Numerical investigation of CRAH bypass in the air-cooled data centers
Hava ile soğutulmuş veri merkezlerinde klima baypasyönteminin sayisal araştirmasi
- Tez No: 559896
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI, DR. ÖĞR. ÜYESİ HAMZA SALİH ERDEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Bir veri merkezi, verilerin i¸slenmesi ve saklanması amacıyla sunucu raflarından olu¸san bir tesistir. Tüm dünyada, özellikle ABD'deki veri merkezleri, enerji tüketiminin önemli bir bölümünü olu¸sturur. Yakın bir ara¸stırmaya [1] dayanarak, 2014 yılında, ABD'deki veri merkezlerinin hesapladı˘gı güç kullanımı yakla¸sık 70 milyar kWh veya toplam ABD elektrik tüketiminin yakla¸sık %1.8 'i kadardı. Bu çalı¸sma 2010-2014 yılları arasında veri merkezleri tarafından tüketilen elektri˘gin yakla¸sık %4, ve 2005'ten 2010'a kadar % 24 arttı˘gını göstermektedir. Veri merkezlerinde 2014'ten 2020'ye kadar ektrik tüketiminin bu yükselen trendı sürdürmesi beklenmektedir. Bu nedenle, veri merkezlerinin enerji verimlili˘gini arttırmak için çok çabaya ihtiyac duyulur. Veri merkezlerinde so˘gutma sistemleri tarafından yapılan enerji tüketimi, toplam enerji kullanımının yarısını olu¸sturabilir ve toplam i¸sletme maliyetlerine önemli ölçüde katkıda bulunur. Bu nedenle, so˘gutma sistemlerinin güç kullanımını azaltmak, veri merkezlerinin enerji verimlili˘gini iyile¸stirmede önemli bir parametre olarak kabul edilebilir. Tipik bir veri merkezinde, so˘gutma talebini kar¸sılamak için genellikle so˘gutulmu¸s bir su sistemi ve bir hava akımı döngüsü kullanılır. Sonuç olarak, etkili hava akı¸sı yönetimi ile birlikte optimize edilmi¸s bir so˘gutulmu¸s su sistemi, sadece enerji tüketimini ve emisyonu azaltmakla kalmaz, aynı zamanda IT ekipmanının güvenilir çalı¸smasını sa˘glar [2]. Genellikle hava so˘gutmalı veri merkezleri sert veya yükseltilmi¸s zemin düzeninde olu¸sur ve sunucu rafları tipik olarak sıcak ve so˘guk koridorlar olu¸sturmak için hava so˘gutmalı veri merkezlerinde arka arkaya ve önden öne yerle¸stirilir. ¸ Sekil 1.3, genel bir açık so˘guk koridor (OA) ve kapalı koridor (EA) veri merkezinin ¸semalarını göstermektedir. Yükseltilmi¸s zemin yapılandırmasında veri merkezindeki CRAH / CRAC (bilgisayar odası klima santrali) üniteleri, yer altı plenumundan so˘guk koridorlara so˘guk hava akı¸sı sa˘glar ve ısıtılmı¸s havayı sıcak koridorlardan çeker. Hava akı¸s alanı veri merkezinin so˘gutulmasını etkiledi˘ginden, yüksek güç yo˘gunlu˘gu ve termal yüklerde sıcaklık ve akı¸s alanlarının izlenmesi kritik. Hesaplamalı akı¸skanlar dinami˘gi (CFD), dü¸sük maliyetli hava akı¸s yollarının yanı sıra çe¸sitli noktaların sıcaklı˘gı hakkında ayrıntılı bilgi göstermek için güçlü bir araçtır. Kapalı koridor, hava so˘gutmalı veri merkezlerinde sunucu kabinlerinin giri¸slerindeki sıcaklık homojenli˘gini azaltır ve daha yüksek sıcaklıkta çalı¸sma sa˘glar. Daha yüksek çalı¸sma sıcaklı˘gı sadece so˘gutma sistemi verimlili˘gini arttırmaz, aynı zamanda serbest so˘gutma olasılı˘gını da arttırır. Kapalı koridor, veri merkezlerinde en dü¸sük so˘gutma gücünü sa˘glamaz. Aslında, bilgisayar odası hava ta¸sıyıcı (CRAH) fanlarının, gerekli tüm raf hava akı¸sının yanı sıra, plenum ve oda arasında do˘gal olarak bulunan sızıntı akı¸sını da sa˘glamaları gerekir ve bu nedenle CRAH fanları, so˘gutma gücünün belirgin bir bölümünü olu¸sturur. CRAH bypass (BP) yöntemi, dü¸sük akı¸s dirençli BP karoları veya sızıntı yollarına oda havasını indükleyerek veya zorlayarak sunucu raflarının gerekli hava akı¸sının bir kısmını sa˘glamak için delikli fayansların altına monte edilmi¸s ek fanları kullanır. Bu yöntem, CRAH ünitelerinin yüksek akı¸s direnci bile¸senlerinde hava akı¸sını azaltır. Her ne kadar CRAH BP yöntemi, veri merkezindeki toplam fan gücünü dü¸sürse de, oda plenuma bir miktar sıcak hava sa˘gladı˘gından, dü¸sük sıcaklık çalı¸sması nedeniyle so˘gutucu gücü artar. Literatürdeki azaltılmı¸s dereceli modelleme araçları, fan gücünü yeterli bir ¸sekilde öngörerek, bu optimizasyon problemi ile ba¸sa çıkmak için raf giri¸slerinde iyi bir ¸sekilde karı¸stırılmı¸s bir sıcaklı˘ga sahip oldu˘gunu kabul etmekte ve görmezlikteki sıcaklı˘gın homojen olmamalarının etkisini ölçmekte ba¸sarısız olmaktadır. Bu çalı¸sma, bir veri merkezi test hücresindeki sıcaklıkları öngörmede CRAH BP yöntemi için CFD modellemesinin deneysel bir do˘grulamasını içerir. Bu bölüm, en uygun CFD simülasyonunu bulmak için çe¸sitli modelleme parametrelerinin etkisini ara¸stırmakta ve CFD sonuçlarını iyile¸stirmede geometri detaylarını en güçlü faktör olarak belirlemektedir. Yapılan CFD do˘grulama, CFD kullanarak modelleme ve optimizasyon çabası için kılavuzlar sa˘glar. Kullanılabilir CFD simülasyonları, ticari CFD yazılımı Ansys Fluent 18.1 kullanılarak yapıldı. Takip eden parametrik çalı¸sma, hem kapalı hem de açık koridor konfigürasyonlarında indüklenen ve zorlanan CRAH BP'yi ara¸stırmanın yanı sıra çe¸sitli plenum yüksekliklerini, IT yükünü ve sunucu hava akı¸sını kar¸sıla¸stırmanın yanı sıra, hem kapalı hem de açık koridor konfigürasyonlarında ara¸stırmak için hem CFD hem de indirgenmi¸s modelleme (TDM) araçlarını kullanır. Sonuçlar, dü¸sük sipari¸s modelleme araçlarının nerede oldukça iyi performans gösterdi˘gini ve CFD ihtiyacının ortaya çıkmaya ba¸sladı˘gı yerleri göstermektedir ve CRAH BP yöntemi için çe¸sitli uygun veri merkezi tasarımlarını ve çalı¸sma ko¸sullarını tanımlamaktadır. ¸ Sekil 3.7 iki adımlı akı¸s ve enerji modelleme yakla¸sımını özetlemektedir. Bu kapsamda akı¸s a˘gı modellemesi (FNM) için ticari bir ürün olan AFT Fathom adlı yazılım kullanılacaktır. Bu yazılım ile olu¸sturulan akı¸s a˘gı modelleri CRAH BP yöntemi uygulaması yapılan deneysel bir veri merkezinde deneysel olarak teyit edilmi¸stir [25][26]. Hızlı çalı¸sması nedeniyle FNM, optimizasyon çalı¸smasına çok daha yatkın bir araç oldu˘gu için bu çalı¸sma kapsamında da optimizasyon çalı¸smalarının temelini olu¸sturacaktır. Zira FNM CRAH ve BP fan gücü de˘gerlerini detaylı CFD çalı¸smalarına gerek duymadan tahmin eder. FNM fan gücü tahminlerinde oldukça ba¸sarılı sonuçlar verirken, bu sonuçları de˘gerlendiren indirgenmi¸s model yakla¸sımının (TDM) özellikle yüksek BP akı¸slarında sıcaklık da˘gılımındaki düzensizliklerin artmasıyla hangi ¸sartlarda güvenilir sonuçlar vermekten uzakla¸stı˘gı ancak detaylı CFD modelleriyle görülebilecektir. Eksiksiz bir analiz için fanlar dı¸sında so˘gutma altyapısının güç gereksiniminin de gerçekçi bir yakla¸sımla tahmin edilebilmesi gerekir. Bu çalı¸smada TRNSYS adlı yazılım kullanılarak veri merkezi so˘gutma altyapısının temel bile¸senlerine ait güç kullanımları (chiller, so˘gutma kulesi, pompalar, fanlar vb.) ve oda seviyesinde önemli noktalardaki sıcaklıklar mükemmel karı¸sım varsayımıyla tespit edilecektir. CRAH BP çalı¸sması esnasında artı¸s gösteren ve CFD ile tespit edilecek sıcaklık düzensizlikleri mükemmel karı¸sım varsayımının güvenilirli˘gini test edecek, gereken yerlerde düzeltmelerin yapılabilmesini sa˘glayacaktır. Bu ara¸stırma kapalı koridorlu (EA) veri merkezlerinde enerji verimlili˘gini arttırmak amacıyla önerilen CRAH baypas (BP) yönteminin hem EA hem de açık koridorlu (OA) veri merkezlerindeki akı¸s ve sıcaklık da˘gılımına etkisini hesaplamalı akı¸skanlar dinami˘gi (CFD) modelleriyle tespit etmi¸stir, uygulamanın enerji tasarruf potansiyelini CFD sonuçlarıyla desteklenen indirgenmi¸s termodinamik modellerle de˘gerlendirmek ve sistemin ekonomik potansiyeline yönelik bir çalı¸sma yapılmı¸stır. Bu do˘grultuda bir temsili veri merkezi dü¸sünülmektedir; 1MW kabin yüküne sahip temsili bir veri merkezinin EA ve OA, farklı tasarım parametreleri ve farklı BP yöntemlerini kapsayan CFD modelleri olu¸sturulmu¸s. Bu modellerle CRAH BP yönteminin olu¸sturdu˘gu akı¸s ve sıcaklık da˘gılımlarından indirgenmi¸s modelleri destekleyecek veriler elde edilmi¸s. CRAH BP uygulamasıyla hava akı¸sı ve fan güçlerinin pratik tahmini için akı¸s a˘gı modelleri (FNM) ve so˘gutma altyapısının enerji sarfiyatını tahmin etmek için termodinamik modeller (TDM) olu¸sturulmu¸s.Hem FNM ve TDM modelleriyle hem de CFD sonuçları göz önünde bulundurularak temsili veri merkezinin CRAH BP yöntemiyle enerji optimizasyonu yapılmı¸s, farklı konfigürasyonlarda indirgenmi¸s model yakla¸sımı (FNM ve TDM) ve CFD arasındaki optimizasyon sonuçları kar¸sıla¸stırılmı¸s.
Özet (Çeviri)
Aisle containment decreases the temperature non-uniformities across the server rack inlets in air-cooled data centers and allows higher temperature operation. Higher operating temperature not only enhances the cooling system efficiency but also increases the possibility of free cooling. Enclosed aisle does not ensure the lowest cooling power in data centers. Actually, computer room air handler (CRAH) fans needs to supply the entire required rack airflow as well as leakage flow, which naturally exists between plenum and room, and hence CRAH fans form noticeable part of cooling power. CRAH bypass (BP) method employs additional fans installed under the perforated tiles to provide a fraction of server racks' required airflow either by inducing or forcing room air through the low flow resistance BP tiles or leakage paths. This method reduces the airflow across high flow resistance components of CRAH units. Although the CRAH BP method decreases the total fan power in the data center, the chiller power increases due to lower temperature operation since the room supplies some fraction of hot air to the plenum. The reduced-order modeling tools in the literature adequately predicting the fan power assume well-mixed temperature at rack inlets to deal with this optimization problem and fail to quantify the impact of ignoring temperature non-uniformities. This study includes an experimental verification of CFD modeling for CRAH BP method in predicting temperatures in a data center test cell. This part investigates impact of various modeling parameters in order to find the most appropriate CFD simulation and determines the geometry details as the most powerful factor in improving CFD results. The performed CFD verification provides guidelines for the modeling and optimization effort using CFD. Available CFD simulations have been carried out by using commercial CFD software Ansys Fluent 18.1. The subsequent parametric study uses both CFD and reduced-order modeling tools on a more representative quadrant of a large data center to investigate induced and forced CRAH BP in both enclosed and open aisle configurations as well as comparing various plenum heights, IT load and server airflow rate. Results indicate where reduced-order modeling tools perform reasonably well and where the need for CFD starts to emerge, and identify various favorable data center designs and operating conditions for CRAH BP method.
Benzer Tezler
- Tetra kiral ve içe girintili çarpışma kutularının performanslarının deneysel ve sayısal yöntemlerle incelenmesi ve optimizasyonu
An investigation and optimization of the performances of tetra chiral and re-entrant crash boxes by experimental and numerical methods
CÜNEYT AKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDEM ACAR
- Eşmerkezli ve kaçık merkezli kareler arasındaki kapalı ortamda doğal taşınımın sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of natural convection heat transfer in an enclosure between concentric and eccentric square
TAMER MATARACI
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HABİP ASAN
- Bir basınçlı su reaktöründe kaza sırasında reaktör kabında oluşan kalp enkazının soğumasının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of cooling of core debris in pressurized water reactor during an accident
HAŞİM EMANET
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. CİHAT BAYTAŞ
- Yapı duvarlarının faz kayması ve sönüm oranı özelliklerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of phase lag and attenuation factor properties of building walls
YAVUZ SELİM SANCAKTAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HABİP ASAN
- Hidrodinamik gelişmiş boru içi akışta kanatların ısı geçişi ve basınç düşüşüne etkisinin sayısal olarak belirlenmesi
Numerical investigation of the effect of fins on heat transfer and pressure drop in hydrodynamic developed in pipe flow
ALİ KÖSE
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBİHA YILDIZ