White paper: Utilizzo della CFD per i data center
Estratto dal libro bianco di EOLIOS sui Data Center
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Libro bianco
Il carico termico dei data center ha notevolmente negli ultimi anni. E questa tendenza continua, perché esiste un processo di riduzione delle dimensioni delle apparecchiature elettroniche con un aumento simultaneo della potenza di calcolo, con conseguente rilascio di una grande quantità di calore per unità (un’unità di altezza del rack del server). Se qualche anno fa sembrava che la capacità di raffreddamento di 5 kW per rack di server fosse abbastanza sufficiente a coprire tutte le esigenze esistenti e previste dai clienti nel prossimo futuro, oggi ci sono apparecchiature sul mercato che, anche se non l’intero rack di server è riempito, emette più di 10 kW.
Quasi tutti i produttori di server dispongono di tali apparecchiature. I grandi gruppi offrono un sistema IT unificato, che raggiunge un consumo energetico di 2 kW o più per 6U, a seconda della modalità operativa. Non è raro che vengano generati più di 10 kW di calore per ogni rack, con rack che possono arrivare a 45 kW.
La virtualizzazione dei server comporta una maggiore dissipazione di calore da parte di un singolo processore
L’uso della tecnologia di virtualizzazione dei server “peggiora” la situazione. La virtualizzazione dei server può aumentarne il carico in modo considerevole e se i vecchi processori erano inattivi per il 75-85% del tempo, con l’uso della virtualizzazione il carico dei processori nei server aumenta in modo considerevole e quindi si genera più calore su un server. Le migliori pratiche dell’ASHRAE per l’efficienza energetica nelle strutture dei data center lo confermano.
Il calore prodotto dal rack aumenta costantemente.
Pertanto, quando si progetta un moderno data center, è necessario concentrarsi su carichi termici di 10 kW o più per rack di server. Oppure, come ultima risorsa, è necessario assegnare zone specifiche nella sala computer del data center, che forniranno un raffreddamento da 10 kW per ogni rack di server.
Per ottenere una risposta sufficientemente precisa a questa domanda, non è più sufficiente che il progettista utilizzi solo l’equazione del bilancio termico con l’aggiunta di un margine di capacità di raffreddamento del 10%-20% e un programma Excel.
Una serie di problemi nella gestione dei data center
Anche nella gestione di un data center esistente, anche con carichi termici ridotti, sorgono diversi problemi . Ad esempio, dopo l’installazione di apparecchiature aggiuntive, possono comparire zone morte nel data center.
Nei data center possono verificarsi aree locali in cui le apparecchiature si surriscaldano (note come hot spot) o, al contrario, aree in cui la temperatura è piuttosto bassa (per i sistemi di raffreddamento naturale).
È chiaro che il surriscaldamento dei server, dei sistemi di archiviazione dati, delle apparecchiature di rete e di telecomunicazione è negativo; prima o poi le temperature elevate porteranno a guasti e quindi a una potenziale perdita di dati.
D’altra parte, l’umidità influisce negativamente anche sul funzionamento dei server e dei sistemi di archiviazione dati. Le basse temperature determinano un aumento dell’umidità, che può portare alla formazione di condensa. L’umidità relativa, secondo ASHRAE, non dovrebbe superare l’80%. Alcuni produttori inseriscono sensori di temperatura e umidità relativa nei server e nei sistemi di archiviazione e i controlli software possono spegnere l’hardware quando vengono superati i limiti di umidità e temperatura.
La temperatura nelle sale server, dove vengono installate e utilizzate apparecchiature informatiche, è limitata dagli standard non solo dal limite superiore, ma anche dal limite inferiore. Secondo gli ultimi requisiti ASHRAE TC 9.9 pubblicati nel 2016, la temperatura nella sala server non deve essere inferiore a 18 gradi Celsius. Inoltre, la temperatura più bassa comporta un uso inefficiente dell’ elettricità, con conseguente aumento dei costi operativi dei data center.
Per combattere i punti caldi locali, il cliente potrebbe dover installare ventole a pavimento vicino ai rack dei server, montare unità di raffreddamento ad aria o a liquido aggiuntive (se, ovviamente, c’è spazio per queste). Tuttavia, non è necessariamente necessario utilizzare un metodo così “radicale”. Ma a volte si scopre che solo una cosa avrebbe dovuto essere sostituita: può essere sufficiente rimuovere o aggiungere delle griglie al pavimento sopraelevato e il problema può essere risolto. Tuttavia, è estremamente difficile identificare i colli di bottiglia senza strumenti software speciali e senza una conoscenza precisa degli effetti termo-aerodinamici. Spesso il cliente utilizza lo spazio del data center in modo estremamente inefficiente, senza caricare completamente gli armadi e distribuire le apparecchiature in modo uniforme (se è possibile farlo). Ma tutto questo si sarebbe potuto evitare creando un modello termodinamico CFD del data center ed eseguendo i calcoli di ottimizzazione in base a questo modello.
Quanto è alto il pavimento sopraelevato di un data center?
Quando si progetta un nuovo data center, l’architetto incaricato del progetto ha sempre una domanda: quanto deve essere alto un pavimento sopraelevato in un data center?
Chiaramente, più alto è il controsoffitto, maggiore è la resistenza al flusso d’aria, più reti diverse (reti idriche, canaline e cavi) possono essere immagazzinate, e sotto il controsoffitto rialzato possono essere collocate strutture e apparecchiature aggiuntive, ad esempio reti di distribuzione dell’energia elettrica o punti di consolidamento per un sistema di cablaggio strutturato…
Tuttavia, con l’aumento dell’altezza del pavimento sopraelevato, aumentano i costi della struttura dell’edificio e, inoltre, diminuisce lo spazio tra il pavimento sopraelevato e il soffitto, il che può rendere difficile la creazione di un sistema di condotti per fornire aria calda alle unità di raffreddamento (CRAH). Alcuni anni fa è stata pubblicata una raccomandazione sull’altezza del pavimento sopraelevato in relazione alle dimensioni della sala macchine del data center.
Con zona sala macchine fino a 70 m², l’altezza del pavimento sopraelevato deve essere di almeno 400 – 500 mm, se l’area della stanza è superiore a 100 m², l’altezza del pavimento di accesso rialzato deve essere di almeno 500 – 700 mm; se la sala macchine è superiore a 300 m², l’altezza del pavimento di accesso rialzato deve essere dialmeno 700 mm. Questa regola empirica funzionava quando il carico per rack non superava i 5 kW e non veniva utilizzata la tecnologia di isolamento dell’aria calda e fredda (separazione tra corridoi caldi e freddi). In questo contesto, per ottenere una risposta accurata alla domanda sull’altezza del pavimento sopraelevato, si consiglia di eseguire una simulazione CFD dei flussi d’aria, calcolare diverse opzioni e scegliere quella più appropriata.
Che cos'è la simulazione CFD?
CFD è l’acronimo di Computational Fluid Dynamics.
Utilizzando un software specializzato, l’utente crea un modello tridimensionale di un oggetto, impone determinate condizioni al contorno, seleziona i modelli che rappresentano i fenomeni fisici che si verificano nei mezzi gassosi e liquidi (trasferimento di calore, flusso dei mezzi, conducibilità termica, irraggiamento, convezione, ecc.), seleziona un metodo di calcolo ed esegue i calcoli… In base ai risultati dei calcoli ottenuti, l’utente valuta, se necessario modifica il modello computerizzato ed esegue nuovamente i calcoli. In base ai risultati dei calcoli, l’utente valuta e, se necessario, modifica il modello informatico ed esegue nuovamente i calcoli. L’obiettivo della modellazione è scrivere i fenomeni fisici nel modo migliore possibile e quindi trovare una soluzione adeguata e soddisfacente ai problemi di progettazione che si possono incontrare.
I risultati della simulazione vengono utilizzati per prendere decisioni di progettazione, per migliorare ulteriormente il modello creato dell’impianto, per identificare i colli di bottiglia nell’impianto in funzione e per ottimizzare il sistema operativo.
Uso della simulazione CFD nei data center
Purtroppo le temperature di esercizio più elevate possono ridurre il tempo di reazione in caso di rapido aumento della temperatura dovuto a un guasto dell’unità di raffreddamento. Un data center che contiene server che operano a temperature più elevate è probabile che soffra di guasto hardware istantaneo simultaneo. Le recenti normative ASHRAE sottolineano l’importanza di monitorare in modo proattivo la temperatura ambientale all’interno delle sale server.I centri dati sono oggetti ideali per la modellazione IT perché è impossibile creare un prototipo o un modello fisico di un data center. E senza creare un modello di centro dati, è impossibile prevedere con sufficiente precisione come si comporterà il sistema di condizionamento dell’aria in una struttura operativa reale, come si comporterà il sistema di condizionamento dell’aria al variare del carico, come varierà la temperatura in una fila di rack di server e lungo l’altezza di ciascun rack.
Quando si progetta un sistema di condizionamento dell’aria in un data center, è necessario prendere in considerazione un gran numero di parametri. Ne daremo qui alcuni:
- Le dimensioni e il volume della stanza;
- Posizionamento degli armadi e dei rack per telecomunicazioni nella sala server;
- Altezza del pavimento sollevata; direzione, volume e velocità del movimento dell’aria fredda;
- Posizione delle apparecchiature di climatizzazione;
- I tipi di ventilatore utilizzati e la direzione del flusso d’aria,
- Considerazione degli ostacoli al flusso di aria fredda;
- Il tipo di solette sopraelevate utilizzate e la geometria degli sbocchi.
Quando si progetta un sistema di climatizzazione senza utilizzare l’analisi CFD, la maggior parte di questi parametri non sono presi in considerazione in modo adeguato o sono sovradimensionati. Infatti, l’influenza effettiva sulla distribuzione della temperatura e dell’umidità nella stanza del data center dipende dal parametro studiato. non possono essere stimati in modo affidabile senza un’accurata simulazione al computer.
Software CFD per centri dati
Esistono sul mercato numerosi programmi che risolvono vari problemi legati alla simulazione dei flussi di liquidi e gas. Questi programmi includono i seguenti: ANSYS, Autodesk CFD, Xflow, Open Foam, Phoenics, Flow Vent, STAR-CD, FASTEST-3, Flow Vision, Tile Flow, Sigma6room, Gas Dynamics Tool… Tuttavia, non tutti i programmi di simulazione del flusso termodinamico dispongono di moduli pronti all’uso e di librerie di elementi integrati che tengono conto delle caratteristiche specifiche dei data center.
Software come Tile Flow e Sigma 6 dispongono di moduli, programmi e librerie integrati per simulare il flusso d’aria nel data center. Per gli ingegneri che non sono abituati a lavorare con programmi di modellazione CFD, ha senso considerare l’acquisto di questo tipo di software, che contiene già modelli pronti all’uso per il calcolo dei flussi d’aria nel data center, ci sono librerie di apparecchiature (ad esempio, ventilatori, pompe, unità di condizionamento). In tutti i casi, la qualità dello studio è determinata dal livello di esperienza dell’ingegnere incaricato della simulazione. L’ingegneria CFD deve essere eseguita da specialisti.
Fasi della progettazione della modellazione CFD di un centro dati
Recupero delle ipotesi di studio
Prima di procedere alla modellazione di un data center esistente, è necessario effettuare uno studio completo e accurato dell’ oggetto: misurare la velocità dei flussi d’aria, misurare la pressione, effettuare misurazioni della temperatura, determinare i canali di circolazione dell’aria e individuare gli ostacoli e le possibili sedi di perdite d’aria. In altre parole, il compito di esaminare un oggetto esistente è piuttosto laborioso, ma comunque estremamente utile. Perché nel processo di raccolta dei dati vengono identificati i colli di bottiglia. Per risolvere il problema della creazione di un modello per un nuovo data center, è necessario raccogliere i dati iniziali dello spazio e convalidare le ipotesi sulle tecnologie e i dispositivi utilizzati.
Modellazione 3D del centro dati
Successivamente, è necessario creare un modello geometrico del data center (o gemello digitale) e degli elementi che lo compongono. Il modello 3D di un oggetto viene creato con programmi CAD e i dati vengono esportati nel modulo di simulazione CFD.
Creare la maglia
Successivamente, è necessario creare il modello di risoluzione. Ciò avviene in programmi che utilizzano moduli software integrati per la generazione di mesh o prodotti software separati. L’accuratezza, la convergenza e la velocità del calcolo dipendono dalla maglia . La qualità dei risultati ottenuti dipende direttamente dalla qualità della maglia (finezza, adattamento della maglia, ecc.). Dopo la fase di costruzione della maglia, l’utente deve verificare la qualità della maglia costruita in base a diversi parametri (asimmetria degli elementi, rapporto altezza/larghezza).
Implementazione delle condizioni al contorno e delle simulazioni
Le condizioni al contorno vengono inserite nel programma e i modelli vengono selezionati sulla base delle ipotesi, quindi viene eseguito un calcolo che può convergere o divergere (cioè non avere una soluzione corretta) a seconda dei vari parametri di cui sopra.
Dopo la convergenza, i risultati dei calcoli possono essere elaborati da programmi speciali e visualizzati in forma grafica, tabellare o addiritturaanimata, mostrando chiaramente le variazioni dei parametri fisici. Per i data center, viene solitamente utilizzata una rappresentazione visiva dei dati calcolati sotto forma di distribuzione della temperatura sull’area della sala computer e dell’altezza dei rack dei server.
L’ingegnere analizza quindi i risultati dei calcoli e, se necessario, modifica i modelli degli oggetti ed esegue nuovamente i calcoli.
Che impatto avrà sul design?
I moderni strumenti di progettazione consentono agli ingegneri CFD di comunicare con i vari operatori, in modo da spiegare semplicemente i fenomeni alla base dei problemi, per poi proporre proporre soluzioni che possono poi essere convalidate collettivamente.
Sommario
I programmi CFD possono simulare il flusso di liquidi e gas, nonché altri fenomeni fisici associati a questo processo, come il trasferimento di calore. La modellazione termodinamica offre grandi opportunità per l’ analisi dei flussi di liquidi e gas, consentendo di progettare nuovi sistemi e attrezzature ad alto livello professionale o diottimizzare i sistemi esistenti.
Senza l’uso della modellazione CFD, è impossibile ottenere risposte precise a domande fondamentali come la distribuzione delle temperature e dell’umidità lungo i corridoi freddi e l’altezza della sala rack dei server, in funzione :
- del carico termico;
- dove sono installate le unità di climatizzazione;
- la temperatura dei fluidi di trasferimento del calore e dei refrigeranti;
- l’altezza del pavimento sopraelevato;
- la distribuzione dei programmi di trasmissione;
- il tipo di ventole e altri parametri.
