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White paper: Utilizzo dei 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 una aumento simultaneo della potenza di calcolo , che comporta il 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 una potenza di 45 kW.

La virtualizzazione dei server comporta una maggiore dissipazione di calore da 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.

La potenza termica prodotta per rack è in costante aumento.

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.

“Il progettista deve porsi una domanda naturale: il sistema di condizionamento dell’aria riuscirà a gestire il 100% del carico termico?”.

Per ottenere una risposta sufficientemente accurata a questa domanda, non è più sufficiente che il progettista utilizzi solo un’equazione di bilancio termico con l’aggiunta di un margine di capacità di raffreddamento del 10-20% e un programma Excel.

Cosa succede in caso di taglio di una rete di rivenditori? qual è l’impatto della manutenzione?
Simulazione CFD della distribuzione della temperatura di corridoi caldi e freddi - Data Center

Una serie di problemi nel funzionamento 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 centre possono verificarsi aree locali di surriscaldamento delle apparecchiature (chiamate hot spot) o, al contrario, aree di bassa temperatura (per i sistemi di raffreddamento naturale).

Chiaramente, il surriscaldamento di server, sistemi di archiviazione dati, apparecchiature di rete e di telecomunicazione è dannoso; prima o poi, le alte temperature causeranno guasti e quindi 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 in un data center?

Quando si progetta un nuovo data center, l’architetto incaricato del progetto si pone sempre una domanda: quanto deve essere alto un pavimento sopraelevato in un data center?

È chiaro che più Maggiore è l’altezza del controsoffitto, migliore è la resistenza al flusso d’aria, Inoltre, sotto il pavimento sopraelevato possono essere stoccate varie reti (reti idriche, canaline e cavi) e possono essere collocate strutture e apparecchiature aggiuntive, ad esempio reti di distribuzione dell’energia elettrica o punti di consolidamento di 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 più di 100 m².L’altezza del pavimento sopraelevato deve essere di almeno 500 – 700 mm, se la sala macchine è più di 300 m², l’altezza del pavimento sopraelevato deve esserealmeno 700 mm. Questa regola pratica funzionava quando il carico per rack non funzionava non ha superato i 5 kW e che non è stata utilizzata la tecnologia di isolamento dell’aria calda e fredda (separazione dei 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. Sulla base dei risultati di calcolo ottenuti, l’utente valutase necessario, modifica il modello computerizzatoed 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 nel processo decisionale di progettazione per migliorare ulteriormente il modello creato dell’impianto, per identificare i colli di bottiglia nell’impianto operativo e per ottimizzare il sistema operativo.

Utilizzo della simulazione CFD nei data center

Purtroppo, temperature di esercizio più elevate possono portare a 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 guasti hardware istantanei 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:

  • Ladimensione  e ilvolume  della stanza;
  • Posizionamento degli armadi e dei rack per telecomunicazioni nella sala server;
  • Altezza del pavimento sollevata; direzionevolume velocità del movimento dell’aria fredda;
  • Posizione delle apparecchiature di climatizzazione;
  • I tipi di ventilatori 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 l’uso dell’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 può essere stimato in modo affidabile senza un’accurata simulazione al computer.

Software CFD per data center

Esistono sul mercato numerosi programmi che risolvono vari problemi legati alla simulazione dei flussi di liquidi e gas. Tra questi programmi ci sono 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 già pronti e di librerie di elementi integrate, che tengano conto delle specificità dei data centre.

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 data center

Recupero delle ipotesi di studio

Prima di eseguire il processo di modellazione di un data center esistente, è necessario condurre uno studio completo e accurato dell’oggetto: misurare la velocità dei flussi d’aria, misurare la pressione, misurare la temperatura, determinare i canali del flusso d’aria e individuare gli ostacoli e i possibili punti di fuoriuscita dell’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 data center

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.

Creazione della 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 di condizioni al contorno e simulazioni

Le condizioni limite vengono inserite nel programma e i modelli vengono selezionati in base alle ipotesi, quindi viene eseguito un calcolo che può convergere o divergere (cioè non avere una soluzione corretta) in base ai diversi 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.

Quale impatto sul design?

I moderni strumenti di progettazione consentono agli ingegneri CFD di interagire con i vari mestieri al fine di spiegare semplicemente i fenomeni che causano i problemi e poi proporre soluzioni che può essere convalidato da tutte le parti.

Sintesi

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 apparecchiature 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 della temperatura e dell’umidità lungo i corridoi freddi e l’altezza della sala rack dei server, a seconda della :

  • carico termico;
  • i luoghi in cui sono installate le unità di condizionamento;
  • temperatura dei refrigeranti e dei liquidi di raffreddamento;
  • altezza del pavimento rialzato;
  • la distribuzione dei palinsesti radiotelevisivi;
  • il tipo di ventilatori e altri parametri.

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