Los Centros de Procesamiento de Datos, también llamados CPD o Data Center, son instalaciones con ambiente controlado dedicadas al almacenamiento y procesamiento de datos a gran escala. Como infraestructuras críticas que son, sus exigencias de seguridad son cada vez mayores. Dentro de los requisitos de diseño y operación, la parte de gestión del aire juega un papel fundamental. Los equipos de IT actuales alcanzan potencias muy elevadas, y la disposición adecuada de los equipos de entrada y salida de aire pueden condicionar la eficiencia y seguridad de operación de la instalación.
Una técnica muy habitual para conseguir una mejor gestión del aire consiste en confinar los pasillos por donde captan el aire los racks (pasillo frío) o bien por donde los equipos expulsan el aire (pasillo caliente). Este método reduce en gran medida la recirculación de aire caliente a la entrada de los racks, reduciendo el riesgo de calentamientos locales excesivos que generen problemas en los equipos de IT.
A la hora de diseñar Data Center, para optimizar las condiciones de funcionamiento o estudiar casos de fallo, la Simulación CFD es una herramienta de gran utilidad. En este post mostraremos con un estudio mediante CFD las mejoras obtenidas en un Data Center de gran tamaño al confinar los pasillos frío o caliente, lo cual nos permitirá tomar una mejor decisión en la fase de ingeniería.
¿Cómo se prepara el modelo CFD de un Data Center?
Comenzamos modelando la geometría del centro de datos, incluyendo los racks y los sistemas de impulsión y extracción de aire. Para realizar el estudio CFD, la geometría debe dividirse en pequeñas celdas o elementos, lo que permite resolver las ecuaciones de la mecánica de fluidos empleando el cálculo numérico. Este proceso se conoce como mallado. La siguiente imagen muestra un detalle de la geometría de la sala y su correspondiente mallado:
A continuación, definimos la física del problema y aplicamos las condiciones de contorno correspondientes. En concreto definimos un caudal de refrigeración de 1 m3/s por rack. Este se introduce en la sala a 20ºC desde un suelo técnico en los pasillos fríos. Cada rack tiene una potencia asignada de 12kW, que calentará el aire absorbido y lo expulsará hacia el pasillo caliente. Este cuenta con un sistema de extracción en su parte superior.
Una vez preparado el modelo, se emplea un solver de volúmenes finitos para resolver las ecuaciones hasta alcanzar un estado estacionario. El análisis de un transitorio que nos permitiese ver la evolución temporal de las variables sería también posible y aportaría información de gran interés, pero en este ejemplo nos centraremos en los mapas estacionarios.
Resultados de la simulación CFD
Estudio CFD del Data Center sin confinamiento
Los resultados obtenidos sin confinar ninguno de los pasillos se muestran en las siguientes imágenes. En ellas se representa un corte transversal, primero la velocidad del flujo y debajo la temperatura:
En el mapa de temperaturas se observan algunas zonas más calientes de lo deseable, sobre todo por la zona central. Esto se debe a la mezcla del aire caliente con el frio que alimenta a los racks.
Estudio CFD confinando los pasillos calientes
Ahora procederemos al estudio con los pasillos calientes confinados. Para ello se introduce en el modelo un conjunto de paneles verticales de forma que el aire caliente ascienda guiado por ellos hacia la extracción. El modelo quedaría como se muestra en la siguiente imagen:
Los resultados de la simulación muestran que el sistema funciona razonablemente bien en cuanto a guiado del aire. Sin embargo, por la altura limitada de las pantallas sigue existiendo cierta recirculación que limita las mejoras obtenidas.
Estudio CFD confinando los pasillos fríos
Finalmente estudiaremos el efecto de confinar los pasillos fríos, de forma que el aire entrante a la sala se dirija a los equipos de IT sin mezclarse con el resto del aire de la sala, que estará previsiblemente a mayor temperatura. En la siguiente imagen se muestra un detalle del modelo en la zona confinada:
Al realizar la simulación y extraer los resultados se comprueba que esta alternativa proporciona una temperatura mucho más uniforme en el exterior de la sala. Además su valor es razonable de cara a la operación del centro. Confinar los pasillos fríos permite asegurar que el aire introducido a los racks provenga del sistema de refrigeración. Así se evita por completo las recirculaciones que incrementan la temperatura de la sala.
La decisión final sobre el sistema de refrigeración deberá contemplar otros aspectos, como el coste de las alternativas o la mantenibilidad. Sin embargo, el uso de la simulación CFD permitirá tener una información mucho más precisa en cuanto a la calidad técnica de la solución propuesta. Para obtener una mayor información sobre la seguridad podrían simularse los casos de fallo que deben ser admisibles en el Data Center. También podría considerarse la evolución temporal de las temperaturas en los tiempos previstos para la reparación o mantenimiento.
