Veri Merkezi Soğutmasında Serbest Soğutma ve Eşanjör Seçimi

Özet: Veri merkezlerinde soğutma, toplam elektrik tüketiminin önemli bir bölümünü oluşturur. Serbest soğutma (free cooling), dış hava koşulları uygun olduğunda chiller kompresörünü devreden çıkararak bu tüketimin büyük bölümünü ortadan kaldırır. Su tarafı serbest soğutmanın kalbinde tek bir ekipman vardır: soğutma kulesi devresi ile chiller devresini birbirinden ayıran plakalı ısı eşanjörü. Bu yazıda şemaları, yaklaşma sıcaklığının saat kazancına etkisini, 1 MW yük için sayısal bir örneği ve eşanjör seçim kriterlerini ele alıyoruz.

Serbest soğutma nedir, kaç türü vardır?

Serbest soğutma, dış ortam sıcaklığı yeterince düşük olduğunda soğutma yükünü mekanik soğutma (kompresör) olmadan karşılamaktır. Üç temel yaklaşım vardır:

Türkiye’deki kurumsal veri merkezlerinde en yaygın yapı su tarafı serbest soğutmadır; mevcut chiller ve soğutma kulesi altyapısına en az müdahaleyle eklenebilir. ENERGY STAR, su tarafı ekonomizerin uygun iklimlerde soğutulmuş su üretim maliyetini belirgin ölçüde düşürdüğünü ve aynı zamanda chiller arızasında ek yedeklilik sağladığını belirtir.

Su tarafı serbest soğutma devre şeması

Standart kurgu üç modludur:

1. Mekanik mod (yaz): Kule suyu kondensere gider, chiller çalışır. Eşanjör devre dışı, vanalar kapalı.
2. Kısmi serbest soğutma (geçiş mevsimi): Dönüş soğutulmuş suyu önce eşanjörden geçer, bir miktar ön soğutma alır, kalanı chiller tamamlar. Chiller kısmi yükte çalışır.
3. Tam serbest soğutma (kış): Chiller tamamen kapalı, soğutulmuş su yükü yalnızca eşanjör üzerinden kule devresine aktarılır.

Eşanjör, kule devresi ile kapalı soğutulmuş su devresini birbirinden hidrolik olarak ayırır. Bu ayrım zorunludur: açık kule suyu hava ile temas ettiği için oksijen, tuz derişimi ve biyolojik yük taşır; bu suyun soğutulmuş su devresine ve klima santrali serpantinlerine girmesine izin verilemez. Hidrolik ayırmanın genel prensipleri için ısıl denge elemanları ve chiller ayırıcı eşanjör devre şeması yazımıza bakabilirsiniz.

Yaklaşma sıcaklığı: kaç saat serbest soğutma yapabileceğinizi bu belirler

Serbest soğutmanın mümkün olduğu saat sayısı, zincirdeki toplam sıcaklık farkına bağlıdır. Zincir şöyledir:

Yaş termometre sıcaklığı → (kule yaklaşması) → kule çıkış suyu → (eşanjör yaklaşması) → soğutulmuş su gidiş sıcaklığı

Örnek: Soğutulmuş su gidişi 14 °C hedefleniyor.

Yani tam serbest soğutma için dış yaş termometre sıcaklığının 9,0 °C’nin altında olması gerekir. Şimdi eşanjörü büyütüp yaklaşmayı 1,5 K’dan 0,8 K’ya indirdiğimizi varsayalım: gereken yaş termometre sıcaklığı 9,7 °C’ye çıkar. Ilıman deniz iklimlerinde yaş termometre dağılımı bu aralıkta yoğun olduğu için 0,7 K’lık bir iyileşme yılda birkaç yüz saat kazandırabilir.

Bu, veri merkezi eşanjörlerini genel HVAC eşanjörlerinden ayıran temel noktadır: burada amaç minimum alanla yükü aktarmak değil, yaklaşma sıcaklığını minimuma indirmektir. Seçim mantığı klasik HVAC uygulamalarından bilinçli olarak ayrışır.

Sayısal örnek: 1 MW yük

Veriler: 1.000 kW soğutma yükü, soğutulmuş su 14/20 °C, kule devresi 12,5/18,5 °C, chiller COP 5,2, kule fanı ile kule pompası toplam 45 kW.

1) Debiler: ṁ = 1.000 ÷ (4,186 × 6) = 39,8 kg/s ≈ 143 m³/h (her iki taraf da 6 K sıcaklık farkıyla benzer).

2) LMTD: Karşı akış, ΔT₁ = 20 − 18,5 = 1,5 K, ΔT₂ = 14 − 12,5 = 1,5 K. Eşit olduğu için LMTD = 1,5 K.

3) Alan: Temiz su–su, yüksek türbülanslı plaka ile U ≈ 6.000 W/m²K.

A = 1.000.000 ÷ (6.000 × 1,5) = 111 m²

Kule suyu tarafı için kirlilik payı %20 eklendiğinde A ≈ 133 m². 0,50 m² etkin alanlı plakalarla yaklaşık 268 ısı transfer plakası gerekir.

Karşılaştırma: Aynı 1.000 kW’ı 5 K yaklaşmayla aktarsaydık A ≈ 33 m² olurdu — dörtte biri. Eşanjör maliyeti belirgin şekilde artar, ancak kazanılan saatler bunu çoğu iklimde fazlasıyla karşılar:

Bu dağılımda yıllık soğutma elektriği kabaca 2.080 MWh yerine 1.040 MWh mertebesine iner. Saat dağılımı tamamen yerel yaş termometre istatistiklerine bağlıdır ve her proje için meteorolojik veriyle yeniden hesaplanmalıdır — yukarıdaki rakamlar büyüklük mertebesi göstermek içindir, tasarım değeri değildir.

Eşanjör seçiminde veri merkezine özgü 6 kriter

1. Düşük yaklaşma için plaka geometrisi. Yüksek açılı (H) plakalar daha çok ısı transfer eder ama basınç kaybı yüksektir. Veri merkezinde tipik olarak karışık kanal (H/L kombinasyonu) ile 1–2 K yaklaşma ve makul basınç kaybı birlikte hedeflenir.
2. Basınç kaybı bütçesi. Her 10 kPa ek basınç kaybı, 143 m³/h debide yaklaşık 0,6 kW ek pompa gücü demektir ve bu güç yılın büyük bölümünde harcanır. 30–40 kPa üstü tasarımlar sorgulanmalıdır.
3. Açılabilir olması. Kule suyu tarafı kaçınılmaz olarak kirlenir. Contalı plakalı eşanjör açılıp mekanik temizlenebilir; lehimli tip bu uygulamada uygun değildir.
4. Plaka malzemesi. Kule suyunda klorür derişimi buharlaşmayla artar. Derişim kontrol altında değilse 316L’de çukurcuk ve gerilmeli korozyon riski doğar; sınır değerler ve titanyum kararı için 316L ve titanyum karşılaştırması.
5. Yedeklilik. N+1 kurgu için tek büyük eşanjör yerine iki adet %50–60 kapasiteli eşanjör, bakım sırasında serbest soğutmanın devam etmesini sağlar.
6. Genişleyebilirlik. Çerçeve, ileride plaka eklenerek kapasite artışına izin verecek şekilde uzun sipariş edilmelidir. Veri merkezi yükleri kurulum sonrası neredeyse her zaman artar.

Su kalitesi, kirlenme ve donma

Serbest soğutmanın en sık görülen işletme sorunu, kule tarafındaki kirlenmeden kaynaklanan performans kaybıdır. 1,5 K yaklaşma ile tasarlanmış bir eşanjörde ince bir biyofilm tabakası bile yaklaşmayı 2,5 K’ya çıkarabilir; bu da yılda yüzlerce saat serbest soğutma kaybı demektir.

Donma riski nedeniyle bazı tasarımlarda kule devresine glikol katılır. Bu karar bedava değildir: glikol ısı transferini ve kapasiteyi düşürür. Oran seçimi ve kapasite kaybı tabloları için glikol oranı ve kapasite kaybı yazımıza bakınız. Sızıntı ve iç karışım şüphesinde izlenecek adımlar eşanjör sızdırıyor teşhis rehberimizde anlatılmıştır.

Kontrol stratejisi: modlar arası geçiş

Serbest soğutmanın kâğıt üstündeki kazancını sahada yok eden şey genellikle kötü kurgulanmış mod geçişidir. İyi bir strateji şu unsurları içerir:

• Histerezis: Modlar arası geçişte en az 1,5–2 K ölü bant. Aksi halde sistem sınır sıcaklıkta saatte onlarca kez mod değiştirir.
• Minimum çalışma süresi: Chiller devreye girdiğinde en az 15–20 dakika çalışmalıdır; kısa çevrimler kompresör ömrünü tüketir.
• Kayan kule suyu hedefi: Sabit 27 °C hedefi yerine yaş termometreyi izleyen kayan hedef, serbest soğutma penceresini genişletir.
• Soğutulmuş su sıcaklığını yükseltmek: ASHRAE’nin veri merkezi ortam sınıfları, birçok modern bilişim ekipmanının daha yüksek giriş havası sıcaklığında güvenle çalışabildiğini gösterir. 7 °C yerine 14–16 °C soğutulmuş su ile çalışmak serbest soğutma saatlerini kat kat artırır. Bu değişiklik mutlaka salon sıcaklık haritası ve ekipman üretici sınırları doğrulanarak yapılmalıdır.
• Ölçüm: Her iki taraf giriş/çıkış sıcaklıkları, debiler ve basınç kayıpları sürekli kaydedilmelidir. Devreye alma değerleri temiz hal referansıdır.

Devreye almada kaydedilmesi gereken değerler

1. Eşanjörün dört sıcaklığı (kule giriş/çıkış, soğutulmuş su giriş/çıkış) tam yükte.
2. Ölçülen yaklaşma sıcaklığı — tasarım değeriyle karşılaştırma.
3. İki taraftaki basınç kaybı, ölçülen debilerle birlikte.
4. Tam serbest soğutmaya geçişin gerçekleştiği yaş termometre sıcaklığı.
5. Mod geçiş histerezis değerleri ve minimum çalışma süreleri.
6. Kule suyu iletkenliği, pH, klorür derişimi ve derişim çevrimi.

Bu liste bir yıl sonra tekrar ölçüldüğünde, serbest soğutma saatlerindeki kaybın kirlenmeden mi, iklimden mi yoksa kontrol ayarından mı kaynaklandığı ayırt edilebilir. Referans kaydı olmayan tesislerde bu ayrım yapılamaz.

İlgili içerikler

• Chiller ayırıcı eşanjör devre şeması
• HVAC’ta contalı plakalı eşanjör uygulamaları
• Isı eşanjörü hesabı: LMTD, U değeri ve plaka sayısı
• 316L mi titanyum mu?
• İklimlendirme sektörü çözümleri · Endüstriyel proses
• Teknik servis ve plaka temizliği

Kaynaklar

1. ENERGY STAR — Consider Water-Side Economizers
2. ENERGY STAR — Use an Air-Side Economizer
3. ASHRAE — Datacom Series ve veri merkezi kaynak sayfası
4. Engineering ToolBox — Ethylene Glycol Heat-Transfer Fluid Properties

Veri merkeziniz için serbest soğutma eşanjörü seçimi, mevcut sistemin yaklaşma sıcaklığı ölçümü veya kapasite artırımı konusunda destek almak isterseniz iletişim sayfamızdan ulaşabilir veya +90 216 620 83 32 numaralı hattımızı arayabilirsiniz.