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

Erden, Hamza Salih; TÜRKMEN, İSMAİL

doi:10.17341/gazimmfd.897270

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

Hamza Salih ERDEN, (İstanbul Teknik Üniversitesi, Bilişim Enstitüsü, Bilişim Uygulamaları Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye)

İsmail TÜRKMEN (Yıldız Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, İstanbul, Türkiye)

Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi

2 1

Yıl: 2022 Cilt: 37 Sayı: 4 Sayfa Aralığı: 1883 - 1898 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.897270 İndeks Tarihi: 29-07-2022

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

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 Kelime: ekonomik analiz ısıl sistemler termodinamik modelleme veri merkezleri

Energy and economic analysis of the bypass method for the computer room air conditioning units of a small data center

Öz:

Earlier optimization studies utilized reduced-order modeling approach combining flow network modeling at room level and thermodynamic modeling at the cooling infrastructure level to investigate the energy saving potential of the computer room air handling (CRAH) bypass (BP) method for data centers. Flow network modeling worked well in predicting the cooling infrastructure power use at various BP fractions. While existing studies are either on hypothetical data centers or experimental setups, there is no considerable work on the feasibility of the method in real and operational data center. Economic requirements of the method is another aspect missing in the literature. This study includes assessments on the feasibility of the CRAH BP methods (forced and induced) in an operational data center using reduced-order modeling approaches suggested in the literature. As a result of the energy and economic analysis of various scenarios, it has been concluded that the feasibility of the CRAH BP method is directly related to the number of fans required by the design and recommendations for application have been proposed.

Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

1. Kim D.W., Kim Y.M., Lee S.E., Development of an energy benchmarking database based on cost-effective energy performance indicators: Case study on public buildings in South Korea, Energy and Buildings, 191, 104-116, 2019.
2. Altun M., Meral Akgül Ç., Akçamete A., Effect of envelope insulation on building heating energy requirement, cost and carbon footprint from a life cycle perspective. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35 (1), 147-164, 2019.
3. Ertürk M., Calculation amount of carbon dioxide and sulfur dioxide per capita area, per unit area for the heating period: Example of Izmir, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 36 (1), 319-332, 2020
4. Ekşi Kılıçaslan A., Kus H., Evaluation of the hygrothermal performance of external thermal insulation applications on the outer walls of existing buildings. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 36 (1), 89-104, 2020.
5. Masanet E., Shehabi A., Lei N., Smith S., Koomey J., Recalibrating global data center energy-use estimates, Science, 367, 984-986, 2020.
6. Belady C., Rawson A., Pfleuger D., Cader T., Green Grid Data Center Power Efficiency Metrics: PUE and DCiE The Green Grid, White Paper No. 6, 2008.
7. ISO. Information Technology -- Data Centres -- Key Performance Indicators -- Part 2: Power Usage Effectiveness (PUE), 2016, https://www.iso. org/ standard/63451.html.
8. Shehabi A., Smith S., Sartor D.A., Brown R.E., Herrlin M., Koomey J.E., Masanet E.R., Horner N., Azevedo I.L., Lintner W, 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-datacenter-energy.
9. Patankar S.V., Airflow and cooling in a data center, J. Heat Transfer 132, 73001-1-73001-17, 2010.
10. ASHRAE, Thermal Guidelines for Data Processing Environments, 4th Edition, Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2015.
11. 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.
12. Seymour M., Chapter 17: Computational Fluid Dynamics Applications in Data Centers, Data Center Handbook, Editör: Geng H., John Wiley & Sons, 313- 341, 2015.
13. Salim M., Tozer R., Data Centers’ Energy Auditing and Benchmarking-Progress Update, ASHRAE Trans., 116 (1), 2010.
14. Khalifa H.E., Demetriou D.W., Enclosed-aisle data center cooling system, Google Patents, 02-Feb-2012.
15. Erden H.S., Yildirim M. T., Koz M., H.E. Khalifa, Energy assessment of CRAH bypass for enclosed aisle data centers, in Proc. IEEE ITherm, 433–439, Las Vegas, NV, USA, May/Jun. 2016.
16. Demetriou D.W., Khalifa H.E., Optimization of Enclosed Aisle Data Centers Using Bypass Recirculation, Journal of Electronic Packaging, 134 (2), 2012.
17. Kang S, Schmidt R.R., Kelkar K.M., Radmehr A., Patankar S.V., 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.
18. Schmidt R., Karki K., Kelkar K., Radmehr A., 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.
19. 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, 1293- 1299, Las Vegas, NV, USA, May/Jun. 2016.
20. 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, 7 (11), 1795-1803, 2017.
21. 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, 7 (12), 1981-1989, 2017.
22. Athavale J., Joshi Y., Yoda M., Experimentally validated computational fluid dynamics model for data center with active tiles, J. Electron. Packag., 140 (1), 10902, 2018.
23. Erden H.S., Investigation of Induced CRAH Bypass for Air-Cooled Data Centers Using Computational Fluid Dynamics, in Proc. IEEE SoftCOM 2017, Split, 1-6, 2017.
24. Ahmadi V.E., Erden H.S., Investigation of CRAH Bypass for Air-Cooled Data Centers using Computational Fluid Dynamics, IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC) 2018, 1-6, 2018.
25. Ahmadi V.E., Erden H.S., A parametric CFD study of computer room air handling bypass in air-cooled data centers, Applied Thermal Engineering, 166, 114685, 2020.
26. ASHRAE, Duct design, Fundamentals Handbook. Atlanta, Georgia, ASHRAE, Ch. 34, 2001.
27. 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. 142 (3) 031116, 2020.
28. Moore J., Chase J., Ranganathan P., Sharma R., Making Scheduling “Cool”: Temperature-Aware Workload Placement in Data Centers, Proceedings of the USENIX Annual Technical Conference, Anaheim, CA, 2005.
29. Vertiv, Rubén Fernandez, Gabriel Bonilha ve Hakan İçli ile eposta iletişimleri, 2020.
30. 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), 2097-2212, 2019.
31. Kierulff, H., MIRR: A better measure, Business Horizons, 51 (4), 321-329, 2008.
32. Mayes T.R., Shank T.M., Financial Analysis with Microsoft Excel 2016, Boston, MA, ABD. Cengage Learning, 2018.
33. Server Rack Online. Raised Floor Airflow Panels & Controllers/Dampers. https://www.server-rackonline.com/airflow-panels.html. Erişim tarihi Mart 7, 2021.
34. STULZ, Şenay Üner (Key Account Manager) ile eposta iletişimi, 2020.
35. TATE, Daniel Kennedy (General Manager) ile eposta iletişimi, 2020.
36. 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.
37. 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.
38. ASHRAE, Owning and Operating Costs, HVAC Applications. Atlanta, Georgia: ASHRAE, Ch. 37.3, 2015.
39. Türkiye İstatistik Kurumu. Enflasyon ve fiyat, http://www.tuik.gov.tr/UstMenu.do?metod=temelist. 2020.
40. Çalışma Genel Müdürlüğü, Yıllar itibarıyla günlük ve aylık asgari ücretler, Aile, Çalışma ve Sosyal Hizmetler Bakanlığı, https://www.ailevecalisma.gov.tr/media/35831/yillaritibariyla-gunluk-ve-aylik-asgari-ucret-01-07-1974-31- 12-2020.pdf. 2020.
41. TEDAŞ, Elektrik Tarifeleri, http://www.tedas.gov.tr /#!tedas_tarifeler. 2020.
42. TCMB, Gösterge Niteliğindeki Merkez Bankası Kurları, https://www.tcmb.gov.tr/kurlar/kurlar_tr.html. 9 Kasım 2020,
43. Lande, Pınar Çınar Özdemir (Yurtiçi Satış Sorumlusu) ile eposta iletişimi, 2020.
44. Mirsan, Neşe Doğan (Yurtiçi Satış Temsilcisi) ile eposta iletişimi, 2020.
45. Vertiv, İlke Çakabey (Thermal Sales Manager) ile eposta iletişimi, 2020.
46. EAE Elektroteknik, Elektroteknik Taşeron Firma (Çelik Cam Yapı), Cemal Çelik (Firma Sahibi) ile eposta iletişimi, 2020.
47. Erfa Mühendislik, Erhan Sagin (Elektrik Mühendisi) ile eposta iletişimi, 2020.
48. Cns Teknoloji ve Mühendislik, Cengiz Peltek (Data Center, Infrastructure & IOT Solutions Manager) ile eposta iletişimi, 2020.
49. Oniks Kontrol, Sürücüler, http://www.onxcontrol.com. 2020.

APA	Erden H, TÜRKMEN İ (2022). Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi. , 1883 - 1898. 10.17341/gazimmfd.897270
Chicago	Erden Hamza Salih,TÜRKMEN İSMAİL Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi. (2022): 1883 - 1898. 10.17341/gazimmfd.897270
MLA	Erden Hamza Salih,TÜRKMEN İSMAİL Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi. , 2022, ss.1883 - 1898. 10.17341/gazimmfd.897270
AMA	Erden H,TÜRKMEN İ Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi. . 2022; 1883 - 1898. 10.17341/gazimmfd.897270
Vancouver	Erden H,TÜRKMEN İ Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi. . 2022; 1883 - 1898. 10.17341/gazimmfd.897270
IEEE	Erden H,TÜRKMEN İ "Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi." , ss.1883 - 1898, 2022. 10.17341/gazimmfd.897270
ISNAD	Erden, Hamza Salih - TÜRKMEN, İSMAİL. "Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi". (2022), 1883-1898. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.897270

APA	Erden H, TÜRKMEN İ (2022). Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 37(4), 1883 - 1898. 10.17341/gazimmfd.897270
Chicago	Erden Hamza Salih,TÜRKMEN İSMAİL Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 37, no.4 (2022): 1883 - 1898. 10.17341/gazimmfd.897270
MLA	Erden Hamza Salih,TÜRKMEN İSMAİL Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.37, no.4, 2022, ss.1883 - 1898. 10.17341/gazimmfd.897270
AMA	Erden H,TÜRKMEN İ Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2022; 37(4): 1883 - 1898. 10.17341/gazimmfd.897270
Vancouver	Erden H,TÜRKMEN İ Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2022; 37(4): 1883 - 1898. 10.17341/gazimmfd.897270
IEEE	Erden H,TÜRKMEN İ "Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 37, ss.1883 - 1898, 2022. 10.17341/gazimmfd.897270
ISNAD	Erden, Hamza Salih - TÜRKMEN, İSMAİL. "Küçük bir veri merkezinin iklimlendirme ünitelerine yönelik baypas yönteminin enerji ve ekonomik analizi". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 37/4 (2022), 1883-1898. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.897270