SICAK İKLİM KOŞULLARI İÇİN TASARIMLANAN BİGİSAYAR MERKEZLERİ

SICAK İKLİM KOŞULLARI İÇİN TASARIMLANAN BİLGİSAY AR MERKEZLERİ

Y rd. Doç. Dr. Bahri Ercan Hacettepe Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Müh. Bölümü

Çok sıcak iklim koşullarında, güvenilir bir bilgisayar mer kezinin kurulması için yapılan tasarımlarda elektrik mü hendislerine önemli görevler düşmektedir. Özellikle, yılın büyük bir kısmında veya bütün yıl boyunca sıcak ve nemli olan iklim koşullarında kurulacak merkezlere veri len elektrik enerjisi, sık kesilmelere ve/veya gerilim ve frekans değişmelerine de maruz kalıyorsa problemin önemi kendiliğinden ortaya çıkar. Ayrıca, değişik bilgi sayar üretici firmalarının ürünleri için belirttikleri çevre koşulu toleransları birinden diğerine değişmektedir. Ör neğin, bazı merkezi işlem üniteleri 16 32 C sıcaklık ve % 20 80 göreli nem durumunda rahatça çalıştıkları halde, bazıları kesin bir değere (ör. 21±1 C sıcaklık ve %50±5 göreli nem kontrolü) bağlı kalmaktadırlar. Çok kesin de ğerde çevre koşulları, işlemcilerle ilgili güvenirlilik proble mini çözecek tasarımın henüz tam olarak gerçekleşme miş olduğunun bir göstergesidir (1). Geçici durumlar (transient) gözönüne alındığında, elektriksel kaynak to leranslarını saptama şekilleri bazen aynı üreticinin bir modelinden diğerine bile değişmektedir. Tipik tolerans değerleri Tablo 1' de verilmiştir. Ancak, bir bilgisayar sis teminin seçimi, çevre toleranslarına bağlı olmayan fak törler tarafından koşullandırılabilir: Örneğin, bilgisayar sistemi bir bağış olabilir, servisi o ülkede mevcut olan bir sistem alınması zorunlu olabilir, veya tamamen mali ko şullar sınırlayıcı faktör olabilir. Son olarak da, donanım

olanakları ve derleyici farklılıkları, orijinal yazılım paketle ri dışındaki büyük yazılım paketlerinin bilgisayar sistem lerine yüklenmesine engel teşkil edebilir (2).

ISIL ANALİZ

Çok sıcak iklim koşullarında çalışacak bir bilgisayar mer kezinin tasarımında ilk yapılması gereken, merkezin yer leşeceği binaya ait ilerisi için düşünülen değişiklikleri de içeren bir ısı analizidir (3). Aygıtların kablo bağlantısı ve koşullandırılmış havanın dolaşımı için ikinci bir taban döşemesi yapılmalıdır. Toz yayıcı duvarlar, böcek ve za rarlı hayvanların girebileceği açıklıklar ve pahalı şekilde soğutulan havanın kaçabileceği açıklıklar bulunmamalı dır. Duvarlar ve tavanda yapılabilecek izolasyonlar ile pencere boyutlarının küçültülmesi, genellikle hava ko şullandırma ünitesinin gücünün azaltılabilmesine ve ça lışma maliyetinin düşürülmesine yardımcı olacaktır.

İlk adım olarak, aşağıdaki bileşenlerin toplamı olan iç kaynaklardan gelen ışıl yük hesaplanabilir:

Bilgisayar sistemi, terminalleri, onarım aygıtları, masa üstü aygıtlar ve diğer aygıtlar tarafından kullanılan güç nedeniyle yayılan enerji.

Koşullandırılmış hava ortamına aydınlatma sisteminden gelen enerji: Bu, dekore edilmiş izolasyonlu tavana asıl

Tablo 1: Bilgisayar elektriksel kaynağı tipik tolerans değerleri

Gerilim

Kalıcı durum (steady state) gerilim toıleransı nominal değerin : + (6 8)'i. Geçici durum (transient) gerilimleri nominal değerin % + (15 18)'ini aşmamalı ve 0.5 sn. içinde kalıcı durum toleransı içine dönmelidir.

Dengesizlik

Aygıtın faz faz arası gerilimlerinden herhangi biri üç faz gerilimi ortalama değerinden % 2.5'dan fazla sapmamalıdır.

Frekans

Nominal değerden maksimum sapma ± 0.5 Hz.

Harmonikler

Bilgisayarın bağlı olduğu fiberdeki maksimum toplam harmonik varlığı % 5.

mış florasan ampullerinden gelen enerji olup, toplam ay dınlatma enerjisinin sadece % 25'ini oluşturur.

Çalışanların oluşturduğu ısıl yük: İnsanlar hareket oran larına ve çevre koşullarına bağlı olarak ihmal edilemeye cek miktarda ısı yayarlar. Havası koşullandırılmış bir merkezde hafif büro işleriyle uğraşan insanlarda kişi başına toplam yük 140W olarak alınabilir.

Bilgisayar merkezinin altındaki odalardan tavan döşe me kısmındaki hava aracılığıyla iletilen ısı: Tipik beton döşemeler için iletim katsayısı 1.5 2.5 W/m2°Calınabilir.

Bilgisayar merkezinin bitişiğinde veya üzerinde bulu nan koşullandırılmamış havalı odaların tavanı ve ara böl me duvarlarından giren ısı.

Bunlara ek olarak harici kaynaklardan dolayı olan ısıl yükde hesaplanabilir:

Bilgisayar merkezinin pencereleri varsa, bunlar iki şe kilde ısının girmesine neden olurlar: Sıcak dış havadan serin iç havaya iletim yoluyla ve doğrudan güneş ışığı şeklinde giren ısı yayılması yoluyla. Tik mekanizma çift cam uygulaması (3.7 W/ m2oC iletim katsayısı) ile önem li ölçüde azaltılabilir. İkinci mekanizma ise özel olara*' kaplanmış veya yansıtıcılı camlar kullanarak veya h vıci pancur kullanarak önemli ölçüde azaltılabilir. Perde şek linde iç pancur bu etkiyi azaltamaz ve biraz da artmasına neden olur. Güneş ısısı kazanç faktörü, güneş ışığının geldiği yöne ve günün saatlerine göre değişir ve çok sıcak iklimlerde 500 700 W/ m2 düzeyine ulaşabilir. An cak, normal bir çift camlı pencere için gölgeleme faktörü % 65 civarındadır.

Camlardan giren güneş ışığı ve güneşe açık çatı ve du varlardan giren güneş ısısının hesaplanmasında, güne şin mevsimlere göre konumu ve gelen ışığın eğimi gözö nünde bulundurulmalıdır.

Bilgisayar merkezinin bulunduğu yerin üzerinde başka kat yoksa, dış etkilerin en önemlisi öğleden sonraları ça tıdan alınacak güneş ısısıdır.

Güneş ısısının etkisi açısından en kötü durum, günün saatleri ve mevsim olarak saptandıktan sonra bu süre lerde doğrudan güneş görmeyen duvarlardan giren ısı yükü de buna eklenmelidir. Son olarak, kullanılacak hari ci havanın soğutulması ve neminin kontrol edilmesi sıra sında ortaya çıkacak ısıl yük hesaplanabilir:

Çok sıcak iklimlerde bu konu hava koşullandırma siste mi üzerindeki en önemli yükü oluşturur. Bu sistemin ka pasitesinin büyük tutulması maliyeti olumsuz etkileye ceğinden optimum bir çalışma durumu seçilebilir. Mer kez, ortalama kötü koşullarda tam kapasite ile çalışırsa da, en kötü koşullarda çalışması sınırlandırılabilir veya tamamen durdurulabilir.

İş sağlığı ve güvenliği açısından kişi başına miminum 0.45 m3/dak.'lık bir havalandırma önerilmektedir (4). Bu

da; uzmanlar, programcılar, bilgi giriş elemanları, ope ratörler ve diğer sorumlulardan oluşan çalışanlarıyla or talama büyüklükteki bir bilgisayar merkezinin havasının saatte bir veya iki kez tamamen değiştirilmesi gerektiğini gösterir. Bunun bir kısmı kapıların açılıp kapanması veya kaçaklar nedeniyle karşılanırsa da, kullanılmış hava ile harici havanın uygun şekilde karışması için hava koşul landırıcının giriş filtresine de bağlı uygun bir hava giriş yeri gereklidir.

Havası koşullandırılmış ortamdan geçen harici hava bo rusu çok iyi izole edilmelidir, aksi halde önemli miktarda su buharı yoğunlaşması ve su birikmesine neden ola caktır. Boru paslanmaz maddeden yapılmış olmalı ve suyunu binanın dışına verebilecek şekilde eğilimlendiril melidir. Eğer iyi bir yerleşim planı gerçekleştirilirse, bu su, bilgisayar merkezinin elektriksel topraklama lev hasının bulunduğu yere yönlendirilebilir ve kumlu toprak la da buranın ayrıca sulanması işleminden kurtulunmuş olur.

İç ve dış hava nem oranları elde edildikten sonra, hava landırma nedeniyle olan ısıl yük hesaplanabilir.

Böylece, bilgisayar merkezi hava koşullandırma sistemi nin üzerindeki toplam ısıl yük, tüm iç ve dış kaynakların katkılarının toplamı olarak bulunabilir. Bu değer, bilgisa yarın kullandığı gücün beş katına kadar çıkabilir.

HAVA KOŞULLANDIRMA

Çok sıcak iklim koşullarında çalıştırılan hassas aygıtlar da korozyon olayının, % 100 atmosferik göreli nemliliği (RH)'nin çok altında bile aktif olduğunun unutulmaması gerekir (5). Korozyonsuz metal yüzeyleri için ilk kritik RH değeri, bütün metallerde % 60 civarındadır. % 75 80 RH'nin üzerinde korozyonda hızlı bir artış vardır ve özellikle toz parçacıkları veya mikroskobik çatlakların ol ması durumunda, o bölgelerde doymuş su buhar basın cının azalmasına neden olurlar. Metalin demir veya çelik olması durumunda, % 90 RH değerinde ek bir krtik nemli lik mevcuttur. Bütün bunlara bir de rüzgarla gelen deniz tuzu eklenince, birkaç sıcak ve yağışlı mevsim sonunda bilgi işlem aleti üzerinde önemli arıza, hatta tümden el den çıkma etkileri olabilir.

Günümüzde bilgisayar odaları için kullanılan ve ayrı bi rimler halinde büyük kapasiteli hava koşullandırıcıların çok çeşitleri mevcuttur. Bazı modern aygıt karakteristik leri Tablo 2'de verilmiştir. Hava koşullandırma kabinleri, bilgisayar merkezi odasının altında, üstünde veya bitişi ğindeki bir odaya monte edilebilir ve ince borularla çatı arasındaki ısı dönüştürücü ve nem yoğunlaştırıcılarına bağlanır.

Koşullandırılmış hava suni döşeme içinden geçerek döşemeye yerleştirilmiş ızgaralar aracılığı ile bilgisayar

Tablo 2: Bilgisayar merkezi hava koşullandırma aygıtları için karakteristik değerler.

Soğurma Kapasitesi kcal / saat

Kompresör Gücü kW

Hava Dolaşımı m3 / saat

Ağırlık kg

Maksimum Elektriksel Yük kVA

9800 27300 68300

2.4

7.5

11000

16.5

30000

kabinlerinin tam altına verilebilir ve tavana asılmış hava yayıcılar yardımıyla karmaşık borulandırma işlemine ge rek kalmadan dışarı atılabilir. Daha büyük sistemler mo düller halinde imal edilir ve bağımsız soğutma devrelerin de iki veya üç ayrı kompresör bulunur. Böylece, monte edilen sistem kapasitesinin termik analiz sonucu çıkan minimum değerden fazla çıkması durumunda gereksiz kapasite kullanımı önlenmiş olur.

ELEKTRİKSEL Y ÜKLER VE ÖNCELİKLERİ

Hava koşullandırma sistemi seçilip elektriksel gücü sap tandıktan sonra, sıra bilgisayar merkezi elektrik donanı mının düzenlenmesine gelmiştir.

Birkaç hava koşullandırma sisteminin kurulması ile or taya çıkan ortalama elektriksel yük maksimum yükün çok altındadır. Bunun nedeni, taban yükü oluşturan hava dolaşımı vantilatörleri ve kontrol devreleri gücünün, de ğişken yükü oluşturan ve termostat veya hümistat kont roluyla devreye düzensiz olarak girip çıkan kompresör ler, ısıtıcılar, ısı dönüştürücüler veya kondansatör vanti latörleri gücünden çok küçük olmasıdır. Ancak kaynak ve koruma aygıtlarının gücü hesaplanırken, sistem gü venliğini yitirmemek ve düzensiz olarak değişik zaman larda sistemin devre dışı kalmasını önlemek için mümkün olan maksimum yükün gözönüne alınması gerekmekte dir.

Ancak, yedek aygıtların gücünü dolayısıyla maliyeti dü şük tutmak için, yükler kaynağın sürekliliği ve kalitesinin önemine göre üç sınıfa ayrılabilir:

a) Kesintisiz yüksek kaliteli kaynak (UPS):

Bilgisayar sistemi, bağlı aygıtları, iletişim gereçleri ve operatör terminalleri.

özellikle yedek jeneratör arızası sırasında kullanılma amacına yönelik, gerekli aydınlatma.

Yangın alarmları, güvenlik devreleri b) Düzenlenmiş ana kaynak ve destek jeneratör:

UPS hava koşullandırması da dahil tüm hava koşul landırma sistemi

Yardımcı aydınlatma

Bilgisayara doğrudan bağlı olmayan aygıtları.

c) Doğrudan ana kaynak:

Bilgisayar merkezinin çalışması ve güvenliği için çok önem taşımayan ve kritik olmayan yüklerin tamamı.

Bileşik statik UPS'larm geliştirilmesi, bilgisayar merkez lerinin elektrik enerjisi ile ilgili sorunlarına yepyeni yak laşımlar getirmiştir (6). "On line" şeklinde çalışmada UPS'lar, genel elektrik dağıtım sisteminden gelecek her hangi bir durum ile bilgisayarın en hassas talepleri ara sında kesin bir izolasyon oluştururlar. Hızlı bir statik ters transfer geçiş anahtarı, arıza giderilmesi için düşük em pedanslı bir kaynak sağlar. Manuel bir geçiş anahtarı ise, UPS onarımda iken doğrudan kaynağa bağlantıyı sağlar.

Ana elektrik kaynağının kesilmesi ile UPS aküleri tam yükte kendi evirgeçlerini birkaç dakika besleyebilirler ve bu süre de en yavaş destek jeneratörünün devreye gir mesi için yeterlidir. Üç fazlı UPS sistemleri 10 kVA ile 3500 kVA arasındaki değerlerde mevcuttur. Eğer UPS" larda kapalı aküler kullanılmış ve kendileri de koşullan

dırılmış hava ortamına iyi yerleştirilmişlerse çok güvenilir olarak çalışırlar.

Tipik bir bilgisayar merkezi elektrik besleme şeması Şekil 1'de gösterilmiştir. Burada UPS, gerilim regülatörü, destek jeneratörü ve ilgili devre kesiciler, kullanılan kısımLardan 50 100 m uzaklıkta yardımcı bir binaya yerleştirilmişlerdir. Dizel jeneratörün uzağa yerleştiri lmesi mümkün olamıyorsa, 7 m'de 67 dBA'lık azalmaya sahip bir ses yalıtımı yapılmalıdır. Ana hava koşullandırı cılarının UPS'dan beslenmesi biraz lüks olabilir. Bunlar, % ± 20'lik kaynak gerilimi değişmesini çıkışta 20 ms/ V'luk hızda ve % ± 1'lik hassasiyette dengeleyebilen servokontrollu elektromekanik gerilim regülatörü aracılığı ile ana veya destek kaynaktan beslenirler.

Ana kaynağın, destek jeneratörün ve otomatik anahtarın gücü bulunurken, UPS'daki yaklaşık % 17 ve regülatör deki yaklaşık % 3'lük kayıplar gözönüne alınmalıdır. Çok sıcak iklim koşullarında tipik bir sistemde 15 kVA'lık bir bilgisayar ünitesi yükü 100 kVA'lık bir kaynak gücü ge reksinmesini ortaya çıkaracaktır.

Yardımcı binada da bir iç yerleşim tasarımı yapmak gere kir. En azından iki veya üç ayrı oda veya bölmeye ihtiyaç vardır ve bunlardan birisi iyice havalandırılabilen,diğeri kapalı ve havası iyice koşullandırılabilen bir yer olmalıdır. Havalandırılabilen odaya destek jeneratörü ve UPS aküleri, havası koşullandırılan odaya da gerilim regüla törü ve UPS kabinleri konulmalıdır. Bu gibi sistemler pre fabrik ünitelere yerleştirilebilir. Prefabrik üniteler, normal yapılardan daha az ömürlü olmalarına rağmen kolayca kullanıma hazırlanabilirler ve ihtiyaçlara göre kolayca kaldırılabilirler. Yakıt deposunun büyüklüğü saptanırken, idari mekanizmalardan doğacak gecikmeler bile göz önüne alınmalı ve ayrıca güvenliği de sağlanmış olma lıdır.

ÇALIŞTIRMA Y ÖNTEMLERİ

Büyük bilgisayarlarda bile günlerce sürebilecek uzunluk taki bilgi işleme işlerinde destek jeneratörünün uzun süre kullanılması çok pahalı olabilir. Bu nedenle, böyle uzun işlerde işi durdurup yeniden başlatma kolaylıkları kullanılarak veri kütükleri değişik noktalarında istenildiği zaman kesilip sonra tekrar başlatılabilmeli ve böylece tüm çalışmanın yeni baştan yapılması önlenmelidir. Bir elektrik kesilmesi anında, sistem ilk çıkış noktasına ka dar destek jeneratöründen çalıştırılıp bu noktaya ulaşıl dığında, düzenli bir şekilde ana elektrik beslemesi yeni den gelinceye kadar sistem kapatılmalıdır.

Kontrollü bir kapatmada, önce harici havalandırma sonra da soğutma kapatılarak bilgisayar aletlerinin büyük me tal kısımlarında nemlenme oluşması önlenebilir. Daha sonra, üst çalışma ısısına ulaşıncaya kadar bilgisayar çalıştırılır ve bu noktada kapatılır. Son olarak da hava do laşım vantilatörleri kapatılır.

Eğer bölgesel elektrik besleme sistemindeki düzensiz likler önceden biliniyorsa, bilgisayar çalışma programı buna göre düzenlenebilir.

GÜNEŞ ENERJİSİ İLE SOĞUTMA SEÇENEĞİ

Bütün gün boyunca güneş ışığı altında kalan bir bilgisa yar merkezinin dış yüzeyleri ısınır ve bu ısınma çok sıcak iklimlerde onlarca kW civarında olabilir. Klasik yöntem lerle yapılan ısı ve nem kontrolü ise yaklaşık olarak bu nun yarısına yakın bir değerde bir elektrik gücü kullanı mını gerektirebilir.

Bilgisayar merkezi

Bilgisayar sistemi ve aydınlatma

Hava koşulan dırıcılar ana kaynak

Yardımcı bina ters transfer a UPS

* UPS

gerilim regülatörü

aydınlatma

etomatik anahtar

Yolverici

destek jeneratörü

ŞEKİL 1. Tipik bir bilgisayar merkezi elektrik besleme şeması

Eğer kollektörlerin verimi artırılabilir ve kollektör dizileri ile diğer güneş enerjisi sistemi parçalarının maliyetleri düşürülebilirce, doğrudan güneş enerjisi kullanarak hava koşullandırma işlemi gerçekleştirilebilir (7). öncü çalış malarda, binalar için "lithiumbromide/su" ve "ammonia/ su" emici soğutma üniteleri başarıyla denenmiş olup, araştırmalar devam etmekte ve ilk ticari sistemlerin 1990'lardan önce piyasaya sunulması beklenmektedir (8). Son olarak bir noktayı belirtmek gerekir: Güneş enerjisinin en bol olduğu yerlerde soğutma sistemlerine talep en fazla olduğundan, bu yeni teknoloji, çok sıcak iklim koşullarında çalışmak zorunda olan geleceğin bilgi sayar merkezleri için büyük ümitler vermektedir.

KAY NAKLAR 1. LONGBOTTOM, R: 'Computer system reliability1, Wiley. 1980.

2. 'Computer sftware programs for demographic analy sis: aspecU of teehnieal co operation', United Nations Publication ST/ESA/SER. E/32, 1983.

3. 'IBM General Information Manual. Installation Ma nual Physical Planning', IBM Publication No. GC22 7072 0, 1984.

4. 'Encyclopaedia of occupational health and safety', In ternational Labour Office, 1972. 5. SHREIR, L.L. (Ed.): 'Corrosion1, Newnes Butter worths, 1976.

6. GRIFFITH, D.C. and WALLACE, B.P.: 'Development trends in medium and large UPS s', Electronics and Power, No. 32, 1986.

7. WARREN, M.L. and WAHLIG, M.: 'Cost and perfor mance goals for commercial aetive solar absorption cool ing systems', LawTence Berkeley Laboratory Keport 13050, December 1981.

8. HAUSE, R.: 'High performance solar colleetor for small cooling facilities', Commission of the European Communities Report EUR 9519 EN, 1984.

9. TAYLOR, B.G.: 'Computer centre power engineering for the tropics', Power Engineering Journal, Jan. 1987.