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Technische Räume – Data Center

Thermische Untersuchung von technischen Räumen in Rechenzentren

In einem Umfeld, in dem die Nachfrage nach Speicherkapazität und Rechenleistung stetig steigt, stellt das Wärmemanagement der technischen Räume von Rechenzentren eine große Herausforderung dar.
Das Ziel der Studie ist es, CFD zu nutzen, um maßgeschneiderte und innovative Lösungen vorzuschlagen, die eine optimale Leistung, maximale Energieeffizienz und unübertroffene Zuverlässigkeit in diesen kritischen Umgebungen gewährleisten.
Die untersuchten Räumlichkeiten sind ein USV-Raum, ein STS-Raum und ein Transformatorenraum, die sich in Meudon befinden.

Projekt

Technische Räume - Data Center

Jahr

2024

Kunde

NC

Lokalisierung

Frankreich

Typologie

Rechenzentrum

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Nutzung von CFD für die thermische Optimierung

Warum eine CFD-Studie (numerische Strömungsmechanik)?

In der Welt der Rechenzentren spielt das Wärmemanagement eine zentrale Rolle.
Normalerweise werden in den Hallen der Rechenzentren Warm- und Kaltgänge eingerichtet, um die Kühlung der Server und Geräte zu optimieren. Wenn es jedoch um die technischen Räume geht, ist die Situation ganz anders.
Jede Anlage ist einzigartig, mit ihren eigenen Einschränkungen und Konfigurationen, so dass standardisierte Kühllösungen oft ungeeignet sind.

In diesem Zusammenhang spielt das Fachwissen im Bereich der Computational Fluid Dynamics (CFD) eine entscheidende Rolle.
Da es weder etablierte Messungen noch fertige Lösungen gibt, ist es wichtig, fortschrittliche Modellierungswerkzeuge zu verwenden, um die Luftzirkulation, die Wärmeableitung und die Temperaturverteilung zu verstehen und zu optimieren.
Mit Hilfe von CFD wird eine gründliche Analyse der Infrastruktur durchgeführt, umheiße Bereiche zu identifizieren,den Luftstrom zu optimieren und geeignete Kühllösungen für diese technischen Räume zu entwerfen.

Représentation CFD du cloisonnement des zones chaudes et froides dans un local technique de data center
Stromlinien - nach Temperatur eingefärbt

Modellierungsprozess für die CFD-Studie

Um das 3D-Modell eines Technikraums für die CFD-Studie zu erstellen, wurde ein Ansatz verfolgt, der sowohl auf den Plänen der Räumlichkeiten als auch auf Besichtigungen vor Ort basiert.
Zunächst wurden die Abmessungen und die Anordnung der Geräte anhand der detaillierten architektonischen Pläne des Raums ermittelt.
Bei der Besichtigung vor Ort wurden dann weitere Beobachtungen und genaue Messungen durchgeführt und spezifische Details wie Kühlsysteme, Lüftungsgitter und Hindernisse erfasst.

Mit Hilfe von 3D-Modellierungssoftware wurden geometrische Modelle der Räume erstellt, die die Geräte und Hindernisse des Raumes einbeziehen und deren tatsächliche Lage berücksichtigen.
Schließlich wurden die CFD-Studien durchgeführt, indem jedem Element des Modells die entsprechenden physikalischen Eigenschaften zugewiesen wurden, wie z.B. die Wärmeleitfähigkeit der Materialien, die Wärmeabstrahlung der Maschinen und die Leistung der Klimaanlagen.

3D-Modell des UPS-Raums
Image de réalité virtuelle montrant l'intérieur d'un local technique d'un data center, avec des serveurs, des câbles et des équipements de refroidissement.
3D-Modell des USV-Raums - Innenansicht

Ergebnisse der durchgeführten Simulationen

Erkennung von thermischen Anomalien und Looping-Phänomenen

Bei unseren Simulationen der bestehenden Konfiguration der Technikräume wurden übermäßig hohe Temperaturen an den Frischluftansaugungen der Systeme festgestellt.
Diese hohen Temperaturen wurden hauptsächlich durch Ringschlüsse verursacht, bei denen diewarme Luft umgewälzt wird, anstatt effizient abgeführt zu werden.

Darüber hinaus wurden Hotspots, Bereiche mit unzureichender Wärmeableitung, identifiziert, die zu einer Überhitzung der Geräte führen können.
In diesem Fall ist ein neues Design erforderlich, um die Luftzirkulation zu optimieren, Schleifenbildung zu vermeiden und die Wärmeableitung zu verbessern.

Maßgeschneiderte Lösungen für ein optimales Wärmemanagement

Um das Schleifenphänomen zu vermeiden und die Übertemperaturen zu reduzieren, wurden neue Designs vorgeschlagen, die an jeden Technikraum angepasst sind. Im STS-Raum wurde eine Ummantelung der Abwärme vorgenommen, um die Wärme besser zu kanalisieren und abzuführen.

Im USV-Raum wurde eine vollständige Abdeckung zwischen dem oberen und dem unteren Teil installiert, um die warmen und kalten Luftmassen zu trennen. Im Transformatorraum wurde die Luftansaugung der CRAH-Einheiten (Computer Room Air Handler) erhöht, um eine bessere Ansaugung der kalorienhaltigen Luft zu ermöglichen.

Représentation CFD illustrant le cloisonnement des zones chaudes et froides dans un local technique de data center.
Temperaturabhängige farbige Stromlinien - Vollständige Abdeckung

Diese neuen Designs wurden mit Hilfe von CFDs untersucht. fortgeschrittene CFD-Simulationen um ihre Wirksamkeit zu bewerten.
Die Ergebnisse sind sehr ermutigend, da sie deutlich zeigen, dass die neuen Entwürfe die Möglichkeit bieten, dass
das Phänomen der Schleifenbildung zu vermeiden und die die Temperaturen zu senken bei der Ansaugung von Frischluft aus den Systemen.
In der Tat konnten die Temperaturen
um 5°C gesenkt werden.Dies trägt wesentlich dazu bei, optimale Betriebsbedingungen zu gewährleisten und das Risiko einer Überhitzung in den technischen Räumen des Rechenzentrums zu verringern.

Temperaturplan der Systeme auf Saughöhe - Alte Konzeption
Temperaturplan für Systeme auf Saughöhe - Neues Design

Detaillierte Simulation der Redundanz: Aufrechterhaltung der Temperatur mit einem ausgeschalteten CRAH

In den technischen Räumen wurde eine sorgfältige Redundanzanalyse durchgeführt, um eine unübertroffene Zuverlässigkeit der Kühlsysteme zu gewährleisten.
Zu diesem Zweck wurden in jedem Raum zwei CRAH-Einheiten (Computer Room Air Handler) installiert, die parallel betrieben werden, um eine optimale Betriebsredundanz zu erreichen.
Dies ermöglicht eine ausreichende Kühlung auch bei Ausfall eines der Geräte.

Um die Wirksamkeit dieser Redundanz zu bestätigen, wurden detaillierte Simulationen durchgeführt, wobei die Abschaltung einer CRAH-Einheit berücksichtigt wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass selbst bei einer abgeschalteten CRAH die Temperatur in den technischen Räumen in einem angemessenen Bereich bleibt, ohne dass ein Risiko der Überhitzung besteht. Dies unterstreicht die Wirksamkeit der Redundanz.

Bei EOLIOS wird die zentrale Bedeutung der Redundanz in kritischen Umgebungen wie Rechenzentren stets berücksichtigt. DasFachwissen in der CFD-Simulation ermöglicht die Entwicklung robuster und zuverlässiger Kühllösungen, die selbst bei Ausfall einer Einheit eine kontinuierliche Verfügbarkeit der Geräte gewährleisten.

Simulation CFD haute fidélité de la circulation de l'air dans un data center.
Luftgeschwindigkeiten am Ausgang der beiden RAHCs

Videozusammenfassung der Studie

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Video-Zusammenfassung der Mission

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