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Libro blanco: uso de CFD para centros de datos

Extracto del libro blanco de EOLIOS sobre los centros de datos

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libro Blanco

La carga térmica de los centros de datos ha considerablemente en los últimos años. Y esta tendencia continúa, porque hay un proceso de reducción del tamaño de los equipos electrónicos con un aumento simultáneo de la potencia de cálculo , lo que conlleva la liberación de una gran cantidad de calor por unidad (una unidad de altura de rack de servidor). Si hace unos años parecía que la capacidad de refrigeración de 5 kW por rack de servidores era suficiente para cubrir todas las necesidades existentes y previstas de los clientes en un futuro próximo, hoy en día hay equipos en el mercado que, aunque no se llene todo el rack de servidores, libera más de 10 kW.

Casi todos los fabricantes de servidores disponen de estos equipos. Los grandes grupos ofrecen un sistema informático unificado, que alcanza un consumo de energía de 6U de 2 kW o más según el modo de funcionamiento. No es raro que se generen más de 10 kW de calor por bastidor, con bastidores de hasta una potencia de 45 kW.

La virtualización de los servidores hace que aumente la disipación de calor de un solo procesador

El uso de la tecnología de virtualización de servidores «empeora» la situación. La virtualización de los servidores puede aumentar su carga considerablemente, y si los antiguos procesadores estaban inactivos durante el 75-85% del tiempo, mediante el uso de la virtualización, la carga del procesador en los servidores aumenta considerablemente y, por tanto, se genera más calor en un servidor. Las mejores prácticas de ASHRAE para la eficiencia energética en instalaciones de centros de datos lo confirman.

La salida de calor producida por rack aumenta constantemente.

Por lo tanto, al diseñar un centro de datos moderno, es necesario centrarse en las cargas térmicas de 10 kW o más por rack de servidores. O, como último recurso, es necesario asignar zonas específicas en la sala de ordenadores del centro de datos, que proporcionarán refrigeración a partir de 10 kW por rack de servidores.

«El diseñador tiene una pregunta natural que hacerse: ¿el sistema de aire acondicionado soportará el 100% de la carga térmica?»

Para obtener una respuesta suficientemente precisa a esta pregunta, ya no basta con que el diseñador utilice únicamente una ecuación de balance térmico con la adición de un margen de capacidad de refrigeración del 10% al 20% y un programa de Excel.

¿Qué ocurre en caso de corte de la red de distribuidores? ¿cuál es el impacto del mantenimiento?
Simulación CFD de la distribución de la temperatura del pasillo caliente y frío - Centro de datos

Una serie de problemas en el funcionamiento de los centros de datos

También surgen una serie de problemas en el funcionamiento de un centro de datos existente, incluso con bajas cargas térmicas. Por ejemplo, tras la instalación de equipos adicionales, pueden aparecer zonas muertas en el centro de datos.

En los centros de datos pueden producirse zonas locales de sobrecalentamiento de los equipos (denominadas puntos calientes) o, por el contrario, zonas de baja temperatura (para los sistemas de refrigeración natural).

Claramente, el sobrecalentamiento de servidores, sistemas de almacenamiento de datos, redes y equipos de telecomunicaciones es malo; Tarde o temprano, las altas temperaturas provocarán fallas y, por lo tanto, una posible pérdida de datos.

Por otro lado, la humedad también afecta negativamente al funcionamiento de los servidores y sistemas de almacenamiento de datos. Las bajas temperaturas provocan un aumento de la humedad, lo que puede dar lugar a la condensación. La humedad relativa, según la ASHRAE, no debe superar el 80%. Algunos fabricantes incorporan sensores de temperatura y humedad relativa en los servidores y sistemas de almacenamiento, y los controles de software pueden desconectar el hardware cuando se superan los límites de humedad y temperatura.

La temperatura en las salas de servidores, donde se instalan y operan equipos de TI, está limitada por estándares no solo por el límite superior, sino también por el límite inferior. Según los últimos requisitos de ASHRAE TC 9.9 publicados en 2016, la temperatura en la sala de servidores no debe ser inferior a 18 grados centígrados. Además, la menor temperatura provoca un uso ineficiente de la electricidad, lo que se traduce en mayores costes de funcionamiento del centro de datos.

Para combatir los puntos calientes locales, el cliente puede tener que instalar ventiladores de suelo cerca de los bastidores de los servidores, montar unidades adicionales de refrigeración por aire o líquido (si, por supuesto, hay espacio para ellas). Sin embargo, no es necesario utilizar un método tan «radical». Pero a veces resulta que sólo hay que cambiar una cosa: puede ser cuestión de quitar o añadir rejillas al suelo elevado y el problema puede quedar resuelto. Sin embargo, es extremadamente difícil identificar los cuellos de botella sin herramientas de software especiales y un conocimiento preciso de los efectos termo-aerodinámicos. A menudo, el cliente utiliza el espacio del centro de datos de forma extremadamente ineficiente, sin cargar completamente los armarios ni distribuir los equipos de forma homogénea (si es que esto puede hacerse). Pero todo esto podría haberse evitado creando un modelo termodinámico CFD del centro de datos y realizando los cálculos de optimización según este modelo.

¿Qué altura tiene el piso elevado en un centro de datos?

A la hora de diseñar un nuevo centro de datos, el arquitecto encargado del proyecto siempre se plantea una pregunta: ¿qué altura debe tener un suelo elevado en un centro de datos?

Es claro que cuanto más Cuanto mayor sea la altura del falso suelo, mayor será la resistencia al flujo de aire, además se pueden almacenar diversas redes (redes de agua, bandejas de cables y cables), así como colocar estructuras y equipos adicionales bajo el suelo técnico elevado, por ejemplo, redes de distribución de energía o puntos de consolidación de un sistema de cableado estructurado…

Sin embargo, a medida que aumenta la altura del piso elevado, se incrementa el coste de la estructura del edificio y, además, disminuye el espacio entre el piso elevado y el techo, lo que puede dificultar la creación de un sistema de conductos para suministrar aire caliente a las unidades de refrigeración (CRAH). Hace unos años se publicó una recomendación sobre la altura del suelo elevado en relación con el tamaño de la sala de máquinas del centro de datos.

Con área de sala de máquinas hasta 70 m², la altura del piso elevado debe ser como mínimo 400 – 500 mm, si la superficie de la sala es más de 100 m².La altura del piso elevado debe ser como mínimo 500 – 700 mm, si la sala de máquinas es más de 300 m², la altura del piso elevado debe seral menos 700 mm. Esta regla empírica funcionó cuando la carga por estante no no superó los 5 kW y que no se utilizó la tecnología de aislamiento de aire caliente y frío (separación de pasillos calientes y fríos). En este contexto, para obtener una respuesta precisa a la cuestión de la altura del suelo elevado, se recomienda realizar una simulación CFD de los flujos de aire, calcular varias opciones y elegir la más adecuada.

¿Qué es la simulación CFD?

CFD es un acrónimo de Computational Fluid Dynamics

Mediante un software especializado, el usuario crea un modelo tridimensional de un objeto, impone determinadas condiciones de contorno, selecciona los modelos que representan los fenómenos físicos que se producen en los medios gaseosos y líquidos (transferencia de calor, flujo de los medios, conductividad térmica, radiación, convección, etc.), selecciona un método de cálculo y realiza los cálculos A partir de los resultados de los cálculos obtenidos, el usuario evalúasi es necesario, cambia el modelo informáticoy vuelve a realizar los cálculos. El objetivo de la modelización es escribir lo mejor posible los fenómenos físicos y luego encontrar una solución adecuada y satisfactoria a los problemas de diseño que puedan surgir.

Los resultados de la simulación se utilizan en el proceso de toma de decisiones de diseño para seguir mejorando el modelo creado de la planta, identificar los cuellos de botella en la planta en funcionamiento y optimizar el sistema de funcionamiento.

Uso de simulación CFD en centros de datos

Lamentablemente, las temperaturas de funcionamiento más altas pueden provocar reducir el tiempo de reacción en caso de un rápido aumento de la temperatura debido a un fallo de la unidad de refrigeración. Un centro de datos que contenga servidores que funcionen a temperaturas más elevadas es probable que sufra fallos de hardware instantáneos simultánea. Las recientes normativas de la ASHRAE subrayan la importancia de un control proactivo de la temperatura ambiental dentro de las salas de servidores.Los centros de datos son objetos ideales para la modelización informática porque es imposible crear un prototipo o modelo físico de un centro de datos. Y sin crear un modelo de centro de datos, es imposible predecir con suficiente precisión cómo funcionará el sistema de aire acondicionado en una instalación real en funcionamiento, cómo se comportará el sistema de aire acondicionado cuando cambie la carga, cómo cambiará la temperatura en una fila de racks de servidores y a lo largo de la altura de cada rack.

A la hora de diseñar un sistema de climatización en un centro de datos, hay que tener en cuenta un gran número de parámetros. Aquí te daremos algunos de ellos:

  • Eltamaño  y elvolumen  de la habitación;
  • Colocación de los armarios y racks de telecomunicaciones en la sala de servidores;
  • Altura del suelo elevado; direcciónvolumen velocidad del movimiento del aire frío;
  • Ubicación de los equipos de aire acondicionado;
  • Los tipos de ventiladores utilizados y la dirección del flujo de aire,
  • Consideración de los obstáculos al flujo de aire frío;
  • El tipo de forjado elevado utilizado y lageometría  de las salidas.

 

Cuando se diseña un sistema de aire acondicionado sin utilizar el análisis CFD, la mayoría de estos parámetros no se tienen en cuenta adecuadamente o están sobredimensionados. De hecho, la influencia real en la distribución de la temperatura y la humedad en la sala del centro de datos depende del parámetro estudiado no puede estimarse de forma fiable sin una simulación informática precisa.

Software CFD para centros de datos

Existen en el mercado una gran cantidad de programas que resuelven diversos problemas relacionados con la simulación de flujos de líquidos y gases. Entre estos programas se encuentran los siguientes: ANSYS, Autodesk CFD, Xflow, Open Foam, Phoenics, Flow Vent,STAR-CD , FASTEST-3, Flow Vision, Tile Flow, Sigma6room, Gas Dynamics Tool… Sin embargo, no todos los programas de simulación de flujos termodinámicos disponen de módulos listos para usar y de bibliotecas de elementos integradas, teniendo en cuenta las especificidades de los centros de datos.

Programas como Tile Flow y Sigma 6 llevan incorporados módulos, programas y bibliotecas para simular el flujo de aire en el centro de datos. Para los ingenieros que no están acostumbrados a trabajar con programas de modelización CFD, tiene sentido considerar la compra de este tipo de software, que ya contiene modelos listos para usar para calcular los flujos de aire en el centro de datos, hay bibliotecas de equipos (por ejemplo, ventiladores, bombas, unidades de aire acondicionado). En todos los casos, la calidad del estudio viene determinada por el nivel de experiencia del ingeniero encargado de la simulación. La ingeniería CFD debe ser realizada por especialistas.

Pasos en el diseño de la modelización CFD de un centro de datos

Recuperación de los supuestos del estudio

Antes de llevar a cabo el proceso de modelización de un centro de datos existente, es necesario realizar un estudio completo y preciso del objeto: medición de la velocidad de los flujos de aire, medición de la presión, medición de la temperatura, determinación de los canales de flujo de aire y detección de obstáculos y posibles lugares de fuga de aire. En otras palabras, la tarea de examinar un objeto existente en sí mismo es bastante laboriosa pero, sin embargo, extremadamente útil. Porque en el proceso de recogida de datos se identifican los cuellos de botella. Para resolver el problema de la creación de un modelo para un nuevo centro de datos, es necesario recoger los datos iniciales del espacio y validar las hipótesis sobre las tecnologías y los dispositivos utilizados.

Modelado 3D del centro de datos

A continuación, hay que crear un modelo geométrico del centro de datos (o gemelo digital) y de los elementos que lo componen. Se crea un modelo 3D de un objeto utilizando programas CAD y los datos se exportan al módulo de simulación CFD.

Creación de la malla

A continuación, hay que crear el modelo de resolución. Esto se hace en programas que utilizan módulos de software de generación de malla integrados o que utilizan productos de software independientes. La precisión, la convergencia y la velocidad del cálculo dependen de la malla . La calidad de los resultados obtenidos depende directamente de la calidad de la malla (finura, adaptación de la malla, etc.). Después de la etapa de construcción de la malla, el usuario tiene que comprobar la calidad de la malla construida mediante diferentes parámetros (asimetría de los elementos, relación altura/anchura).

Implementación de condiciones de contorno y simulaciones

Se introducen las condiciones de contorno en el programa y se seleccionan los modelos en función de los supuestos, luego se realiza un cálculo que puede converger o divergir (es decir, no tener una solución correcta) en función de los diferentes parámetros anteriores.

Tras la convergencia, los resultados de los cálculos pueden ser procesados por programas especiales y visualizados de forma gráfica, tabular o inclusoanimada, demostrando claramente los cambios en los parámetros físicos. Para los centros de datos, generalmente se usa una representación visual de los datos calculados en forma de distribución de temperatura sobre el área de la sala de computadoras y la altura de los racks de servidores.

A continuación, el ingeniero analiza los resultados calculados y, si es necesario, modifica los modelos de los objetos y vuelve a realizar los cálculos.

¿Qué impacto en el diseño?

Las modernas herramientas de diseño permiten a los ingenieros de CFD interactuar con los distintos oficios para simplemente explicar los fenómenos que causan los problemas y luego proponer soluciones que puede ser validado por todas las partes.

Síntesis

Los programas CFD pueden simular el flujo de líquidos y gases, así como otros fenómenos físicos asociados a este proceso, como la transferencia de calor. La modelización termodinámica ofrece grandes oportunidades para analizar los flujos de líquidos y gases, lo que permite diseñar nuevos sistemas y equipos a un alto nivel profesional uoptimizar los sistemas existentes.

Sin el uso de la modelización CFD, es imposible obtener respuestas precisas a cuestiones tan fundamentales como la distribución de la temperatura y la humedad a lo largo de los pasillos fríos y la altura de la sala de racks de servidores, en función del :

  • carga de calor;
  • los lugares donde se instalan los aparatos de aire acondicionado;
  • temperatura de refrigerantes y refrigerantes;
  • altura del piso elevado;
  • la distribución de parrillas de transmisión;
  • el tipo de ventiladores y otros parámetros.

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