Whitepaper: Nutzung von CFD für Rechenzentren

Auszug aus dem EOLIOS-Weißbuch über Datenzentren

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Die Wärmebelastung in Rechenzentren hat 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 sei eine Kühlkapazität von 5 kW pro Serverrack völlig ausreichend, um alle bestehenden und in naher Zukunft erwarteten Bedürfnisse der Kunden abzudecken, gibt es heute Geräte auf dem Markt, die selbst dann, wenn es nicht einmal der gesamte Server das Rack ist, gefüllt sind, setzt mehr als 10 kW frei.

Fast alle Serverhersteller verfügen über solche Geräte. Große Gruppen bieten ein einheitliches Computersystem, das je nach Betriebsart einen Stromverbrauch von 6U von 2 kW oder mehr erreicht. Es ist nicht ungewöhnlich, dass mehr als 10 kW Wärme pro Rack erzeugt werden können, wir beobachten Racks mit bis zu eine Leistung von 45 kW.

Servervirtualisierung führt zu einer erhöhten Wärmeableitung von einem einzelnen Prozessor aus

Der Einsatz der Servervirtualisierungstechnologie „verschlimmert“ die Situation. Die Virtualisierung von Servern kann deren Last erheblich steigern. Wenn die alten Prozessoren 75-85% der Zeit inaktiv waren, dann steigt über 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 pro Rack erzeugte Wärmeleistung steigt stetig.

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.

„Der Planer muss sich eine natürliche Frage stellen: Wird die Klimaanlage die thermische Belastung zu 100 % bewältigen?

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.

Was passiert bei einer Unterbrechung des Händlernetzes? welche Auswirkungen hat die Wartung?
CFD-Simulation der Temperaturverteilung zwischen heißen und kalten Gängen - Rechenzentrum

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. Nach der Installation zusätzlicher Geräte können z. B. tote Bereiche im Rechenzentrum entstehen.

In Rechenzentren können lokale Bereiche mit überhitzten Geräten (sogenannte Hotspots) oder umgekehrt Bereiche mit recht niedrigen Temperaturen (bei natürlichen Kühlsystemen) auftreten.

Natürlich ist Überhitzung von Servern, Datenspeichersystemen, Netzwerk- und Telekommunikationsgeräten schlecht; Früher oder später führen hohe Temperaturen zu Ausfällen und damit zu potenziellen Datenverlusten.

Andererseits wirkt sich die Luftfeuchtigkeit auch negativ auf den Betrieb von Servern, Datenspeichersystemen, aus. Niedrige Temperaturen führen zu einem Anstieg der Luftfeuchtigkeit, was wiederum zu Kondensation führen kann. Die relative Luftfeuchtigkeit darf laut ASHRAE nicht mehr als 80% betragen. Einige Hersteller bauen Sensoren für die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit in Server und Speichersysteme ein, und Softwareregelungen können die Hardware herunter fahren, 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. Außerdem führt die niedrigere Temperatur zu einer ineffizienten Nutzung von Strom, was wiederum die Betriebskosten des Rechenzentrums in die Höhe treibt.

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 die mehr Je höher die Höhe des Doppelbodens, desto besser ist der Widerstand gegen den Luftstrom, plus verschiedene Netzwerke (Wassernetze, Kabelkanäle und Kabel) können gelagert werden, ebenso wie zusätzliche Strukturen und Geräte unter dem Doppelboden platziert werden können, z. B. Energieverteilungsnetze oder Konsolidierungspunkte eines strukturierten Kabelsystems…

Mit zunehmender Höhe des Doppelbodens steigen jedoch die Kosten für die Gebäudestruktur und ganz nebenbei wird der Raum zwischen Doppelboden und 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 größer als 100 m²Die Höhe des erhöhten Bodens muss mindestens betragen 500 – 700 mm, wenn der Maschinenraum macht mehr als 300 m², die Höhe des erhöhten Bodens muss betragenmindestens 700mm. Diese Faustregel funktionierte, wenn die Last pro Rack nicht funktionierte nicht mehr als 5 kW betrug und dass die Heiß- und Kaltluftisolationstechnologie nicht verwendet wurde (Trennung von Heiß- und Kaltgang). In diesem Rahmen, um eine genaue Antwort auf die Frage nach der Höhe des Doppelbodens zu erhalten, empfiehlt es sich, eine CFD-Simulation der Luftströme durchzuführen, mehrere Optionen zu berechnen und die geeignetste auszuwählen.

Was ist eine CFD-Simulation?

CFD ist ein Akronym für Computational Fluid Dynamics

Mithilfe 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.). ), wählt eine Berechnungsmethode aus und führt Berechnungen durch … Auf der Grundlage der erhaltenen Berechnungsergebnisse, der Nutzer bewertetwenn nötig, ändert das Computermodellund 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 Simulationsergebnisse werden bei der Entscheidungsfindung für das Design 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 bei einem schnellen Temperaturanstieg aufgrund eines Ausfalls der Kühleinheit zu verringern. Ein Rechenzentrum, das Server enthält, die bei höheren Temperaturen laufen, kann unter Umständen sofort von Hardwareausfällen gleichzeitig. Die jüngsten ASHRAE-Vorschriften unterstreichen die Bedeutung einer proaktiven Überwachung der Umgebungstemperatur im Inneren von Serverräumen.Rechenzentren sind ideale Objekte für die Computermodellierung, denn 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. Wir werden hier einige von ihnen geben:

  • Die Größe und das Volumen des Raumes;
  • Platzierung  vonSchränken und Racks für die Telekommunikation im Serverraum;
  • Höhe des erhöhten Bodens ; RichtungVolumen und Geschwindigkeit der Bewegung von kalten Luftströmen;
  • Standort von Klimaanlagen;
  • Die Arten der verwendeten Ventilatoren und die Richtung des Luftstroms,
  • Die Berücksichtigung von Hindernissen für den Kaltluftstrom;
  • Die Art der verwendeten Doppelbodenplatten und die Geometrie der Ausgänge.

 

Bei der Planung einer Klimaanlage ohne den Einsatz von CFD-Analysen, die meisten dieser Parameter werden nicht angemessen berücksichtigt oder sind überdimensioniert. Tatsächlich ist der tatsächliche Einfluss auf die Verteilung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Raum des Rechenzentrums je nach untersuchtem Parameter kann nicht zuverlässig geschätzt werden ohne genaue Computersimulation.

CFD-Software für Rechenzentren

Es gibt eine Vielzahl von Programmen auf dem Markt, die verschiedene Probleme im Zusammenhang mit der Simulation von Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen lösen. 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 Rechenzentren 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 sinnvoll, den Kauf solcher Software in Betracht zu ziehen. Da diese bereits fertige Modelle zur Berechnung der Luftströme im Rechenzentrum enthält, gibt es Bibliotheken mit Geräten (z. B. Ventilatoren, Pumpen, Klimaanlagen). In jedem Fall ist das, was die Qualität der Studie ausmacht, das Erfahrungsniveau des für die Simulation zuständigen Ingenieurs. CFD-Engineering sollte von Spezialisten durchgeführt werden.

Die Schritte der CFD-Modellierung eines Rechenzentrums

Wiederherstellen von Studienannahmen

Bevor Sie den Prozess der Modellierung eines bestehenden Rechenzentrums durchführen, müssen Sie Folgendes tun eine umfassende und genaue Studie des Objekts: die Geschwindigkeit von Luftströmen messen, den Druck messen, Temperaturmessungen vornehmen, Kanäle für die Luftzirkulation bestimmen und Hindernisse und mögliche Orte für Luftlecks erkennen. Mit anderen Worten: Die Aufgabe, ein existierendes Objekt selbst zu untersuchen, ist ziemlich mühsam, aber dennoch äußerst nützlich. Weil im Prozess der Datenerhebung Engpässe erkannt werden. Um die Problematik der Erstellung eines Modells für ein neues Rechenzentrum zu lösen, müssen erste Raumdaten gesammelt und Annahmen über die verwendeten Technologien und Geräte validiert werden.

3D-Modellierung des Rechenzentrums

Anschließend wird ein geometrisches Modell des Rechenzentrums (oder digitalen Zwillings) und der Elemente, aus denen das Rechenzentrum besteht, erstellt. Mithilfe von CAD-Programmen wird ein 3D-Modell eines Objekts 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 dem Schritt der Netzkonstruktion muss der Benutzer die Qualität des konstruierten Netzes anhand verschiedener Parameter (Asymmetrie der Elemente, Verhältnis von Höhe zu Breite) überprüfen.

Implementierung von Randbedingungen & Simulationen

Die Randbedingungen werden in das Programm eingegeben und die Modelle werden entsprechend den Annahmen ausgewählt. Anschließend wird eine Berechnung durchgeführt, die je nach den verschiedenen oben genannten Parametern konvergieren oder divergieren (d. h. keine korrekte Lösung haben) kann.

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 ggf. die Objektmodelle und führt die Berechnungen erneut durch.

Welche Auswirkungen auf das Design?

Moderne Konstruktionswerkzeuge ermöglichen es CFD-Ingenieuren, sich mit den verschiedenen Gewerken auszutauschen, sodass sie einfach zu erklären die Phänomene, die den Problemen zugrunde liegen, zu erklären und dann Lösungen vorschlagen die dann kollegial validiert werden können.

Synthese

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, sodass auf hohem fachlichen Niveau neue Systeme und Ausrüstungen entworfen oder der Betrieb bestehender Systemeoptimiert werden kann.

Ohne den Einsatz von CFD-Modellen ist es unmöglich, genaue Antworten auf so grundlegende Fragen zu erhalten wie die Verteilung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit entlang der Kaltgänge und die Raumhöhe der Serverracks, abhängig von :

  • Wärmebelastung;
  • der Orte, an denen die Klimaanlagen aufgestellt werden;
  • Temperatur von Kühlmitteln und Kühlmitteln;
  • Doppelbodenhöhe ;
  • die Verbreitung von Sendeplänen;
  • des Typs der Ventilatoren und anderer Einstellungen.

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