datacenters en datacenters HVAC-systemen zijn kritieke, energie-hongerige infrastructuren die de klok rond werken. Ze bieden computerfuncties die van vitaal belang zijn voor de dagelijkse activiteiten van top economische, wetenschappelijke en technologische organisaties over de hele wereld. De hoeveelheid energie die door deze centra wordt verbruikt wordt geschat op 3% van het totale wereldwijde elektriciteitsverbruik, met een jaarlijkse groei van 4,4%. Dit heeft natuurlijk een enorme impact op de economie, het milieu en de prestaties, waardoor de energie-efficiëntie van koelsystemen een van de belangrijkste zorgen is voor datacenterontwerpers, vooruitlopend op de traditionele overwegingen van beschikbaarheid en veiligheid. In dit artikel worden de ASHRAE datacenterstandaarden besproken die verband houden met deze zorgen.

ASHRAE datacenterstandaarden en begeleidende studies tonen ook aan dat de grootste energieverbruiker in een typisch datacenter de koelinfrastructuur is (50%), gevolgd door servers en opslagapparaten (26%) . Om de kosten onder controle te houden en tegelijkertijd te voldoen aan de toenemende vraag naar datacenterfaciliteiten, moeten ontwerpers de koelinfrastructuur en de energie-efficiëntie tot hun primaire focus maken; de invoering van ASHRAE datacenterstandaarden.

datacenter HVAC: welke normen moeten worden gevolgd?

tot voor kort was dit een uitdagende taak vanwege het feit dat de industriestandaarden die werden gebruikt om de energie-efficiëntie van datacenters en serverfaciliteiten te beoordelen inconsistent waren. Om een regel voor datacenter HVAC energie-efficiëntiemetingen vast te stellen, werd in 2010 de effectiviteit van het energieverbruik (power usage effectiveness, Pue) geïntroduceerd. Echter, het diende als een prestatiemetrie in plaats van een ontwerp standaard en nog steeds niet om relevante ontwerpcomponenten aan te pakken, dus het probleem bleef.

nieuwe energie-Efficiëntienorm ASHRAE 90.4

dit heeft de American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), een van de belangrijkste organisaties die verantwoordelijk is voor het ontwikkelen van richtlijnen voor verschillende aspecten van het ontwerp van gebouwen, ertoe gebracht een nieuwe norm te ontwikkelen die praktischer zou zijn voor de datacenterindustrie. de ontworpen ASHRAE data center standards, ASHRAE 90.4, is al enkele jaren in ontwikkeling en werd gepubliceerd in September 2016, het brengen van een broodnodige standaard voor de datacenter gemeenschap. Volgens ASHRAE stelt deze nieuwe HVAC-standaard voor datacenters onder andere de minimale energie-efficiëntievereisten vast voor datacenters voor ontwerp en bouw, voor het opstellen van een plan voor gebruik en onderhoud en voor het gebruik van on-site of off-site hernieuwbare energiebronnen.”

ashrae data center standards datacenter cooling model
Datacenter Model

over het algemeen bevat deze nieuwe ASHRAE 90.4-standaard aanbevelingen voor het ontwerp, de bouw, de werking en het onderhoud van datacenters. Deze ASHRAE datacenterstandaard richt zich expliciet op de unieke energiebehoeften van datacenters in tegenstelling tot standaardgebouwen, waardoor de meer kritische aspecten en risico ‘ s rondom de werking van datacenters worden geïntegreerd. En in tegenstelling tot de energie-efficiëntiemetrie PUE, zijn de berekeningen in ASHRAE 90.4 gebaseerd op representatieve componenten met betrekking tot het ontwerp. Organisaties moeten efficiëntieverbeteringen en verliezen berekenen voor verschillende elementen van de systemen en deze combineren tot een enkel getal, dat gelijk moet zijn aan of kleiner moet zijn dan de gepubliceerde maximumcijfers voor elke klimaatzone.

hoe computationele vloeistofdynamica u kan helpen te voldoen aan ASHRAE 90.4

een aantal verschillende ontwerpstrategieën voor koelsystemen of variaties in de vloerindeling kunnen de resultaten beïnvloeden, waardoor de efficiëntie wordt gewijzigd, hotspots worden gecreëerd of de hoeveelheid infrastructuur die nodig is voor het ontwerp wordt gewijzigd. Computational fluid dynamics (CFD) biedt een methode voor het evalueren van nieuwe ontwerpen of wijzigingen aan bestaande ontwerpen voordat ze worden geïmplementeerd in overeenstemming met ASHRAE data center standaarden.

om te leren hoe CFD u kan helpen het overmatige energieverbruik van uw datacentersystemen te beperken en te voldoen aan ASHRAE 90.4, kijk dan naar dit webinar:

ontwerpstrategieën om het energieverbruik van datacenter te verminderen

het ontwerpen van een nieuwe datacenterfaciliteit of het wijzigen van een bestaande faciliteit om de koelefficiëntie te maximaliseren kan een uitdaging zijn. Ontwerpstrategieën om de energie-efficiëntie van een datacenter te verminderen omvatten:

  • positionering van datacenters op basis van omgevingsomstandigheden (geografische locatie, klimaat, enz.)
  • ontwerpbeslissingen op basis van infrastructuurtopologie (IT-infrastructuur en tier-normen)
  • aanpassing van beste koelsysteemstrategieën

het verbeteren van de configuratie van het datacenterkoelsysteem is een belangrijke kans voor de HVAC design engineer om het energieverbruik te verminderen. Enkele van de verschillende koelstrategieën die ontwerpers en ingenieurs volgen om energie te besparen zijn:

  • airconditioners en luchtbehandelaars
    de meest voorkomende types zijn airconditioners (AC) of computerruimte-luchtbehandelingsunits (crah) die koude lucht in de gewenste richting blazen om warme lucht uit de omgeving te verwijderen.
  • warm gangpad / koud gangpad
    de koude lucht (of gangpad) wordt naar de voorzijde van de serverrekken geleid en de warme lucht komt uit de achterzijde van de rekken. Het belangrijkste doel hierbij is om de luchtstroom te beheren om energie te besparen en de koelkosten te verlagen. De afbeelding hieronder toont de koude en hete gangpaden luchtstroombewegingen in een datacenter.
  • Hot aisle / cold aisle containment
    insluiting van de warme / koude gangpaden wordt voornamelijk gedaan om de koude en warme lucht in de kamer te scheiden en warme lucht uit kasten te verwijderen. De afbeelding hieronder toont gedetailleerde luchtstroombewegingen van koude en warme insluiting afzonderlijk.

Hot aisle cold aisle containment ASHRAE 90.4

  • vloeistofkoeling
    Vloeistofkoelsystemen bieden een alternatieve manier om warmte uit het systeem af te voeren. Deze aanpak omvat airconditioners of koelmiddelen met koud water dicht bij de warmtebron.
  • groene koeling
    groene koeling (of vrije koeling) is een van de duurzame technologieën die in datacenters worden gebruikt. Dit zou kunnen bestaan uit het openen van een datacentervenster bedekt met filters en louvers om natuurlijke koeltechnieken mogelijk te maken. Deze aanpak bespaart een enorme hoeveelheid geld en energie.

het identificeren van de juiste combinatie van deze koeltechnieken kan een uitdaging zijn. Hier is hoe CFD simulatie deze taak gemakkelijker kan maken.

Casestudy: Het verbeteren van Datacenterkoelsystemen

Computational fluid dynamics (CFD) kan HVAC-ingenieurs en datacenterontwerpers helpen om een virtueel datacenter te modelleren en de temperatuur, luchtstroomsnelheid en drukvelden snel en efficiënt te onderzoeken. De numerieke analyse presenteert zowel 3D visuele contouren en kwantitatieve gegevens die zeer gedetailleerd maar gemakkelijk te begrijpen. Gebieden met complexe recirculerende stroom en hotspots worden gemakkelijk gevisualiseerd om potentiële ontwerpfouten te identificeren. Het implementeren van verschillende ontwerpbeslissingen en strategieën in het virtuele model is relatief eenvoudig en kan parallel worden gesimuleerd.

Datacenter koelsystemen: projectoverzicht

voor dit onderzoek hebben we een simulatieproject van de Simscale Public Projects Library gebruikt dat twee verschillende datacenter koelsysteemontwerpen, hun koelefficiëntie en energieverbruik onderzoekt. Het kan vrij worden gekopieerd en gebruikt door elke simscale gebruiker.

de twee ontwerpscenario ‘ s zijn weergegeven in onderstaande figuur:

vergelijking van het ontwerp van het datacenterkoelsysteem

het eerste ontwerp dat we zullen overwegen maakt gebruik van een verhoogde vloerconfiguratie, een koelsysteem dat vaak wordt geïmplementeerd in datacenters. Wanneer deze techniek wordt gebruikt, komt koude lucht de ruimte binnen door de geperforeerde tegels in de vloer en koelt op zijn beurt de serverrekken. Bovendien maakt het tweede model gebruik van hot aisle containment en verlaagde plafondconfiguratie om de koelefficiëntie te verbeteren. We zullen CFD gebruiken om de prestaties van de twee ontwerpen te voorspellen en te vergelijken en de beste koelstrategie te bepalen.

ASHRAE Data Center Standards: CFD simulatieresultaten

basisontwerp van het Datacenterkoelsysteem

we onderzochten de temperatuurverdeling en het snelheidsveld binnen de serverruimte voor beide ontwerpconfiguraties. De onderstaande nabewerking beelden tonen de snelheid en temperatuur velden voor het midden van de basislijn ontwerp. Het kan worden waargenomen dat de hete lucht aanwezig is in de regio van het koude gangpad. Dit is te wijten aan het mengen van zowel de koude en warme gangpaden binnen het datacenter omgeving. De maximale snelheid voor dit basisontwerp is 0,44 m / s met een temperatuurbereik van 28,6 tot 49,7 graden Celsius.

de temperatuurcontour laat zien dat de zones tussen de twee serverrekken veel meer gekoeld zijn in vergelijking met de andere. De redenen hiervoor kunnen worden begrepen door te kijken naar de stromingspatronen.

het is duidelijk in de bovenstaande afbeelding dat in de serverrijen waar inlaten aanwezig zijn, de bovenkant van de rekken een dalende stromingsrichting ziet, in plaats van de gewenste oplopende stroom vanuit de inlaten zelf. Dit komt door de sterke recirculatiestromen aangedreven door thermische drijfkrachten. Dit effect is zeer ongewenst, omdat het de koelefficiëntie specifiek voor de bovenste schappen van de serverrekken vermindert. Dit effect kan worden geminimaliseerd door het toestaan van een goede luchtstroom boven de rekken, hetzij door het verhogen van de plafondhoogte, het plaatsen van meer verdeelde verkooppunten op het plafond, of het gebruik van een soort van actieve flow control system (ventilatoren) om de stroom boven de server rekken te sturen. Of simpeler, door te voorkomen dat de hete lucht uit de rekken vrij circuleert.

ashrae data center standards

de temperatuurplot toont een significante temperatuurstratificatie die te verwachten is gezien de grote recirculatiestromen. We kunnen zien dat alleen de onderste servers de juiste koeling ontvangen.

verbeterd ontwerp van het Datacenterkoelsysteem

de volgende twee foto ‘ s tonen de snelheid en temperatuurverdeling voor het verbeterde ontwerpscenario, middendeelvenster.

ashrae data center standards

het velocity field laat zien dat de stroom nu naar de outlets wordt gedreven. Dit is te wijten aan de aanwezigheid van insluiting op de top van de rekken. Dit resulteert ook in een betere temperatuurverdeling. De koude zones tussen de serverrekken zijn bijzonder uitgebreid.

ashrae data center standards

bovenstaande afbeelding laat zien hoe de warme insluiting voorkomt dat de oplopende stroom terugrecirculeert naar de inlaatrijen. Dit resulteert in een schoner totaal stromingspatroon in vergelijking met wat in het vorige ontwerp werd gezien. Het is ook duidelijk dat het nieuwe ontwerp de temperatuurstratificatie vermindert, vooral in de ingesloten gebieden tussen de servers.

ashrae data center standards

de gemiddelde temperatuur berekend voor elk rack is ongeveer 23% lager voor het verbeterde ontwerp.

dit komt ook tot uiting in de afname van de hoeveelheid stroom die aan de server moet worden geleverd om oververhitting te voorkomen. Gemiddeld is voor het datacenterkoelsysteem een energiebesparing van 63% gerealiseerd.

ashrae datacenterstandaarden

Datacenterkoelsystemen: Conclusies & naleving van ASHRAE Datacenterstandaarden

een typisch datacenter kan wel 25.000 huishoudens verbruiken. Met de stijgende kosten van elektriciteit, is het verhogen van de energie-efficiëntie uitgegroeid tot de belangrijkste zorg voor de huidige datacenter ontwerpers.

deze casestudy was slechts een kleine illustratie van hoe CFD-simulatie ontwerpers en ingenieurs kan helpen hun ontwerpbeslissingen te valideren en nauwkeurig de prestaties van hun datacenterkoelsystemen te voorspellen om ervoor te zorgen dat er geen energie wordt verspild, en in overeenstemming met ASHRAE datacenterstandaarden. De hele analyse werd gedaan in een webbrowser en duurde slechts een paar uur van handmatige en computing tijd. Kijk voor meer informatie naar de opname van het webinar:

als u meer wilt lezen over ASHRAE datacenterstandaarden en hoe CFD-simulatie ingenieurs en architecten helpt bij het verbeteren van datacenter HVAC-systemen en de algehele prestaties van gebouwen, download dan deze gratis whitepaper.

  • W. V. Heddeghem et al., Trends in het wereldwijde ICT-elektriciteitsverbruik van 2007 tot 2012, berekenen. Commun., vol. 50, pp.64-76, Sep. 2014
  • Top 10 energy-saving tips for a greener data center, Info-Tech Research Group, London, ON, Canada, April. 2010, http://static.infotech.com/downloads/samples/070411_premium_oo_greendc_top_10.pdf
  • ASHRAE Standard 90.4-2016-Energiestandaard voor datacenters, https://www.techstreet.com/ashrae/standards/ashrae-90-4-2016

Stel uw eigen cloud-gebaseerde simulatie via het web in enkele minuten door het creëren van een account op de SimScale platform. Er is geen installatie, speciale hardware of creditcard vereist.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.

lg