Datenverarbeitungszentren, auch Rechenzentren genannt, sind umweltkontrollierte Einrichtungen, die der Speicherung und Verarbeitung großer Datenmengen dienen. Da es sich um kritische Infrastrukturen handelt, steigen ihre Sicherheitsanforderungen. Im Rahmen der Planungs- und Betriebsanforderungen spielt das Luftmanagement eine Schlüsselrolle. Die heutige IT-Ausrüstung erreicht sehr hohe Leistungswerte, und die richtige Anordnung der Luftzufuhr- und Abluftanlagen kann über die Effizienz und den sicheren Betrieb der Einrichtung entscheiden.
Eine sehr verbreitete Technik für ein besseres Luftmanagement ist die Begrenzung der Gänge, in denen die Luft von den Racks angesaugt wird (kalter Gang) oder in denen die Geräte die Luft abführen (warmer Gang). Durch diese Methode wird die Rückführung heißer Luft am Eingang der Racks stark reduziert, wodurch das Risiko einer übermäßigen lokalen Erwärmung, die Probleme für die IT-Ausrüstung verursachen kann, verringert wird.
Bei der Planung von Rechenzentren, der Optimierung von Betriebsbedingungen oder der Untersuchung von Fehlerfällen ist die CFD-Simulation ein sehr nützliches Werkzeug. In diesem Beitrag werden wir anhand einer CFD-Studie die Verbesserungen aufzeigen, die in einem großen Rechenzentrum durch die Begrenzung der heißen und kalten Gänge erzielt wurden, was es uns ermöglicht, in der Planungsphase eine bessere Entscheidung zu treffen.
Wie wird das CFD-Modell eines Rechenzentrums erstellt?
Wir beginnen mit der Modellierung der Geometrie des Rechenzentrums, einschließlich der Racks und der Zu- und Abluftsysteme. Zur Durchführung der CFD-Studie muss die Geometrie in kleine Zellen oder Elemente unterteilt werden, damit die strömungsmechanischen Gleichungen durch numerische Berechnungen gelöst werden können. Dieser Vorgang wird als Vermaschung bezeichnet. Die folgende Abbildung zeigt ein Detail der Raumgeometrie und die entsprechende Vernetzung:
Als Nächstes definieren wir die Physik des Problems und wenden die entsprechenden Randbedingungen an. Konkret legen wir einen Kühlungsdurchsatz von 1 m3/s pro Regal fest. Dieser wird bei 20ºC von einem Doppelboden in den kalten Gängen in den Raum geleitet. Jedes Regal hat eine zugewiesene Leistung von 12 kW, mit der die absorbierte Luft erwärmt und in den Warmgang geleitet wird. Der Warmgang verfügt über ein Absaugsystem an der Spitze.
Sobald das Modell erstellt ist, wird ein Finite-Volumen-Löser verwendet, um die Gleichungen zu lösen, bis ein stationärer Zustand erreicht ist. Die Analyse eines instationären Zustands, der es uns erlauben würde, die zeitliche Entwicklung der Variablen zu sehen, wäre ebenfalls möglich und würde Informationen von großem Interesse liefern, aber in diesem Beispiel werden wir uns auf die stationären Karten konzentrieren.
Ergebnisse der CFD-Simulation
CFD-Studie des Data Centers ohne Begrenzung
Die Ergebnisse, die ohne Begrenzung eines der Korridore erzielt wurden, sind in den folgenden Abbildungen dargestellt. Sie zeigen einen Querschnitt, zuerst die Strömungsgeschwindigkeit und darunter die Temperatur:
Die Temperaturkarte zeigt einige Bereiche, die wärmer sind als erwünscht, insbesondere im zentralen Bereich. Dies ist auf die Vermischung der warmen Luft mit der kalten Luft zurückzuführen, mit der die Regale versorgt werden.
CFD-Studie mit heißen Gängen
Wir gehen nun zur Studie mit eingeschlossenen heißen Gängen über. Zu diesem Zweck wird eine Reihe von vertikalen Platten in das Modell eingefügt, durch die die heiße Luft nach oben zur Absaugung geleitet wird. Das Modell sieht dann wie in der folgenden Abbildung dargestellt aus:
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das System in Bezug auf die Luftführung recht gut abschneidet. Aufgrund der begrenzten Höhe der Bildschirme kommt es jedoch immer noch zu einer gewissen Rezirkulation, die die erzielten Verbesserungen begrenzt.
CFD-Studie mit kalten Gängen
Schließlich wird untersucht, wie sich der Einschluss der kalten Gänge auswirkt, so dass die in den Raum eintretende Luft zu den IT-Geräten geleitet wird, ohne sich mit der restlichen Luft im Raum zu vermischen, die eine höhere Temperatur haben dürfte. Das folgende Bild zeigt einen Ausschnitt des Modells im eingeschränkten Bereich:
Bei der Durchführung der Simulation und der Extraktion der Ergebnisse wurde festgestellt, dass diese Alternative eine viel gleichmäßigere Temperatur außerhalb des Raumes bietet. Außerdem ist dieser Wert für den Betrieb des Zentrums angemessen. Durch den Einschluss der kalten Gänge wird sichergestellt, dass die in die Regale eingeführte Luft aus dem Kühlsystem stammt. Dadurch werden Umwälzungen, die die Raumtemperatur erhöhen, vollständig vermieden.
Bei der endgültigen Entscheidung über das Kühlsystem müssen auch andere Aspekte wie die Kosten der Alternativen oder die Wartungsfreundlichkeit berücksichtigt werden. Der Einsatz der CFD-Simulation wird jedoch viel genauere Informationen über die technische Qualität der vorgeschlagenen Lösung liefern. Um mehr Informationen über die Sicherheit zu erhalten, könnten die Fehlerfälle, die im Rechenzentrum zulässig sein sollten, simuliert werden. Auch die zeitliche Entwicklung der Temperaturen in den zu erwartenden Reparatur- oder Wartungszeiten könnte berücksichtigt werden.
