White Paper: Einsatz von CFD für Rechenzentren
Auszug aus dem EOLIOS White Paper über Datenzentren
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Weißbuch
Die Wärmelast in den Rechenzentren stieg auf in den letzten Jahren erheblich gestiegen. Und dieser Trend setzt sich fort, denn es gibt einen Prozess der Verkleinerung der Geräte elektronische mit einer gleichzeitige Erhöhung der Rechenleistung , was zur Freisetzung einer großen Wärmemenge pro Einheit (eine Höheneinheit des Serverracks) führt. Während es vor einigen Jahren noch so aussah, als ob die Kühlkapazität von 5 kW pro Serverrack völlig ausreichend wäre, um alle bestehenden und in naher Zukunft erwarteten Bedürfnisse der Kunden zu decken, gibt es heute Geräte auf dem Markt, die selbst dann, wenn es nicht einmal der gesamte Server das Rack ist, gefüllt sind, mehr als 10 kW ausstrahlt.
Fast alle Serverhersteller verfügen über solche Geräte. Die großen Gruppen bieten ein einheitliches Computersystem, das einen Stromverbrauch von 6U von 2 kW oder mehr je nach Betriebsmodus erreicht. Es ist nicht ungewöhnlich, dass mehr als 10 kW Wärme pro Rack erzeugt werden können. eine Leistung von 45 kW.
Servervirtualisierung führt zu einer erhöhten Wärmeableitung von einem einzelnen Prozessor.
Der Einsatz der Servervirtualisierungstechnologie „verschlimmert“ die Situation. Die Virtualisierung von Servern kann deren Belastung erheblich steigern. Wenn die alten Prozessoren 75-85% der Zeit inaktiv waren, dann steigt durch die Nutzung der Virtualisierung die Prozessorlast in den Servern erheblich an und folglich wird mehr Wärme auf einem Server erzeugt. Die ASHRAE Best Practices for Energy Efficiency in Data Center Facilities bestätigt diese Angaben.
Die Wärmeproduktion durch Racks nimmt ständig zu.
Daher ist es bei der Planung eines modernen Rechenzentrums notwendig, sich auf Wärmelasten von 10 kW oder mehr pro Serverrack zu konzentrieren. Oder es müssen als letzter Ausweg spezielle Bereiche im Computerraum des Rechenzentrums zugewiesen werden, die eine Kühlung ab 10 kW pro Serverrack bereitstellen.
Um eine ausreichend genaue Antwort auf diese Frage zu erhalten, reicht es nicht mehr aus, wenn der Konstrukteur nur die Gleichung für eine Wärmebilanz mit einer Marge für die Kühlleistung von 10% bis 20% und ein Excel-Programm verwendet.
Wie wirkt sich die Wartung aus?
Eine Reihe von Problemen beim Betrieb von Rechenzentren
Eine Reihe von Problemen treten auch beim Betrieb eines bestehenden Rechenzentrums auf, selbst bei geringer thermischer Belastung.
Beispielsweise können nach der Installation zusätzlicher Geräte tote Zonen im Rechenzentrum entstehen.
In Rechenzentren können lokale Bereiche mit überhitzten Geräten (sogenannte Hotspots) oder Bereiche mit relativ niedrigen Temperaturen (bei natürlichen Kühlsystemen) auftreten.
Es ist klar, dass die Überhitzung von Servern, Datenspeichersystemen, Netzwerken und Telekommunikationsgeräten schlecht ist; früher oder später werden hohe Temperaturen zu Ausfällen und damit zu potenziellen Datenverlusten führen.
Andererseits wirkt sich die Luftfeuchtigkeit auch negativ auf den Betrieb von Servern und Datenspeichersystemen aus.
Niedrige Temperaturen führen zu einem Anstieg der Luftfeuchtigkeit, was wiederum zu Kondensation führen kann.
Die relative Luftfeuchtigkeit sollte laut ASHRAE nicht mehr als 80% betragen.
Einige Hersteller integrieren Sensoren für Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit in Servern und Speichersystemen, und Softwareregelungen können die Hardware abschalten , wenn die Grenzwerte für Luftfeuchtigkeit und Temperatur überschritten werden.
Die Temperatur in Serverräumen, in denen IT-Equipment installiert und betrieben wird, ist durch Normen nicht nur durch die Obergrenze, sondern auch durch die Untergrenze begrenzt.
Nach den neuesten Anforderungen des ASHRAE Technical Committee TC 9.9, die 2016 veröffentlicht wurden, darf die Temperatur im Serverraum nicht unter 18 Grad Celsius liegen.
Darüber hinaus führt die niedrigere Temperatur zu einer ineffizienten Nutzung von Strom, was wiederum zu höheren Betriebskosten des Rechenzentrums führt.
Um lokale Hotspots zu bekämpfen, kann der Kunde gezwungen sein, Bodenventilatoren in der Nähe der Serverracks zu installieren oder zusätzliche Luft- oder Flüssigkeitskühleinheiten zu montieren (natürlich nur, wenn Platz für deren Installation vorhanden ist).
Allerdings ist die Anwendung einer solch „radikalen“ Methode nicht unbedingt notwendig. Manchmal stellt sich jedoch heraus, dass nur eine Sache hätte ersetzt werden müssen: Es kann sich um das Entfernen oder Hinzufügen von Doppelbodengittern handeln und das Problem kann gelöst werden.
Ohne spezielle Softwaretools und genaue Kenntnisse der thermo-lufttechnischen Effekte ist es jedoch äußerst schwierig, Engpässe zu identifizieren.
Häufig nutzt der Kunde den Platz im Rechenzentrum äußerst ineffizient, ohne die Schränke vollständig zu beladen und die Geräte gleichmäßig zu verteilen (sofern dies überhaupt möglich ist).
All dies hätte jedoch vermieden werden können, indem man ein thermodynamisches CFD-Modell des Rechenzentrums erstellt und Optimierungsberechnungen nach diesem Modell durchführt.
Wie hoch ist der Doppelboden in einem Rechenzentrum?
Bei der Planung eines neuen Rechenzentrums hat ein verantwortlicher Architekt immer eine Frage: Wie hoch muss ein Doppelboden in einem Rechenzentrum sein?
Es ist klar, dass je höher der Doppelboden ist, desto besser ist der Widerstand gegen den Luftstrom, desto mehr verschiedene Netzwerke (Wassersysteme, Kabelkanäle und Kabel) können untergebracht werden, ebenso können zusätzliche Strukturen und Geräte unter dem Doppelboden platziert werden, z.B. Energieverteilungsnetze oder Konsolidierungspunkte eines strukturierten Kabelsystems…
Mit zunehmender Höhe des Doppelbodens steigen jedoch die Kosten für die Gebäudestruktur und nebenbei wird der Raum zwischen dem Doppelboden und der Decke kleiner, was die Schaffung eines Kanalsystems zur Versorgung der Kühleinheiten mit warmer Luft (CRAH) erschweren kann.
Vor einigen Jahren wurde eine Empfehlung zur Höhe des Doppelbodens in Abhängigkeit von der Fläche des Maschinenraums im Rechenzentrum veröffentlicht.
Mit Maschinenraumbereich bis zu 70 m² muss die Höhe des Doppelbodens mindestens betragen 400 – 500 mm, wenn die Fläche des Raumes Wenn der Maschinenraum größer als 100 m² ist, muss die Höhe des Doppelbodens mindestens 500 – 700 mm betragen, wenn der Maschinenraum größer als 300 m² ist, muss die Höhe des Doppelbodensmindestens 700 mm betragen. Diese Faustregel funktionierte, wenn die Last pro Rack nicht mehr als 5 kW betrug und die Technologie der Warm- und Kaltluftisolierung nicht verwendet wurde (Trennung zwischen Warm- und Kaltgang).
Um eine genaue Antwort auf die Frage nach der Höhe des Doppelbodens zu erhalten, wird empfohlen, eine CFD-Simulation der Luftströme durchzuführen, mehrere Optionen zu berechnen und die am besten geeignete auszuwählen.
Was ist eine CFD-Simulation?
CFD ist ein Akronym für Computational Fluid Dynamics.
Mit Hilfe einer speziellen Software erstellt der Nutzer ein dreidimensionales Modell eines Objekts, legt bestimmte Randbedingungen fest, wählt Modelle aus, die physikalische Phänomene in gasförmigen und flüssigen Medien darstellen (Wärmeübertragung, Strömung von Medien, Wärmeleitfähigkeit, Strahlung, Konvektion, usw.). Auf der Grundlage der erhaltenen Berechnungsergebnisse bewertet der Nutzer das Computermodell, ändert es, wenn nötig, und führt die Berechnungen erneut durch. Das Ziel der Modellierung ist es, die physikalischen Phänomene so gut wie möglich zu beschreiben und dann eine passende und zufriedenstellende Lösung für die Designprobleme zu finden, die dir begegnen können.
Die Ergebnisse der Simulation werden bei der Entscheidungsfindung für den Entwurf verwendet, um das erstellte Modell der Anlage weiter zu verbessern, Engpässe in der Betriebsanlage zu identifizieren und das Betriebssystem zu optimieren .
Einsatz von CFD-Simulationen in Rechenzentren
Leider können höhere Betriebstemperaturen die Reaktionszeit im Falle eines schnellen Temperaturanstiegs aufgrund eines Ausfalls der Kühleinheit zu reduzieren. Ein Rechenzentrum, das Server enthält, die bei höheren Temperaturen laufen, kann unter Umständen Hardware-Ausfälle sofort zu beheben zur gleichen Zeit.
Die jüngsten ASHRAE-Vorschriften unterstreichen die Bedeutung einer proaktiven Überwachung der Umgebungstemperatur in Serverräumen. Rechenzentren sind ideale Objekte für die Computermodellierung, weil sie ist es unmöglich, einen Prototypen oder ein physisches Modell eines Rechenzentrums zu erstellen. Und ohne ein Modell des Rechenzentrums zu erstellen, es ist nicht möglich, mit ausreichender Genauigkeit vorherzusagen wie die Klimaanlage in einer realen Betriebsanlage funktionieren wird, wie sich die Klimaanlage verhalten wird, wenn sich die Last ändert, wie sich die Temperatur in einer Reihe von Serverracks und entlang der Höhe jedes Racks ändern wird.
Bei der Planung einer Klimaanlage in einem Rechenzentrum muss eine Vielzahl von Parametern berücksichtigt werden.
Im Folgenden werden einige dieser Faktoren aufgeführt:
- Die Größe und das Volumen des Raumes;
- Platzierung von Telekommunikationsschränken und Racks im Serverraum;
- Höhe des erhöhten Bodens ; Richtung, Volumen und Geschwindigkeit der Bewegung der kalten Luftströme;
- Standort der Klimaanlagen;
- Die Art der verwendeten Ventilatoren und die Richtung des Luftstroms,
- Berücksichtigung von Hindernissen für den Kaltluftstrom;
- Die Art der verwendeten Doppelbodenplatten und die Geometrie der Ausgänge.
Bei der Planung einer Klimaanlage ohne CFD-Analyse, Die meisten dieser Parameter werden nicht richtig berücksichtigt oder sind überdimensioniert.
Der tatsächliche Einfluss auf die Verteilung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Raum des Rechenzentrums hängt von den untersuchten Parametern ab. kann nicht zuverlässig geschätzt werden ohne genaue Computersimulation.
CFD-Software für Rechenzentren
Es gibt eine große Anzahl von Programmen auf dem Markt, die verschiedene Probleme im Zusammenhang mit der Simulation von Flüssigkeits- und Gasströmen lösen können.
Zu diesen Programmen gehören die folgenden: ANSYS, Autodesk CFD, Xflow, Open Foam, Phoenics, Flow Vent, STAR-CD , FASTEST-3, Flow Vision, Tile Flow, Sigma6room, Gas Dynamics Tool… Allerdings verfügen nicht alle Programme zur thermodynamischen Strömungssimulation über fertige Module und integrierte Elementbibliotheken, die die Besonderheiten von Datenzentren berücksichtigen.
Software wie Tile Flow und Sigma 6 haben integrierte Module, Programme und Bibliotheken, um die Luftströme im Rechenzentrum zu simulieren.
Für Ingenieure, die nicht an die Arbeit mit CFD-Modellierungsprogrammen gewöhnt sind, ist es logisch, den Kauf dieser Art von Software in Betracht zu ziehen, die bereits fertige Modelle zur Berechnung der Luftströme im Rechenzentrum enthält, es gibt Bibliotheken von Geräten (z.B. Ventilatoren, Pumpen, Klimaanlagen). Die Qualität der Studie hängt in jedem Fall von der Erfahrung des Ingenieurs ab, der für die Simulation verantwortlich ist.
CFD-Engineering muss von Spezialisten durchgeführt werden.
Die Schritte zur Gestaltung des CFD-Modells eines Rechenzentrums
Abruf von Studienhypothesen
Bevor Sie den Prozess der Modellierung eines bestehenden Rechenzentrums durchführen, ist es notwendig, eine vollständige und genaue Untersuchung des Objekts durchzuführen: Messung der Luftströmungsgeschwindigkeit, Messung des Drucks, Temperaturmessungen, Bestimmung der Luftströmungskanäle und Erkennung von Hindernissen und möglichen Orten für Luftlecks.
Mit anderen Worten, die Aufgabe, ein bestehendes Objekt selbst zu untersuchen, ist ziemlich mühsam, aber dennoch äußerst nützlich.
Denn im Prozess der Datenerhebung werden Engpässe identifiziert.
Um das Problem der Erstellung eines Modells für ein neues Rechenzentrum zu lösen, ist es notwendig, erste Daten über den Raum zu sammeln und die Annahmen über die verwendeten Technologien und Geräte zu validieren.
3D-Modell des Rechenzentrums
Anschließend wird ein geometrisches Modell des Datenzentrums (oder digitalen Zwillings) und der Elemente, aus denen das Datenzentrum besteht, erstellt.
Ein 3D-Modell eines Objekts wird mit Hilfe von CAD-Programmen erstellt und die Daten werden dann in das CFD-Simulationsmodul exportiert.
Erstellung des Netzes
Anschließend wird das Lösungsmodell erstellt. Dieser Schritt wird in Programmen mit integrierten Softwaremodulen zur Netzgenerierung oder unter Verwendung separater Softwareprodukte durchgeführt. Genauigkeit, Konvergenz und Geschwindigkeit der Berechnung hängen von der Vernetzung ab . Die Qualität der erhaltenen Ergebnisse hängt direkt von der Qualität des Netzes ab (Feinheit, Anpassung des Netzes…). Nach der Erstellung des Netzes muss der Benutzer die Qualität des erstellten Netzes anhand verschiedener Parameter überprüfen (Asymmetrie der Elemente, Verhältnis von Höhe zu Breite).
Implementierung von Randbedingungen & Simulationen
Die Randbedingungen werden in das Programm eingegeben und die Modelle werden entsprechend den Annahmen ausgewählt, dann wird eine Berechnung durchgeführt, die konvergieren oder divergieren kann (d.h. keine korrekte Lösung hat), je nach den verschiedenen oben genannten Parametern.
Nach der Konvergenz können die Berechnungsergebnisse von speziellen Programmen verarbeitet und als Grafik, Tabelle oder sogar alsAnimation dargestellt werden, wodurch die Veränderungen der physikalischen Parameter deutlich demonstriert werden.
Für Rechenzentren wird in der Regel eine visuelle Darstellung berechneter Daten in Form der Temperaturverteilung über die Fläche des Computerraums und die Höhe der Serverracks verwendet.
Anschließend analysiert der Ingenieur die berechneten Ergebnisse und ändert , wenn nötig, die Objektmodelle und führt die Berechnungen erneut durch.
Welche Auswirkungen hat dies auf die Gestaltung?
Moderne Design-Tools ermöglichen es CFD-Ingenieuren, sich mit den verschiedenen Fachbereichen auszutauschen, um Folgendes zu erreichen einfach zu erklären die den Problemen zugrunde liegenden Phänomene zu erklären und anschließend Lösungen vorzuschlagen. Diese können dann gemeinsam validiert werden.
Zusammenfassung
Mit CFD-Programmen kann man die Strömung von Flüssigkeiten und Gasen sowie andere physikalische Phänomene simulieren, die mit diesem Prozess verbunden sind, wie z. B. die Wärmeübertragung. Die thermodynamische Modellierung bietet große Möglichkeiten zur Analyse von Flüssigkeits- und Gasströmen, was es ermöglicht, auf hohem professionellem Niveau neue Systeme und Anlagen zu entwerfen oder den Betrieb bestehender Systeme zuoptimieren .
Ohne den Einsatz von CFD-Modellen ist es unmöglich, genaue Antworten auf so grundlegende Fragen wie die Verteilung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit entlang der Kaltgänge und die Raumhöhe der Serverracks zu erhalten, je nachdem, wie hoch die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit in den Kaltgängen ist:
- der thermischen Belastung;
- die Orte, an denen die Klimaanlagen installiert werden;
- der Temperatur von Wärmeträgern und Kühlmitteln;
- der Höhe des erhöhten Bodens;
- die Verteilung der Sendezeit;
- des Lüftertyps und anderer Parameter.
