Rechenzentren und HLK-Systeme für Rechenzentren sind kritische, energiehungrige Infrastrukturen, die rund um die Uhr betrieben werden. Sie bieten Computerfunktionen, die für den täglichen Betrieb von führenden wirtschaftlichen, wissenschaftlichen und technologischen Organisationen auf der ganzen Welt von entscheidender Bedeutung sind. Der Energieverbrauch dieser Zentren wird auf 3% des gesamten weltweiten Stromverbrauchs geschätzt, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 4, 4%. Dies hat natürlich enorme wirtschaftliche, ökologische und leistungsbezogene Auswirkungen, die die Energieeffizienz von Kühlsystemen zu einem der Hauptanliegen von Rechenzentrumsplanern machen, vor den traditionellen Überlegungen zu Verfügbarkeit und Sicherheit. In diesem Artikel werden die ASHRAE-Rechenzentrumsstandards erläutert, die mit diesen Bedenken korrelieren.

ASHRAE-Rechenzentrumsstandards und begleitende Studien zeigen auch, dass der größte Energieverbraucher in einem typischen Rechenzentrum die Kühlinfrastruktur (50%) ist, gefolgt von Servern und Speichergeräten (26%) . Um die Kosten zu kontrollieren und gleichzeitig die steigende Nachfrage nach Rechenzentrumseinrichtungen zu befriedigen, müssen die Entwickler die Kühlinfrastruktur und ihre Energieeffizienz zu ihrem Hauptaugenmerk machen; Einführung von ASHRAE-Rechenzentrumsstandards.

Rechenzentrum HVAC: Welche Standards sind zu beachten?

Bis vor kurzem war dies eine herausfordernde Aufgabe, da die Industriestandards zur Bewertung der Energieeffizienz von Rechenzentren und Servereinrichtungen inkonsistent waren. Um eine Regel für HLK-Energieeffizienzmessungen in Rechenzentren festzulegen, wurde 2010 die PUE (Power Usage Effectiveness) eingeführt. Es diente jedoch eher als Leistungsmetrik als als Designstandard und konnte relevante Designkomponenten immer noch nicht ansprechen, sodass das Problem bestehen blieb.

Neuer Energieeffizienzstandard ASHRAE 90.4

Dies veranlasste die American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), eine der wichtigsten Organisationen, die für die Entwicklung von Richtlinien für verschiedene Aspekte der Gebäudeplanung verantwortlich ist, einen neuen Standard zu entwickeln, der für die Rechenzentrumsbranche praktischer wäre. der neue ASHRAE-Rechenzentrumsstandard ASHRAE 90.4 befindet sich seit mehreren Jahren in der Entwicklung und wurde im September 2016 veröffentlicht, um der Rechenzentrumsgemeinschaft einen dringend benötigten Standard zu bieten. Laut ASHRAE legt dieser neue HLK-Standard für Rechenzentren unter anderem „die Mindestanforderungen an die Energieeffizienz von Rechenzentren für Planung und Bau, für die Erstellung eines Plans für Betrieb und Wartung sowie für die Nutzung von erneuerbaren Energieressourcen vor Ort oder außerhalb des Standorts fest.“

 ashrae Data center Standards Rechenzentrumskühlungsmodell
Rechenzentrumsmodell

Insgesamt enthält dieser neue ASHRAE 90.4-Standard Empfehlungen für die Planung, den Bau, den Betrieb und die Wartung von Rechenzentren. Dieser ASHRAE Data Center Standard adressiert explizit den einzigartigen Energiebedarf von Rechenzentren im Gegensatz zu Standardgebäuden und integriert so die kritischeren Aspekte und Risiken im Zusammenhang mit dem Betrieb von Rechenzentren. Und im Gegensatz zur PUE-Energieeffizienzmetrik basieren die Berechnungen in ASHRAE 90.4 auf repräsentativen Komponenten, die sich auf das Design beziehen. Organisationen müssen Wirkungsgrade und Verluste für verschiedene Elemente der Systeme berechnen und zu einer einzigen Zahl zusammenfassen, die den veröffentlichten Maximalwerten für jede Klimazone entsprechen oder darunter liegen muss.

Wie Computational Fluid Dynamics Sie bei der Einhaltung von ASHRAE 90.4 unterstützen kann

Eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Strategien für das Kühlsystemdesign oder Variationen des Bodenlayouts können die Ergebnisse beeinflussen und dadurch die Effizienz verändern, Hotspots schaffen oder die für das Design erforderliche Infrastruktur verändern. Computational Fluid Dynamics (CFD) bietet eine Methode zur Bewertung neuer Designs oder Änderungen an bestehenden Designs, bevor diese gemäß den ASHRAE-Rechenzentrumsstandards implementiert werden.

Sehen Sie sich dieses Webinar an, um zu erfahren, wie CFD Ihnen helfen kann, den übermäßigen Energieverbrauch Ihrer Rechenzentrumssysteme einzudämmen und ASHRAE 90.4 einzuhalten:

Designstrategien zur Reduzierung des Energieverbrauchs von Rechenzentren

Das Entwerfen einer neuen Rechenzentrumseinrichtung oder das Ändern einer vorhandenen Einrichtung zur Maximierung der Kühleffizienz kann eine herausfordernde Aufgabe sein. Designstrategien zur Reduzierung der Energieeffizienz eines Rechenzentrums umfassen:

  • Positionierung von Rechenzentren basierend auf Umgebungsbedingungen (geografische Lage, Klima usw.)
  • Entwurfsentscheidungen basierend auf der Infrastrukturtopologie (IT-Infrastruktur und Tier-Standards)
  • Anpassung der besten Kühlsystemstrategien

Die Verbesserung der Konfiguration des Kühlsystems im Rechenzentrum ist eine wichtige Gelegenheit für den HLK-Konstrukteur, den Energieverbrauch zu senken. Einige der verschiedenen Kühlstrategien, denen Designer und Ingenieure folgen, um Energie zu sparen, sind:

  • Klimaanlagen und Klimageräte
    Die gebräuchlichsten Typen sind Klimaanlagen (AC) oder Computerraumluftbehandlungsgeräte (CRAH), die kalte Luft in die erforderliche Richtung blasen, um heiße Luft aus der Umgebung zu entfernen.
  • Hot Aisle /cold aisle
    Die kalte Luft (oder der Gang) wird an die Vorderseite der Server-Racks geleitet und die heiße Luft tritt aus der Rückseite der Racks aus. Das Hauptziel hierbei ist es, den Luftstrom zu steuern, um Energie zu sparen und die Kühlkosten zu senken. Das Bild unten zeigt die Luftströmungsbewegungen der kalten und heißen Gänge in einem Rechenzentrum.
  • Warmgang- / Kaltgangeindämmung
    Die Eindämmung der Warm- / Kaltgänge erfolgt hauptsächlich, um die kalte und heiße Luft im Raum zu trennen und heiße Luft aus den Schränken zu entfernen. Das Bild unten zeigt die detaillierte Luftströmungsbewegung von Kalt- und Heißbehältern einzeln.

 Warmgang Kaltgang Containment ASHRAE 90.4

  • Flüssigkeitskühlung
    Flüssigkeitskühlsysteme bieten eine alternative Möglichkeit, Wärme aus dem System abzuleiten. Dieser Ansatz umfasst Klimaanlagen oder Kältemittel mit kaltem Wasser in der Nähe der Wärmequelle.
  • Green cooling
    Green Cooling (oder freie Kühlung) ist eine der nachhaltigen Technologien, die in Rechenzentren eingesetzt werden. Dies könnte einfach das Öffnen eines Rechenzentrumsfensters beinhalten, das mit Filtern und Lamellen bedeckt ist, um natürliche Kühltechniken zu ermöglichen. Dieser Ansatz spart enorm viel Geld und Energie.

Die richtige Kombination dieser Kühltechniken zu finden, kann eine Herausforderung sein. So kann CFD-Simulation diese Aufgabe erleichtern.

Fallstudie: Verbesserung der Kühlsysteme von Rechenzentren

Computational Fluid Dynamics (CFD) kann HLK-Ingenieuren und Rechenzentrumsplanern helfen, ein virtuelles Rechenzentrum zu modellieren und die Temperatur-, Luftstromgeschwindigkeits- und Druckfelder schnell und effizient zu untersuchen. Die numerische Analyse präsentiert sowohl visuelle 3D-Konturen als auch quantitative Daten, die sehr detailliert und dennoch leicht verständlich sind. Bereiche mit komplexer Umlaufströmung und Hotspots können leicht visualisiert werden, um potenzielle Konstruktionsfehler zu identifizieren. Die Implementierung verschiedener Designentscheidungen und -strategien in das virtuelle Modell ist relativ einfach und kann parallel simuliert werden.

Kühlsysteme für Rechenzentren: Projektübersicht

Für diese Studie haben wir ein Simulationsprojekt aus der öffentlichen Projektbibliothek SimScale verwendet, das zwei verschiedene Kühlsystemdesigns für Rechenzentren, ihre Kühleffizienz und ihren Energieverbrauch untersucht. Es kann von jedem SimScale-Benutzer frei kopiert und verwendet werden.

Die beiden Entwurfsszenarien sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

 vergleich des Kühlsystems für Rechenzentren

Das erste Design, das wir betrachten werden, verwendet eine Doppelbodenkonfiguration, ein Kühlsystem, das häufig in Rechenzentren implementiert wird. Wenn diese Technik verwendet wird, gelangt kalte Luft durch die perforierten Fliesen im Boden in den Raum und kühlt wiederum die Serverschränke. Darüber hinaus verwendet das zweite Modell eine Heißgangeindämmung und eine abgesenkte Deckenkonfiguration, um die Kühleffizienz zu verbessern. Wir werden CFD verwenden, um die Leistung der beiden Designs vorherzusagen und zu vergleichen und die beste Kühlstrategie zu bestimmen.

ASHRAE Data Center Standards: CFD-Simulationsergebnisse

Basisdesign des Kühlsystems des Rechenzentrums

Wir haben die Temperaturverteilung und das Geschwindigkeitsfeld innerhalb des Serverraums für beide Designkonfigurationen untersucht. Die Nachbearbeitungsbilder unten zeigen die Geschwindigkeits- und Temperaturfelder für den Mittelteil des Grundliniendesigns. Es ist zu beobachten, dass die Heißluft im Bereich des Kaltganges vorhanden ist. Dies ist auf die Vermischung der kalten und warmen Gänge innerhalb des Rechenzentrums zurückzuführen. Die maximale Geschwindigkeit für dieses Grundliniendesign liegt bei 0,44 m / s mit einem Temperaturbereich von 28,6 bis 49,7 Grad Celsius.

Die Temperaturkontur zeigt, dass die Zonen zwischen den beiden Server-Racks im Vergleich zu den anderen viel stärker gekühlt sind. Die Gründe dafür können durch Betrachten der Strömungsmuster verstanden werden.

In der obigen Abbildung ist ersichtlich, dass in den Serverreihen, in denen Einlässe vorhanden sind, die Oberseite der Racks eine absteigende Strömungsrichtung anstelle der gewünschten aufsteigenden Strömung von den Einlässen selbst sieht. Dies liegt an den starken Rezirkulationsströmen, die durch thermische Auftriebskräfte angetrieben werden. Dieser Effekt ist sehr unerwünscht, da er die Kühleffektivität speziell für die oberen Regale der Serverschränke verringert. Dieser Effekt könnte minimiert werden, indem ein angemessener Luftstrom über den Racks ermöglicht wird, indem entweder die Deckenhöhe erhöht, mehr verteilte Auslässe an der Decke angebracht werden oder eine Art aktives Flusskontrollsystem (Lüfter) verwendet wird, um den Fluss über die Server-Racks zu lenken. Oder einfacher, indem verhindert wird, dass die heiße Luft, die aus den Racks kommt, frei zirkuliert.

ashrae data center standards

Das Temperaturdiagramm zeigt eine signifikante Temperaturschichtung, die bei den großen Rezirkulationsströmen zu erwarten ist. Wir können beobachten, dass nur die untersten Server eine angemessene Kühlung erhalten.

Verbessertes Design des Kühlsystems des Rechenzentrums

Die nächsten beiden Bilder zeigen die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung für das verbesserte Designszenario im mittleren Bereich.

 ashrae data center standards

Das Velocity-Feld zeigt an, dass der Fluss nun zu den Auslässen geleitet wird. Dies ist auf das Vorhandensein von Containment oben auf den Racks zurückzuführen. Dies führt auch zu einer besseren Temperaturverteilung. Die Kältezonen zwischen den Serverschränken sind besonders ausgedehnt.

ashrae Data Center standards

Das obige Bild zeigt, wie das Hot Containment verhindert, dass der aufsteigende Fluss in die Einlassreihen zurückfließt. Dies führt zu einem saubereren Gesamtströmungsmuster im Vergleich zu dem, was im vorherigen Design zu sehen war. Es ist auch offensichtlich, dass das neue Design die Temperaturschichtung insbesondere in den eingeschlossenen Bereichen zwischen den Servern reduziert.

ashrae data Center standards

Die für jedes Rack berechnete Durchschnittstemperatur ist für das verbesserte Design um etwa 23% niedriger.

Dies spiegelt sich auch in der Verringerung der Energiemenge wider, die dem Server zugeführt werden muss, um eine Überhitzung zu vermeiden. Im Durchschnitt wurden Energieeinsparungen von 63% für das Kühlsystem des Rechenzentrums erzielt.

Ashrae-Standards für Rechenzentren

Kühlsysteme für Rechenzentren: Schlussfolgerungen & Einhaltung der ASHRAE-Rechenzentrumsstandards

Ein typisches Rechenzentrum kann so viel Energie verbrauchen wie 25.000 Haushalte. Mit den steigenden Stromkosten ist die Steigerung der Energieeffizienz zum Hauptanliegen der heutigen Rechenzentrumsplaner geworden.

Diese Fallstudie war nur ein kleines Beispiel dafür, wie CFD-Simulation Konstrukteuren und Ingenieuren helfen kann, ihre Konstruktionsentscheidungen zu validieren und die Leistung ihrer Rechenzentrumskühlsysteme genau vorherzusagen, um sicherzustellen, dass keine Energie verschwendet wird, und in Übereinstimmung mit den ASHRAE-Rechenzentrumsstandards. Die gesamte Analyse wurde in einem Webbrowser durchgeführt und dauerte nur wenige Stunden manuelle und Rechenzeit. Um mehr zu erfahren, sehen Sie sich die Aufzeichnung des Webinars an:

Wenn Sie mehr über ASHRAE-Rechenzentrumsstandards erfahren möchten und wie CFD-Simulation Ingenieuren und Architekten hilft, Rechenzentrums-HLK-Systeme zusammen mit der Gesamtleistung von Gebäuden zu verbessern, laden Sie dieses kostenlose Whitepaper herunter.

  • In: W. V. Heddeghem et al., Trends in worldwide ICT electricity consumption from 2007 to 2012, Comput. Commun., Vol. 50, S. 64-76, Sep. 2014
  • Top 10 Energiespartipps für ein umweltfreundlicheres Rechenzentrum, Info-Tech Research Group, London, ON, Kanada, Apr. 2010, http://static.infotech.com/downloads/samples/070411_premium_oo_greendc_top_10.pdf
  • ASHRAE Standard 90.4-2016 – Energiestandard für Rechenzentren, https://www.techstreet.com/ashrae/standards/ashrae-90-4-2016

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