Bir veri merkezinin enerji puanının hesaplanarak enerji verimliliğinin bulunması, verimliliğinin iyileştirilmesi, atık ısı kullanımı ve yeşil veri merkezi senaryolarının incelenmesi
Determination of energy efficiency by calculating the energy score of a data centre, investigation of scenarios for improving efficiency, waste heat use, and green data centre
Yazar: HALİS YILMAZ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ZEKİ YILMAZOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Veri merkezleri, dünyada enerji tüketiminin %1'inden ve emisyon salımının %2'sinden sorumludur. Bu kadar büyük miktarda enerji tüketen ve emisyon salımı yapan bu yapıların, artan internet kullanımı, bulut uygulamaları, iletişim gibi nedenlerle daha fazla enerji tüketimine neden olması beklenmektedir. Bu nedenle, bu yapıların daha verimli bir biçimde tasarlanması ve işletilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, Energy Star'ın kullanmış olduğu metodoloji ile bir hastane veri merkezine ait enerji puanlaması hesaplanmıştır. Veri merkezinde enerji verimliliğinin artırılması, atık ısı kullanımı için alternatif senaryoların belirlenmesi ve yeşil veri merkezine geçiş senaryoları irdelenmiştir. Hastane veri merkezindeki vaka çalışması ile veri merkezi altyapı verimliliği tespit edilmiştir. İlk olarak gerçek güç kullanım etkinliği (PUE) hesaplanmıştır. Bu hesaplama veri merkezine giren yıllık toplam enerjinin kesintisiz güç kaynağı çıkışında ölçülen yıllık bilgi teknolojileri enerjisine bölünmesi sonucunda bulunmuştur. Tahmini güç kullanım etkinliği için regresyon analizi yapılmıştır. Enerji verimliliği oranı gerçek güç kullanım etkinliğinin tahmini güç kullanım etkinliğine bölünmesi sonucu bulunmuştur. Bulunan bu orana göre, ele alınan veri merkezi için Energy Star puanı 32 olarak tespit edilmiştir. Veri merkezi altyapı verimliliği %58,40 olarak bulunmuştur. Tespit edilen verimlilik seviyesinin ortalama üstü olduğu görülmüştür. Az kullanılan sunucuları birleştirmek, etkili veri depolama önlemleri uygulamak, enerji kayıplarını azaltmak, hava akışını yönetmek, sıcak/soğuk koridor düzenine geçmek, nemlendirme ayarlamaları yapmak, hava izin verdiği sürece dışarıdan gelen havayı kullanmak, veri merkezi enerji verimliliğini karşılaştırmak, enerji verimliliği farkındalık eğitimi vermek gibi senaryoların uygulanması veri merkezinde verimliliği artıracaktır. Veri merkezi kurulumundan itibaren faydalanılan serbest soğutma saatleri ile 2023 yılı Ankara  iklim koşulları serbest soğutma için kullanılabilecek saat sayısı hesaplanarak karşılaştırılmış ve vaka çalışmasının ortalama serbest soğutma süresinin geçen yılın aynı dönemine göre düşük olduğu görülmüştür. Veri merkezi atık ısı potansiyeli 11 kW olarak bulunmuştur. 10 kW ısıtma kapasitesi olan havadan suya ısı pompası 100-120 m2 lik bir alanı ısıtabilmektedir. Aynı alan doğalgaz ısınma maliyeti ile karşılaştırılmış ve  ısı pompası kullanılarak mahallerin ısıtılmasının daha ekonomik olduğu görülmüştür. Veri merkezi için yeşil dönüşüme geçiş, veri merkezinin ve dolayısıyla hastanenin karbon eşdeğerinin azaltılmasında önemli bir adımdır. Fotovoltaik sistem kurulumu, yenilenebilir enerji sözleşmeleri, yeşil tarifeler, sanal güç satın alma sözleşmeleri ve yenilenebilir enerji kredileri yenilenebilir enerji tedariki için piyasaya dayalı çözümlerdendir.

Abstract:
Data centers are responsible for 1% of the world's energy consumption and 2% of emissions. These structures, which consume such a large amount of energy and emit emissions, are expected to cause more energy consumption due to increasing internet usage, cloud applications, and communication. Therefore, these structures need to be designed and operated more efficiently. In this study, the energy score of a hospital data center was calculated with the methodology used by Energy Star. Scenarios for increasing energy efficiency in the data center, determining alternative scenarios for waste heat utilization and transition to a green data center were scrutinized. Data center infrastructure efficiency is determined with a case study in hospital data center. First of all, the actual power usage effectiveness (PUE) was calculated. This calculation is calculated by dividing the annual total energy entering the data centre by the annual IT energy measured at the uninterruptible power supply output. Regression analysis was performed for the estimated power usage effectiveness. The energy efficiency ratio is calculated by dividing the actual power utilization efficiency by the estimated power utilization efficiency. According to this ratio, the energy star score for the data center at issue was determined as 32. Data center infrastructure efficiency was found to be 58,40%. It was observed that the efficiency level determined was above average. Implementing scenarios such as consolidating underutilized servers, implementing effective data storage measures, reducing energy losses, managing air flow, switching to hot/cold aisle layout, making humidification adjustments, using outside air as long as the weather permits, comparing data center energy efficiency, providing energy efficiency awareness training will increase efficiency in the data center. The free cooling hours utilized since the data center installation were compared with the number of hours that can be used for free cooling in Ankara climate conditions in 2023, and it was seen that the average free cooling time of the case study was lower than the same period of the previous year. The waste heat potential of the data center was found to be 11 kW. An air-to-water heat pump with a heating capacity of 10 kW can heat an area of 100-120 m2. The same area was compared with the cost of natural gas heating, and it was seen that heating the spaces using a heat pump was more economical. Transitioning to green transformation for the data center is an important step in reducing the carbon equivalent of the data center and hence the hospital. Photovoltaic system installation, renewable energy contracts, green tariffs, virtual power purchase agreements and renewable energy credits are market-based solutions for renewable energy procurement.