datacenter och DATACENTERHVAC-system är kritiska, energihungriga infrastrukturer som fungerar dygnet runt. De tillhandahåller datorfunktioner som är avgörande för den dagliga verksamheten hos de bästa ekonomiska, vetenskapliga och tekniska organisationerna runt om i världen. Mängden energi som förbrukas av dessa centra uppskattas till 3% av den totala globala elanvändningen, med en årlig tillväxttakt på 4, 4%. Naturligtvis har detta en enorm ekonomisk, miljömässig och prestandapåverkan som gör kylsystemens energieffektivitet till en av de främsta bekymmerna för datacenterdesigners, före de traditionella övervägandena om tillgänglighet och säkerhet. Denna artikel kommer att diskutera ASHRAE data center standarder som korrelerar med dessa problem.

ASHRAE data center-standarder och tillhörande studier visar också att den största energikonsumenten i ett typiskt datacenter är kylinfrastrukturen (50%), följt av servrar och lagringsenheter (26%) . För att kunna kontrollera kostnaderna samtidigt som man möter den ökande efterfrågan på datacenteranläggningar måste konstruktörerna göra kylinfrastrukturen och dess energieffektivitet till sitt primära fokus; införa ASHRAE datacenterstandarder.

datacenter HVAC: vilka standarder att följa?

fram till nyligen var detta en utmanande uppgift på grund av att branschstandarderna som användes för att bedöma energieffektiviteten hos datacenter och serveranläggningar var inkonsekventa. För att fastställa en styrande regel för datacenters HVAC-energieffektivitetsmätningar infördes power usage effectiveness (PUE) 2010. Det fungerade dock som ett prestandamått snarare än en designstandard och misslyckades fortfarande med att ta itu med relevanta designkomponenter, så problemet kvarstod.

ny Energieffektivitetsstandard ASHRAE 90.4

Detta ledde American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), en av de viktigaste organisationerna som ansvarar för att utveckla riktlinjer för olika aspekter av byggnadsdesign, för att utveckla en ny standard som skulle vara mer praktisk för datacenterindustrin. de utformade ASHRAE data center-standarderna, ASHRAE 90.4, har utvecklats i flera år och publicerades i September 2016, vilket ger en välbehövlig standard till datacentergemenskapen. Enligt ASHRAE fastställer denna nya HVAC-standard för datacenter bland annat ” minimikraven för energieffektivitet för datacenter för design och konstruktion, för att skapa en plan för drift och underhåll och för utnyttjande av förnybara energiresurser på plats eller utanför anläggningen.”

ashrae data center standards data center cooling model
Data Center Model

sammantaget innehåller denna nya ASHRAE 90.4-standard rekommendationer för design, konstruktion, drift och underhåll av datacenter. Denna ASHRAE data center-standard adresserar uttryckligen de unika energikraven för datacenter i motsats till standardbyggnader och integrerar därmed de mer kritiska aspekterna och riskerna kring driften av datacenter. Och till skillnad från PUE-energieffektivitetsmetriken är beräkningarna i ASHRAE 90.4 baserade på representativa komponenter relaterade till design. Organisationer måste beräkna effektivitet och förluster för olika delar av systemen och kombinera dem till ett enda nummer, vilket måste vara lika med eller mindre än de publicerade maximala siffrorna för varje klimatzon.

hur Computational Fluid Dynamics kan hjälpa dig att följa ASHRAE 90.4

valfritt antal olika kylsystemdesignstrategier eller variationer i golvlayout kan påverka resultaten och därmed ändra effektiviteten, skapa hotspots eller ändra mängden infrastruktur som krävs för designen. Computational fluid dynamics (CFD) erbjuder en metod för att utvärdera nya mönster eller ändringar av befintliga mönster innan de implementeras i enlighet med ASHRAE data center-standarder.

för att lära dig hur CFD kan hjälpa dig att begränsa överdriven energiförbrukning i dina datacentersystem och följa ASHRAE 90.4, titta på detta webinar:

designstrategier för att minska Datacenterens energiförbrukning

att designa en ny datacenteranläggning eller ändra en befintlig för att maximera kylningseffektiviteten kan vara en utmanande uppgift. Designstrategier för att minska energieffektiviteten i ett datacenter inkluderar:

  • positionering av datacenter baserat på miljöförhållanden (geografiskt läge, klimat etc.)
  • designbeslut baserade på infrastrukturtopologi (IT-infrastruktur och nivåstandarder)
  • anpassa bästa kylsystemstrategier

att förbättra konfigurationen av datacentrets kylsystem är en viktig möjlighet för HVAC-designingenjören att minska energiförbrukningen. Några av de olika kylstrategier som designers och ingenjörer följer för att spara energi är:

  • luftkonditioneringsapparater och lufthanterare
    de vanligaste typerna är en luftkonditionering (AC) eller DATORRUMSLUFTHANTERARE (CRAH) enheter som blåser kall luft i önskad riktning för att ta bort varm luft från omgivningen.
  • varmgång / kallgång
    den kalla luften (eller gången) passeras till serverns racks framsida och den heta luften kommer ut från rackens baksida. Huvudmålet här är att hantera luftflödet för att spara energi och minska kylkostnaden. Bilden nedan visar de kalla och heta gångarna luftflödesrörelser i ett datacenter.
  • varmgång / kallgång inneslutning
    inneslutning av de varma / kalla gångarna görs huvudsakligen för att separera den kalla och heta luften i rummet och ta bort varm luft från skåp. Bilden nedan visar detaljerad luftflödesrörelse av kall och varm inneslutning individuellt.

varm gång kall gång inneslutning ASHRAE 90.4

  • vätskekylning
    vätskekylsystem ger ett alternativt sätt att avleda värme från systemet. Detta tillvägagångssätt inkluderar luftkonditioneringsapparater eller kylmedel med kallt vatten nära värmekällan.
  • grön kylning
    grön kylning (eller frikylning) är en av de hållbara tekniker som används i datacenter. Detta kan innebära att man helt enkelt öppnar ett datacenterfönster täckt med filter och lameller för att möjliggöra naturliga kyltekniker. Detta tillvägagångssätt sparar en enorm summa pengar och energi.

att identifiera rätt kombination av dessa kyltekniker kan vara utmanande. Så här kan CFD-simulering göra denna uppgift enklare.

Fallstudie: Förbättra Datacenterkylsystem

Computational fluid dynamics (CFD) kan hjälpa HVAC-ingenjörer och datacenterdesigners att modellera ett virtuellt datacenter och undersöka temperatur, luftflödeshastighet och tryckfält på ett snabbt och effektivt sätt. Den numeriska analysen presenterar både 3D visuell kontur och kvantitativa data som är mycket detaljerad men ändå lätt att förstå. Områden med komplexa recirkulationsflöde och hotspots visualiseras enkelt för att identifiera potentiella designfel. Att implementera olika designbeslut och strategier i den virtuella modellen är relativt enkelt och kan simuleras parallellt.

Data Center Cooling Systems: projektöversikt

för syftet med denna studie använde vi ett simuleringsprojekt från SimScale Public Projects Library som undersöker två olika design av data center cooling system, deras kylningseffektivitet och energiförbrukning. Det kan fritt kopieras och användas av alla SimScale användare.

de två designscenarierna visas i figuren nedan:

datacenter kylsystem design jämförelse

den första designen som vi kommer att överväga använder en upphöjd golvkonfiguration, ett kylsystem som ofta implementeras i datacenter. När denna teknik används, kommer kall luft in i rummet genom de perforerade plattorna i golvet och kyler i sin tur serverns rack. Dessutom använder den andra modellen varmgång inneslutning och sänkt tak konfiguration för att förbättra kylningseffektiviteten. Vi kommer att använda CFD för att förutsäga och jämföra prestanda för de två designerna och bestämma den bästa kylningsstrategin.

ASHRAE Data Center-standarder: CFD-simuleringsresultat

Baslinjedesign av Datacenterkylsystemet

vi undersökte temperaturfördelningen och hastighetsfältet inuti serverrummet för båda designkonfigurationerna. Efterbehandlingsbilderna nedan visar hastighets-och temperaturfälten för midsektionen av baslinjedesignen. Det kan observeras att den varma luften är närvarande i området för den kalla gången. Detta beror på blandningen av både de kalla och heta gångarna i datacentret som omger. Den maximala hastigheten för denna baslinjedesign är vid 0, 44 m/s med ett temperaturområde på 28, 6 till 49, 7 grader Celsius.

temperaturkonturen visar att zonerna mellan de två serverställen är mycket mer kylda i jämförelse med de andra. Skälen till detta kan förstås genom att titta på flödesmönstren.

det är uppenbart i ovanstående bild att i serverraderna där inlopp finns, ser toppen av ställen en fallande flödesriktning istället för det önskvärda stigande flödet från inloppet själva. Detta beror på de starka recirkulationsströmmarna som drivs av termiska flytkrafter. Denna effekt är mycket oönskad, eftersom den minskar kylningseffektiviteten specifikt för serverns hyllor. Denna effekt kan minimeras genom att möjliggöra korrekt luftflöde ovanför racken, antingen genom att öka takhöjden, placera mer distribuerade utlopp i taket eller använda någon form av aktivt flödesstyrningssystem (fläktar) för att rikta flödet ovanför serverhyllorna. Eller helt enkelt, genom att förhindra att den heta luften som kommer från ställen cirkulerar fritt.

ashrae data center standards

temperaturdiagrammet visar en signifikant temperaturstratifiering som kan förväntas med tanke på de stora recirkulationsströmmarna. Vi kan observera att endast de nedersta servrarna får lämplig kylning.

förbättrad Design av Datacenterkylsystemet

de följande två bilderna visar hastigheten och temperaturfördelningen för det förbättrade designscenariot, mittsektionspanelen.

ashrae data center standards

hastighetsfältet visar att flödet nu drivs till utloppen. Detta beror på närvaron av inneslutning ovanpå ställen. Detta resulterar också i en bättre temperaturfördelning. De kalla zonerna mellan serverställen är särskilt utökade.

ashrae data center standards

ovanstående bild visar hur den heta inneslutningen förhindrar att det stigande flödet återcirkulerar tillbaka till inloppsraderna. Detta resulterar i ett renare övergripande flödesmönster jämfört med vad som sågs i den tidigare designen. Det är också uppenbart att den nya designen minskar temperaturstratifieringen, särskilt i de inneslutna regionerna mellan servrarna.

ashrae data center standards

medeltemperaturen beräknad för varje rack är lägre för den förbättrade designen med cirka 23%.

detta återspeglas också i minskningen av mängden ström som måste levereras till servern för att förhindra överhettning. I genomsnitt har energibesparingar på 63% för datacenterkylsystemet uppnåtts.

ashrae datacenterstandarder

Datacenterkylsystem: Slutsatser & överensstämmelse med ASHRAE Data Center-standarder

ett typiskt datacenter kan konsumera så mycket energi som 25 000 hushåll. Med den stigande kostnaden för el har ökad energieffektivitet blivit det främsta problemet för dagens datacenterdesigners.

denna fallstudie var bara en liten illustration av hur CFD-simulering kan hjälpa designers och ingenjörer att validera sina designbeslut och exakt förutsäga prestanda för deras datacenterkylsystem för att säkerställa att ingen energi slösas bort och i enlighet med ASHRAE data center-standarder. Hela analysen gjordes i en webbläsare och tog bara några timmars manuell och datortid. För att lära dig mer, titta på inspelningen av webinaret:

om du vill läsa mer om ASHRAE data center-standarder och hur CFD-simulering hjälper ingenjörer och arkitekter att förbättra datacenters HVAC-system tillsammans med övergripande byggprestanda, ladda ner detta gratis vitbok.

  • W. V. Heddeghem et al., Trender i världsomspännande IKT-elförbrukning från 2007 till 2012, Comput. Commun., vol. 50, s. 64-76, Sep. 2014
  • topp 10 energibesparande tips för ett grönare datacenter, Info-Tech Research Group, London, ON, Kanada, April. 2010, http://static.infotech.com/downloads/samples/070411_premium_oo_greendc_top_10.pdf
  • ASHRAE Standard 90.4 – 2016-Energistandard för datacenter, https://www.techstreet.com/ashrae/standards/ashrae-90-4-2016

Ställ in din egen molnbaserade simulering via webben på några minuter genom att skapa ett konto på SimScale-plattformen. Ingen installation, speciell hårdvara eller kreditkort krävs.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.

lg