Studio CFD interno di un data hall: analisi dei flussi d'aria, della distribuzione delle temperature e individuazione dei punti caldi per ottimizzare il raffreddamento dei server.
EOLIOS Ingegneria ha realizzato gli studi di dimensionamento e urbanizzazione di un data center. Sono stati studiati diversi scenari di crisi per testare la resilienza dei sistemi di climatizzazione.
L'essenziale. Studi di dimensionamento e urbanizzazione del data hall DC10 (cliente Equinix, Saint-Denis) tramite simulazione CFD. I primi studi non erano compatibili con le norme ASHRAE che regolano il sito ed è stato identificato un rischio di punto caldo: alcune griglie di pavimento vicine alle pareti andavano in sovraflusso, sottodimensionando griglie decisive vicine a un server ad alta potenza. Dopo l'ottimizzazione del posizionamento delle griglie e la verifica dell'assenza di punti caldi, sono stati studiati diversi scenari, fino all'evoluzione delle temperature in caso di interruzione della rete elettrica e riattivazione dei sistemi di emergenza.
Nell'ambiente dei data center di grandissima scala, sono necessari standard di sistemi di raffreddamento capaci di rispondere alle esigenze evolutive dell'IT, a causa della densità crescente delle apparecchiature (oltre 10 kW / rack). Evacuare il calore delle apparecchiature ad alta densità è un punto chiave.
Ciò implica simulare numericamente il comportamento termo-aeraulico dei diversi fenomeni che si svolgono nella sala, in relazione ai processi IT e ai sistemi di climatizzazione.
Al cuore della missione c'è la costruzione di un gemello digitale del data hall: una replica virtuale fedele della sala, dei suoi rack e dell'insieme dei sistemi di trattamento dell'aria. Questo modello è costruito a partire dai piani del sito, dai modelli 3D e dalle schede tecniche delle apparecchiature, da cui si estraggono le portate d'aria immesse, le potenze dissipate per rack e i setpoint di temperatura.
Una volta alimentato da questi dati, il gemello digitale riproduce il comportamento termo-aeraulico della sala e funge da banco di prova virtuale: vi si testano configurazioni di urbanizzazione, scenari di esercizio e situazioni di crisi senza mai perturbare la produzione.
Rappresentazione virtuale e dinamica di un impianto reale, alimentata dai suoi dati di progettazione ed esercizio. In un data center, permette di riprodurre tramite calcolo il comportamento dell'aria e delle temperature, di anticipare i punti caldi e di collaudare gli scenari di guasto prima che si verifichino.
Principio di urbanizzazione delle sale server consistente nell'alternare corridoi di aspirazione d'aria fredda e corridoi di scarico d'aria calda. Evita la miscelazione dei flussi, limita il ricircolo e condiziona direttamente l'efficienza del raffreddamento.
La fluidodinamica computazionale (CFD) suddivide il volume d'aria della sala in una mesh di celle di calcolo, poi risolve in ogni punto le equazioni di flusso e di trasferimento del calore. Restituisce così la velocità dell'aria, la temperatura e la pressione in ogni punto del data hall, dalle griglie di pavimento fino agli ingressi dei rack.
Rilievo e modellazione: geometria della sala, urbanizzazione dei rack, sistemi di mandata e ripresa.
Mesh: suddivisione del volume d'aria, raffinata in corrispondenza delle griglie e degli ingressi dei rack.
Condizioni al contorno: portate immesse, potenze dissipate per rack, setpoint dei sistemi di climatizzazione.
Sfruttamento: mappe di temperatura e velocità, verifica della conformità agli intervalli ASHRAE e individuazione dei punti caldi.
Raccomandazioni dell'ASHRAE che inquadrano gli intervalli di temperatura e umidità ammissibili all'ingresso delle apparecchiature informatiche. Servono da riferimento per giudicare se una configurazione di raffreddamento è accettabile.
I risultati dei primi studi non erano compatibili con le norme ASHRAE che regolano il sito, ed è stato identificato un rischio di punto caldo. Alcune griglie di pavimento vicine alle pareti potevano presentare un sovraflusso, portando a un sottodimensionamento di griglie decisive situate vicino a un server ad alta potenza.
Dopo l'ottimizzazione del posizionamento delle griglie e la verifica dell'assenza di punti caldi, sono stati studiati diversi scenari.
Da ricordare. Il corretto posizionamento delle griglie di mandata è determinante: un sovraflusso locale può sotto-alimentare un rack critico e creare un punto caldo.
In una sala con pavimento sopraelevato, lo spazio sotto le piastre funge da plenum di mandata: l'aria fredda vi è messa in pressione dai condizionatori di precisione, poi restituita nei corridoi freddi tramite griglie forate o piastre a portata regolabile. La prestazione del raffreddamento dipende meno dalla potenza frigorifera installata che dalla distribuzione di quest'aria dove i server ne hanno bisogno.
Due grandezze governano questa distribuzione: la pressione statica nel plenum e il tasso di foratura (o di apertura) delle piastre. Una griglia posta troppo vicino a un condizionatore si trova in una zona in cui l'aria circola veloce e la pressione statica è bassa, il che può ridurne la portata, o addirittura provocare un'aspirazione inversa che riporta aria calda nel plenum. Al contrario, una griglia posta a fine plenum, dove la pressione è ristabilita, può ritrovarsi in sovraflusso a scapito delle vicine.
Volume situato sotto le piastre del pavimento sopraelevato, messo in pressione dai condizionatori e usato per distribuire l'aria fredda verso i corridoi. La sua altezza, il suo ingombro (cavi, tubazioni) e la disposizione delle griglie determinano la pressione disponibile in ogni punto.
Proporzione di superficie aperta di una piastra di pavimento sopraelevato (griglia forata o a serranda). Fissa la portata d'aria erogata per una data pressione di plenum: troppo elevato vicino ai condizionatori, squilibra la distribuzione; ben distribuito, allinea la portata al carico termico dei rack.
La sfida consiste nell'allineare la portata d'aria fredda al carico termico di ogni rack, preservando al contempo una pressione di plenum omogenea. La simulazione CFD permette di oggettivare queste scelte, rack per rack:
Posizionare le griglie solo nei corridoi freddi, di fronte agli ingressi d'aria dei server, mai nei corridoi caldi dove sprecherebbero aria fredda.
Evitare la vicinanza immediata dei condizionatori, dove la bassa pressione statica degrada, o addirittura inverte, la portata delle prime griglie.
Dosare il tasso di foratura e ricorrere a piastre a serranda regolabile per rinforzare la portata di fronte ai rack ad alta potenza.
Liberare il plenum dagli ostacoli (passerelle per cavi, tubazioni) che creano perdite di carico e zone di depressione.
Contenere la sovrapressione a fine fila per evitare il sovraflusso delle griglie lontane a scapito di quelle decisive.
Da ricordare. Una griglia di pavimento sopraelevato apporta freddo utile solo se la pressione del plenum e il suo tasso di foratura sono coerenti con il carico del rack che serve. Il buon posizionamento, validato dalla CFD, prevale sull'aggiunta di potenza frigorifera.
Sono stati simulati diversi scenari: scenari di uso standard e scenari di guasto o manutenzione. Infine, abbiamo studiato l'evoluzione delle temperature della sala nel tempo in caso di interruzione della rete elettrica e di riattivazione dei diversi sistemi di emergenza.
Laddove una simulazione in regime permanente descrive la sala stabilizzata a un dato istante, lo studio transitorio calcola l'evoluzione delle temperature secondo dopo secondo durante un evento. È l'unico modo di rispondere alla vera domanda di resilienza: in caso di perdita del raffreddamento, di quanto tempo si dispone prima che i server superino le loro soglie critiche?
Lo scenario dimensionante è l'interruzione della rete elettrica. All'istante della commutazione, i condizionatori di precisione si arrestano il tempo che i gruppi elettrogeni si avviino e riprendano il carico, mentre i server continuano a dissipare la loro piena potenza. La temperatura dell'aria in sala sale allora molto in fretta, tanto più che l'inerzia termica disponibile nel plenum e nel volume d'aria è bassa rispetto alle densità in gioco.
Simulazione instazionaria che risolve l'evoluzione dei campi di temperatura e velocità nel tempo, a partire da uno stato iniziale e da una cronologia di eventi. Quantifica le velocità di salita in temperatura e i tempi prima del superamento delle soglie, laddove uno studio permanente fornisce solo uno stato congelato.
Capacità delle masse presenti (aria, strutture, apparecchiature) di smorzare una variazione di temperatura. Bassa in un data hall denso, lascia poco margine: qualche decina di secondi basta talvolta a raggiungere le soglie in caso di arresto del raffreddamento.
Lo studio ricostruisce l'intera cronologia di ripristino: arresto del freddo, temporizzazione di avvio dei gruppi, riavvio dei ventilatori e poi ristabilimento progressivo dei setpoint. Seguendo l'evoluzione rack per rack, la simulazione evidenzia le zone che raggiungono per prime i loro limiti e verifica che nessuna superi le soglie prima del ritorno del raffreddamento.
Velocità di salita in temperatura per zona, dall'istante dell'interruzione.
Tempo prima della soglia critica confrontato con il tempo di commutazione dei sistemi di emergenza.
Cinetica di ritorno al setpoint dopo il riavvio dei gruppi e dei ventilatori.
Zone più esposte, da trattare in via prioritaria tramite l'urbanizzazione o la ridondanza.
Da ricordare. La resilienza di un data hall non si giudica all'equilibrio ma nella transizione: lo studio transitorio confronta il tempo prima della soglia critica con il tempo di ripristino dei sistemi di emergenza, e prova la tenuta della sala prima dell'incidente reale.
Riproducendo ogni configurazione tramite calcolo, il gemello digitale permette di rendere affidabile il dimensionamento e l'urbanizzazione della sala prima di qualsiasi intervento fisico. Le correzioni, come il riposizionamento delle griglie, sono validate virtualmente, il che riduce il rischio di errore in esercizio.
Anticipazione dei punti caldi e verifica della conformità agli intervalli ASHRAE.
Test degli scenari di crisi (guasto, manutenzione, interruzione rete) senza rischio per la produzione.
Ottimizzazione dell'urbanizzazione dei rack e della mandata per una migliore efficienza di raffreddamento.
Supporto decisionale durevole: il modello può essere riutilizzato a ogni evoluzione della sala.
Da ricordare. Il gemello digitale trasforma il raffreddamento di un data hall in un problema misurabile: ogni scenario si testa virtualmente prima di essere implementato, il che mette in sicurezza la disponibilità della sala.
Norme ASHRAE, posizionamento delle griglie e scenari di crisi: le risposte alle domande che si pongono gestori e progettisti prima di uno studio CFD interno.
Realizzare gli studi di dimensionamento e urbanizzazione del data hall e testare la resilienza dei sistemi di climatizzazione tramite diversi scenari di crisi, simulando il comportamento termo-aeraulico dei fenomeni della sala, come nel nostro studio interno del data center DC28.
Il risultato dei primi studi non era compatibile con le norme ASHRAE che regolano il sito ed è stato identificato un rischio di punto caldo: alcune griglie di pavimento vicine alle pareti andavano in sovraflusso, causando un sottodimensionamento di griglie determinanti vicine a un server ad alta potenza.
Tramite l'ottimizzazione del posizionamento delle griglie, poi la verifica dell'assenza di punti caldi prima di studiare i diversi scenari.
Scenari di uso standard e scenari di tipo guasto o manutenzione, nonché l'evoluzione delle temperature della sala nel tempo in caso di interruzione della rete elettrica e di riavvio dei diversi sistemi di emergenza.
Con densità che possono superare i 10 kW per rack, evacuare il calore delle apparecchiature informatiche ad alta densità è un punto chiave per questi data center, il che impone di simulare il comportamento termo-aeraulico della sala.
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