I data center e i sistemi HVAC per data center sono infrastrutture critiche e affamate di energia che operano tutto il giorno. Forniscono funzioni di calcolo che sono vitali per le operazioni quotidiane delle migliori organizzazioni economiche, scientifiche e tecnologiche di tutto il mondo. La quantità di energia consumata da questi centri è stimata al 3% del consumo totale mondiale di elettricità, con un tasso di crescita annuale del 4,4%. Naturalmente, questo ha un enorme impatto economico, ambientale e sulle prestazioni che rende l’efficienza energetica dei sistemi di raffreddamento una delle preoccupazioni principali per i progettisti di data center, in anticipo rispetto alle tradizionali considerazioni di disponibilità e sicurezza. Questo articolo discuterà gli standard ASHRAE data center che correlano con queste preoccupazioni.

Gli standard ASHRAE data center e gli studi di accompagnamento mostrano anche che il maggior consumatore di energia in un data center tipico è l’infrastruttura di raffreddamento (50%), seguita da server e dispositivi di archiviazione (26%) . Pertanto, al fine di controllare i costi soddisfacendo la crescente domanda di strutture per data center, i progettisti devono rendere l’infrastruttura di raffreddamento e la sua efficienza energetica il loro obiettivo principale; introducendo gli standard ASHRAE data center.

Data Center HVAC: quali standard seguire?

Fino a poco tempo fa, questo era un compito impegnativo a causa del fatto che gli standard di settore utilizzati per valutare l’efficienza energetica dei data center e delle strutture server erano incoerenti. Per stabilire una regola di governo per le misure di efficienza energetica HVAC data center, power Usage Effectiveness (PUE) è stato introdotto nel 2010. Tuttavia, è servito come una metrica di prestazioni piuttosto che uno standard di progettazione e ancora non è riuscito a risolvere i componenti di progettazione rilevanti, quindi il problema è rimasto.

Nuovo standard di efficienza energetica ASHRAE 90.4

Ciò ha portato l’American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), una delle principali organizzazioni responsabili dello sviluppo di linee guida per vari aspetti della progettazione degli edifici, a sviluppare un nuovo standard che sarebbe stato più pratico per l’industria dei data center. gli standard ASHRAE data center ideati, ASHRAE 90.4, sono in sviluppo da diversi anni ed è stato pubblicato nel settembre del 2016, portando uno standard tanto necessario alla comunità dei data center. Secondo ASHRAE, questo nuovo standard HVAC per data center, tra le altre cose, “stabilisce i requisiti minimi di efficienza energetica dei data center per la progettazione e la costruzione, per la creazione di un piano per il funzionamento e la manutenzione e per l’utilizzo di risorse energetiche rinnovabili in loco o fuori sede.”

ashrae data center standards data center cooling model
Data Center Model

Nel complesso, questo nuovo standard ASHRAE 90.4 contiene raccomandazioni per la progettazione, la costruzione, il funzionamento e la manutenzione dei data center. Questo standard ASHRAE data center affronta esplicitamente i requisiti energetici unici dei data center rispetto agli edifici standard, integrando così gli aspetti più critici e i rischi che circondano il funzionamento dei data center. E a differenza della metrica di efficienza energetica PUE, i calcoli in ASHRAE 90.4 si basano su componenti rappresentativi relativi alla progettazione. Le organizzazioni devono calcolare le efficienze e le perdite per i diversi elementi dei sistemi e combinarli in un unico numero, che deve essere uguale o inferiore alle cifre massime pubblicate per ciascuna zona climatica.

Come la fluidodinamica computazionale può aiutarti a rispettare ASHRAE 90.4

Qualsiasi numero di diverse strategie di progettazione del sistema di raffreddamento o variazioni del layout del pavimento può influire sui risultati, cambiando così l’efficienza, creando hotspot o alterando la quantità di infrastruttura necessaria per la progettazione. Computational fluid dynamics (CFD) offre un metodo per valutare nuovi progetti o modifiche a progetti esistenti prima che siano implementati in conformità con gli standard ASHRAE data center.

Per imparare CFD può aiutare a frenare gli eccessi di consumo di energia dei data center e sistemi di rispettare ASHRAE 90.4, guarda questo webinar:

Strategie di Progettazione per Ridurre il Data Center Consumo di Energia

la Progettazione di un nuovo data center, o la modifica di uno esistente per massimizzare l’efficienza di raffreddamento può essere un compito difficile. Le strategie di progettazione per ridurre l’efficienza energetica di un data center includono:

  • Posizionamento dei data center in base alle condizioni ambientali(posizione geografica, clima, ecc.)
  • Decisioni di progettazione basate sulla topologia dell’infrastruttura (infrastruttura IT e standard di livello)
  • Adattamento delle migliori strategie di sistema di raffreddamento

Migliorare la configurazione del sistema di raffreddamento del data center è un’opportunità fondamentale per il progettista HVAC per ridurre il consumo energetico. Alcune delle diverse strategie di raffreddamento che i progettisti e gli ingegneri seguono per risparmiare energia sono:

  • Condizionatori d’aria e gestori dell’aria
    I tipi più comuni sono un condizionatore d’aria (AC) o unità di gestione dell’aria della sala computer (CRAH) che soffiano aria fredda nella direzione richiesta per rimuovere l’aria calda dall’area circostante.
  • Corridoio caldo/corridoio freddo
    L’aria fredda (o corridoio) viene passata alla parte anteriore dei rack server e l’aria calda esce dal lato posteriore dei rack. L’obiettivo principale qui è gestire il flusso d’aria al fine di risparmiare energia e ridurre i costi di raffreddamento. L’immagine qui sotto mostra i movimenti del flusso d’aria dei corridoi freddi e caldi in un data center.
  • Contenimento corridoio caldo/corridoio freddo
    Il contenimento dei corridoi caldo/freddo viene effettuato principalmente per separare l’aria fredda e calda all’interno della stanza e rimuovere l’aria calda dagli armadi. L’immagine qui sotto mostra il movimento dettagliato del flusso d’aria di contenimento freddo e caldo individualmente.

Corridoio caldo corridoio freddo contenimento ASHRAE 90.4

  • Raffreddamento a liquido
    I sistemi di raffreddamento a liquido forniscono un modo alternativo per dissipare il calore dal sistema. Questo approccio include condizionatori d’aria o refrigeranti con acqua fredda vicino alla fonte di calore.
  • Green cooling
    Il green cooling (o free cooling) è una delle tecnologie sostenibili utilizzate nei data center. Ciò potrebbe comportare semplicemente l’apertura di una finestra del data center coperta da filtri e feritoie per consentire tecniche di raffreddamento naturali. Questo approccio consente di risparmiare un’enorme quantità di denaro ed energia.

Identificare la giusta combinazione di queste tecniche di raffreddamento può essere difficile. Ecco come la simulazione CFD può rendere questo compito più facile.

Caso di studio: Migliorare i sistemi di raffreddamento dei data Center

La fluidodinamica computazionale (CFD) può aiutare gli ingegneri HVAC e i progettisti di data center a modellare un data center virtuale e studiare la temperatura, la velocità del flusso d’aria e i campi di pressione in modo rapido ed efficiente. L’analisi numerica presenta sia il contouring visivo 3D che dati quantitativi altamente dettagliati ma facili da comprendere. Aree di flusso di ricircolo complesso e punti caldi sono facilmente visualizzati per aiutare a identificare potenziali difetti di progettazione. L’implementazione di diverse decisioni e strategie di progettazione nel modello virtuale è relativamente semplice e può essere simulata in parallelo.

Sistemi di raffreddamento per data center: Panoramica del progetto

Ai fini di questo studio, abbiamo utilizzato un progetto di simulazione della libreria SimScale Public Projects che indaga due diversi progetti di sistemi di raffreddamento per data center, la loro efficienza di raffreddamento e il consumo di energia. Può essere liberamente copiato e utilizzato da qualsiasi utente SimScale.

I due scenari di progettazione sono mostrati nella figura seguente:

data center cooling system design comparison

Il primo progetto che considereremo utilizza una configurazione a pavimento rialzato, un sistema di raffreddamento che viene spesso implementato nei data center. Quando si utilizza questa tecnica, l’aria fredda entra nella stanza attraverso le piastrelle perforate nel pavimento e, a sua volta, raffredda i rack del server. Inoltre, il secondo modello utilizza il contenimento del corridoio caldo e la configurazione del soffitto abbassato per migliorare l’efficienza di raffreddamento. Useremo CFD per prevedere e confrontare le prestazioni dei due progetti e determinare la migliore strategia di raffreddamento.

ASHRAE Data Center Standards: CFD Simulation Results

Baseline Design del sistema di raffreddamento del Data Center

Abbiamo studiato la distribuzione della temperatura e il campo di velocità all’interno della sala server per entrambe le configurazioni di progettazione. Le immagini di post-elaborazione di seguito mostrano i campi di velocità e temperatura per la sezione centrale del disegno di base. Si può osservare che l’aria calda è presente nella regione del corridoio freddo. Ciò è dovuto alla miscelazione di entrambi i corridoi freddi e caldi all’interno del data center circostante. La velocità massima per questo progetto di base è di 0,44 m / s con un intervallo di temperatura compreso tra 28,6 e 49,7 gradi Celsius.

Il contorno della temperatura mostra che le zone tra i due rack del server sono molto più raffreddate rispetto agli altri. Le ragioni di ciò possono essere comprese osservando i modelli di flusso.

È evidente nell’immagine sopra che nelle righe del server in cui sono presenti le entrate, la parte superiore dei rack vede una direzione di flusso discendente, invece del flusso ascendente desiderabile dalle entrate stesse. Ciò è dovuto alle forti correnti di ricircolo guidate da forze di galleggiabilità termica. Questo effetto è molto indesiderabile, in quanto riduce l’efficacia di raffreddamento specificamente per i ripiani superiori dei rack del server. Questo effetto potrebbe essere ridotto al minimo consentendo un corretto flusso d’aria sopra i rack, aumentando l’altezza del soffitto, posizionando più prese distribuite sul soffitto o utilizzando una sorta di sistema di controllo del flusso attivo (ventole) per dirigere il flusso sopra i rack del server. O più semplicemente, impedendo all’aria calda proveniente dai rack di circolare liberamente.

ashrae data center standards

Il grafico della temperatura mostra una significativa stratificazione della temperatura che è prevedibile date le grandi correnti di ricircolo. Possiamo osservare che solo i server più bassi ricevono un raffreddamento appropriato.

Design migliorato del sistema di raffreddamento del data Center

Le due immagini successive mostrano la distribuzione della velocità e della temperatura per lo scenario di progettazione migliorato, riquadro della sezione centrale.

ashrae data center standards

Il campo velocità mostra che il flusso è ora guidato alle prese. Ciò è dovuto alla presenza di contenimento sulla parte superiore dei rack. Ciò si traduce anche in una migliore distribuzione della temperatura. Le zone fredde tra i rack del server sono particolarmente estese.

ashrae data center standards

L’immagine sopra mostra come il contenimento caldo impedisce al flusso ascendente di ricircolare di nuovo alle file di ingresso. Ciò si traduce in un modello di flusso complessivo più pulito rispetto a quanto visto nel progetto precedente. È anche evidente che il nuovo design riduce la stratificazione della temperatura, in particolare nelle regioni contenute tra i server.

ashrae data center standards

La temperatura media calcolata per ogni rack è inferiore per il design migliorato di circa il 23%.

Ciò si riflette anche nella diminuzione della quantità di energia che deve essere fornita al server per evitare il surriscaldamento. In media, sono stati raggiunti risparmi energetici del 63% per il sistema di raffreddamento del data center.

 standard ashrae per data center

Sistemi di raffreddamento per data center: Conclusioni & Conformità agli standard ASHRAE Data Center

Un data center tipico può consumare tanta energia quanto 25.000 famiglie. Con l’aumento del costo dell’elettricità, l’aumento dell’efficienza energetica è diventato la preoccupazione principale per i progettisti di data center di oggi.

Questo caso di studio era solo una piccola illustrazione di come la simulazione CFD può aiutare i progettisti e gli ingegneri a convalidare le loro decisioni di progettazione e prevedere con precisione le prestazioni dei loro sistemi di raffreddamento dei data center per garantire che non venga sprecato energia e in conformità con gli standard ASHRAE data center. L’intera analisi è stata eseguita in un browser Web e ha richiesto solo poche ore di tempo manuale e di calcolo. Per saperne di più, guarda la registrazione del webinar:

Se vuoi saperne di più sugli standard ASHRAE data center e su come la simulazione CFD aiuta ingegneri e architetti a migliorare i sistemi HVAC dei data center insieme alle prestazioni complessive degli edifici, scarica questo white paper gratuito.

  • W. V. Heddeghem et al., Trends in worldwide ICT electricity consumption from 2007 to 2012, Comput. Comune., vol. 50, pp. 64-76, settembre. 2014
  • Top 10 consigli per il risparmio energetico per un data center più verde, Info-Tech Research Group, Londra, ON, Canada, Apr. 2010, http://static.infotech.com/downloads/samples/070411_premium_oo_greendc_top_10.pdf
  • ASHRAE Standard 90.4 – 2016-Standard energetico per Data Center, https://www.techstreet.com/ashrae/standards/ashrae-90-4-2016

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