektrik ekipmanının tedarik edilen elektrik enerjisini ne kadar verimli kullandığının bir ölçüsüdür. İdeal olarak, PF=1 olmalıdır.

Yüksek seviye reaktif güce bağlı sonuçlardan bahsedecek olursak da, akım ve ısı kayıplarının artmasına, iletim hatlarında yüklenmelere; düşük güç faktörü sebepli cezai yaptırımlara neden olurlar.

ULH sürücüler şebekedeki reaktif gücü kompanze eder, ve harici çözümlere ihtiyaç duymadan yüksek güç faktörü sağlar. Harmonikler sürücü içerisinde yok edilir.

Güç kalitesindeki bir diğer önemli konu da, EMC’dir. Veri merkezleri yüksek güç seviyelerine ihtiyaç duyarlar ve bu durum yüksek elektromanyetik yayılımları oluşturur. Yüksek frekanslı emisyonlar ,IT ekipmanlarını, veri merkezi güvenliğini ve performansını olumsuz şekilde etkileyebilir. Veri merkezlerinde kullanılan frekans konvertörlerinde mutlaka EN61800-3 EMC standardına uygunluğunun olması gerekir.

EMC konusu göz ardı edilmesi durumunda da, sonradan harici filtreleme ekipmanlarına ihtiyaç duyarsınız ve bu da ilave maliyetlere neden olur.

Çalışabilirlik ve servis kolaylığı

Veri merkezlerindeki fanlar için motor hız kontrolüne üç ana yaklaşım vardır. Birincisi, bir EC fanlar- bir motorla hız kontrol cihazının paket çözümü. EC motorlardan biri arızalanır ve EC fanları bir haberleşme üzerinden kontrol etmeye devam edebilirseniz yedekleme  yapabilirsiniz. Dezavantajı ise, bir ‘manuel’ modu olmamasıdır, bu nedenle kontrol sistemi ile olan bağlantı kopar ise, hız kontrolü kaybedilir. Ayrıca , bu teknolojide by-pass kullanmak da mümkün değildir.

Alternatif çözümü, her biri kendi frekans konvertörü tarafından kontrol edilen AC motorlar kullanmaktır. Master-slave algoritması veya bir fieldbus üzerinden haberleşme sağlanarak bir fan duvarı uygulamasındaki her bir fanı kontrol edebilirsiniz.. BACnet bağlantısı, kullanımı kolay bir arayüz sağlar. “Manuel” ve “otomatik” modları, kontrol sistemi arızalansa bile fan kontrolüne izin verir. Yedekleme yapabileceğinizden dolayı bir arıza durumunda by-pass yapabilirsiniz.

Ayrıca, tek bir sürücü aracılığıyla da fan duvarı kontrolünü yapabilirsiniz. Ana sürücün arızalanması durumunda gerekli hava akışını sağlamak için bir veya daha fazla yedek sürücü bekleme modunda tutulur.

HVACR için özel olarak tasarlanan bir frekans konvertöründe dahili olan özel fonksiyonlar, tüm soğutma ve havalandırma sisteminde servis verilebilirliğe de büyük katkı sağlar.  Örneğin, sürücü, motor ve sistemin zarar görmesini engellemek adına , fazla yüklenmeye veya pompa sisteminde oluşmuş tıkanıklıklıktan dolayı durmuş olan bir motoru da koruyabilir.

Diğer frekans konvertörü fonksiyonlarından bahsedecek olursak, pompada su kalmadığında kuru çalışmanın önlenmesi; fanlara, pompalara ve kompresörlere zarar verebilecek rezonansı önlemek için titreşim izleme; boru basıncı izleme; su pompaları, borular ve hava kanalları üzerindeki mekanik gerilimleri azaltmak için yumuşak yolverme olarak sıralayabiliriz.

Özellikle fan duvarları kullanıyorsanız, motor veya sürücü arızalanırsa ne yapacağınızı önceden planlamanız gerekir. Bir EC fanı veya entegre motorlu bir fandaki bir arıza durumunda, genellikle tüm üniteyi değiştirmek gerekir. Bu hem maliyetlidir, hem de uzun teslim sürelerinden dolayı sistemin sürdürülebilirliği etkilenir. Harici frekans konvertörlü sistemlerde ise,motor,fan veya sürücüyü ayrı olarak değiştirilebilirsiniz.

Servis kolaylığı açısından en uygun seçim, motorları, sürücüleri ve fanları ayrı olarak düşünmek. Çoğu durumda, bu ürünler aynı gün içerisinde değiştirilebilir.

Ölçeklenebilirlik, geleceğe dönük bir çözüm sağlar

Kesin olan tek şey, veri merkezlerinin sunucu yoğunluğunun artmaya devam edecek olmasıdır. Bu, ısı yüklerinin de artacağı anlamına gelir. Bu nedenle, veri merkezi soğutma sistemlerini gelecekteki ihtiyaçları da karşılayacak şekilde belirlemek gerekir. Özellikle, HVACR uygulamaları için geliştirilen frekanslı konvertörleri, dahili esneklik ve ölçeklenebilirlik ile tasarlandıkları için veri merkezleri için önemli bir avantaj sağlar.