Livro branco: Utilizar CFD para centros de dados
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Livro branco
A carga térmica nos centros de dados tem nos últimos anos. E esta tendência mantém-se, uma vez que se verifica um processo de redução das dimensões dosequipamentos electrónicos com aumento simultâneo da potência de computação , o que leva à libertação de uma grande quantidade de calor por unidade (uma unidade de altura do bastidor do servidor). Embora há alguns anos parecesse que a capacidade de arrefecimento de 5 kW por bastidor de servidor era suficiente para cobrir todas as necessidades actuais e previstas dos clientes num futuro próximo, existe atualmente no mercado equipamento que, mesmo que não cubra todo o bastidor de servidor, é suficiente, emite mais de 10 kW.
Quase todos os fabricantes de servidores possuem este tipo de equipamento. Os principais grupos oferecem um sistema informático unificado, que atinge um consumo de energia de 2 kW ou mais por 6U, dependendo do modo de funcionamento. Não é raro que sejam gerados mais de 10 kW de calor por bastidor, com bastidores até 45 kW.
A virtualização de servidores leva a uma maior dissipação de calor de um único processador
A utilização da tecnologia de virtualização de servidores “piora” a situação.
A virtualização dos servidores pode aumentar consideravelmente a sua carga e, se os processadores antigos estavam inactivos durante 75 a 85% do tempo, então, através da utilização da virtualização, a carga do processador nos servidores aumenta consideravelmente e, consequentemente, é gerado mais calor num servidor.
As Melhores Práticas da ASHRAE para a Eficiência Energética em Instalações de Centros de Dados confirmam estes dados.
O calor produzido pela cremalheira está constantemente a aumentar.
Por conseguinte, ao projetar um centro de dados moderno, é necessário concentrar-se em cargas térmicas de 10 kW ou mais por bastidor de servidor.
Ou, como último recurso, é necessário atribuir zonas específicas na sala de computadores do centro de dados, que fornecerão arrefecimento a partir de 10 kW por bastidor de servidor.
Para obter uma resposta suficientemente precisa a esta questão, já não é suficiente que o projetista utilize apenas a equação do balanço térmico com a adição de uma margem de capacidade de arrefecimento de 10% a 20% e um programa Excel.
Qual é o impacto da manutenção?
Vários problemas no funcionamento dos centros de dados
Também surgem vários problemas quando se opera um centro de dados existente, mesmo com cargas térmicas baixas.
Por exemplo, após a instalação de equipamento adicional, podem surgir zonas mortas no centro de dados.
Nos centros de dados podem ocorrer zonas locais de sobreaquecimento do equipamento (conhecidas como pontos quentes) ou, pelo contrário, zonas de temperatura bastante baixa (para sistemas de arrefecimento natural).
É evidente que o sobreaquecimento dos servidores, dos sistemas de armazenamento de dados e do equipamento de rede e de telecomunicações é mau; mais cedo ou mais tarde, as temperaturas elevadas conduzirão a avarias e, por conseguinte, a uma potencial perda de dados.
A higrometria também tem um efeito negativo no funcionamento dos servidores e dos sistemas de armazenamento de dados.
As baixas temperaturas aumentam a humidade, o que pode levar à condensação.
De acordo com a ASHRAE, a humidade relativa não deve exceder 80%.
Alguns fabricantes incorporam sensores de temperatura e humidade relativa em servidores e sistemas de armazenamento, e os controlos de software podem desligar o hardware quando os limites de humidade e temperatura são ultrapassados.
A temperatura nas salas de servidores, onde o equipamento de TI é instalado e operado, é limitada pelas normas não só pelo limite superior, mas também pelo limite inferior.
De acordo com os últimos requisitos do Comité Técnico ASHRAE TC 9.9, publicados em 2016, a temperatura na sala do servidor não deve ser inferior a 18 graus Celsius.
Além disso, a temperatura mais baixa leva a uma utilização ineficiente da eletricidade, resultando em custos operacionais mais elevados do centro de dados.
Para combater os pontos quentes locais, o cliente pode ter de instalar ventoinhas de chão perto das prateleiras dos servidores ou instalar unidades de arrefecimento de ar ou líquido adicionais (se, obviamente, houver espaço para elas).
No entanto, a utilização destes métodos “radicais” não é necessariamente uma necessidade. Mas, por vezes, verifica-se que apenas uma coisa deveria ter sido substituída: pode ser o caso de remover ou adicionar grelhas ao piso elevado e o problema pode ser resolvido.
No entanto, é extremamente difícil identificar os pontos de estrangulamento sem ferramentas de software especiais e um conhecimento exato dos efeitos termo-aerodinâmicos.
Muitas vezes, o cliente utiliza o espaço do centro de dados de forma extremamente ineficiente, sem carregar totalmente os armários e distribuir o equipamento uniformemente (se é que isso pode ser feito).
Mas tudo isto poderia ter sido evitado através da criação de um modelo termodinâmico CFD do centro de dados e da realização de cálculos de otimização com base neste modelo.
Qual é a altura do piso elevado num centro de dados?
Ao conceber um novo centro de dados, o arquiteto responsável pelo projeto tem sempre uma questão: qual deve ser a altura de um piso elevado num centro de dados?
É evidente que quanto mais alto for o pavimento falso , maior será a resistência ao fluxo de ar, mais redes diversas (redes de água, caminhos de cabos e cabos) podem ser armazenadas, e estruturas e equipamentos adicionais podem ser colocados sob o pavimento falso elevado, por exemplo, redes de distribuição de energia ou pontos de consolidação de um sistema de cablagem estruturado…
No entanto, à medida que a altura do piso elevado aumenta, o custo da estrutura do edifício aumenta e, incidentalmente, o espaço entre o piso elevado e o teto diminui, o que pode dificultar a criação de um sistema de condutas para fornecer ar quente às unidades de refrigeração (CRAH).
Há alguns anos, foi publicada uma recomendação sobre a altura do piso elevado em relação à área de superfície da sala de máquinas do centro de dados.
Se a superfície da sala de máquinas
até 70 m², a altura do piso elevado deve ser de pelo menos
400 – 500 mm, se a área da sala de máquinas
100 m², a altura da plataforma de acesso elevada deve ser de pelo menos 500 – 700 mm, se a sala de máquinas tiver mais de 300 m², a altura da plataforma de acesso elevada deve serde pelo menos 700 mm. Esta regra geral funciona quando a carga por prateleira não excede 5 kW e não é utilizada a tecnologia de isolamento do ar quente e frio (separação entre corredores quentes e frios).
Neste contexto, para obter uma resposta precisa à questão da altura do piso de acesso elevado, recomenda-se que efectue uma simulação CFD dos fluxos de ar, calcule várias opções e escolha a mais adequada.
O que é a simulação CFD?
CFD é um acrónimo de Computational Fluid Dynamics (Dinâmica de Fluidos Computacional).
Utilizando um software especializado, o utilizador cria um modelo tridimensional de um objeto, impõe determinadas condições de fronteira, seleciona modelos que representam fenómenos físicos que ocorrem em meios gasosos e líquidos (transferência de calor, fluxo de meios, condutividade térmica, radiação, convecção, etc.), seleciona um método de cálculo e efectua cálculos… Com base nos resultados de cálculo obtidos, o utilizador avalia e, se necessário, modifica o modelo informático e efectua novamente os cálculos. Com base nos resultados dos cálculos obtidos, o utilizador avalia e, se necessário, modifica o modelo informático e efectua novamente os cálculos.
O objetivo da modelização é escrever os fenómenos físicos da forma mais exacta possível e, em seguida, encontrar uma solução adequada e satisfatória para os problemas de conceção que possam surgir.
Os resultados da simulação são utilizados na tomada de decisões de conceção, para melhorar ainda mais o modelo criado da instalação, identificar estrangulamentos na instalação em funcionamento e otimizar o sistema de funcionamento.
Utilização da simulação CFD em centros de dados
Infelizmente, as temperaturas de funcionamento mais elevadas podem reduzir o tempo de resposta em caso de aumento rápido da temperatura devido a uma falha da unidade de arrefecimento.
Um centro de dados com servidores a funcionar a temperaturas mais elevadas corre o risco de sofrer falha instantânea de hardware simultaneamente.
Os recentes regulamentos ASHRAE sublinham a importância da monitorização proactiva da temperatura ambiente dentro das salas de servidores. Os centros de dados são objectos ideais para a modelação de TI porque é impossível criar um protótipo ou um modelo físico de um centro de dados. E sem criar um modelo de centro de dados,
é impossível prever com precisão suficiente como se comportará o sistema de ar condicionado numa instalação em funcionamento real, como se comportará o sistema de ar condicionado quando a carga mudar, como se alterará a temperatura numa fila de racks de servidores e ao longo da altura de cada rack.
Ao conceber um sistema de ar condicionado para um centro de dados, é necessário ter em conta um grande número de parâmetros.
Eis apenas alguns deles:
- Otamanhoe ovolumeda sala;
- Colocação dearmários e bastidores de telecomunicações na sala dos servidores;
- Altura do pavimento elevado;direção,volumeevelocidadede movimento das correntes de ar frio;
- Localizaçãodo equipamento de ar condicionado;
- Os tipos de ventiladores utilizados e a direção do fluxo de ar,
- Considera os obstáculos ao fluxo de ar frio;
- O tipo de lajes de acesso elevado utilizadas e ageometriadas saídas.
Ao projetar um sistema de ar condicionado sem utilizar a análise CFD, a maior parte destes parâmetros não são tidos em conta corretamente ou são sobredimensionados.
De facto, a influência real na distribuição da temperatura e da humidade na sala do centro de dados depende do parâmetro estudado não pode ser estimado de forma fiável sem uma simulação informática rigorosa.
Software CFD para centros de dados
Existe um grande número de programas no mercado que podem ser usados para resolver vários problemas relacionados com a simulação de fluxos de líquidos e gases.
Estes programas incluem os seguintes: ANSYS, Autodesk CFD, Xflow, Open Foam, Phoenics, Flow Vent,STAR-CD , FASTEST-3, Flow Vision, Tile Flow, Sigma6room, Gas Dynamics Tool… No entanto, nem todos os programas de simulação de escoamentos termodinâmicos possuem módulos prontos a utilizar e bibliotecas de elementos integrados, tendo em conta as especificidades dos centros de dados.
Software como o Tile Flow e o Sigma 6 têm módulos, programas e bibliotecas incorporados para simular o fluxo de ar no centro de dados.
Para os engenheiros que não estão habituados a trabalhar com programas de modelação CFD, faz sentido considerar a aquisição deste tipo de software, que já contém modelos prontos a utilizar para calcular os fluxos de ar no centro de dados, bem como bibliotecas de equipamentos (por exemplo, ventiladores, bombas, unidades de ar condicionado). Em todos os casos, a qualidade do estudo depende do nível de experiência do engenheiro responsável pela simulação.
A engenharia CFD deve ser efectuada por especialistas.
Etapas da conceção da modelação CFD para um centro de dados
Recuperação das hipóteses de estudo
Antes de realizar o processo de modelação de um centro de dados existente, é necessário efetuar um estudo completo e rigoroso do objeto: medir a velocidade dos fluxos de ar, medir a pressão, efetuar medições de temperatura, determinar os canais de circulação do ar e detetar obstáculos e possíveis localizações de fugas de ar.
Por outras palavras, a tarefa de examinar um objeto existente é bastante trabalhosa mas, no entanto, extremamente útil.
Porque, no processo de recolha de dados, são identificados os pontos de estrangulamento.
Para resolver o problema da criação de um modelo para um novo centro de dados, é necessário recolher os dados iniciais do espaço e validar as hipóteses sobre as tecnologias e os dispositivos utilizados.
Modelação 3D do centro de dados
O passo seguinte consiste em criar um modelo geométrico do centro de dados (ou gémeo digital) e dos elementos que o compõem.
Um modelo 3D de um objeto é criado utilizando programas CAD e, em seguida, os dados são exportados para o módulo de simulação CFD.
Criar a malha
O passo seguinte é a criação do modelo de resolução. Este passo é efectuado em programas que utilizam módulos de software de geração de malhas integrados ou utilizando produtos de software separados.
A precisão, a convergência e a velocidade de cálculo dependem da malha. A qualidade dos resultados obtidos depende diretamente da qualidade da malha (finura, adaptação da malha, etc.).
Após a fase de construção da malha, o utilizador deve verificar a qualidade da malha construída através de vários parâmetros (assimetria dos elementos, relação altura/largura).
Implementação de condições de fronteira e simulações
As condições de fronteira são introduzidas no programa e os modelos são selecionados com base nos pressupostos, sendo depois efectuado um cálculo, que pode convergir ou divergir (ou seja, não ter uma solução correta) em função dos vários parâmetros acima referidos.
Após a convergência, os resultados dos cálculos podem ser processados por programas especiais e apresentados sob a forma de gráficos, tabelas ou mesmoanimações, demonstrando claramente as alterações dos parâmetros físicos.
No caso dos centros de dados, a representação visual dos dados calculados é geralmente utilizada sob a forma de uma distribuição da temperatura na área da sala de computadores e na altura dos bastidores dos servidores.
O engenheiro analisa então os resultados calculados e, se necessário, modifica os modelos de objectos e executa novamente os cálculos.
Que impacto terá isto na conceção?
As ferramentas de conceção modernas permitem que os engenheiros de CFD comuniquem com as várias profissões, de modo a explicar simplesmente os fenómenos que estão na origem dos problemas e propor propõe soluções que podem depois ser validadas coletivamente.
Resumo
Os programas CFD podem ser utilizados para simular o fluxo de líquidos e gases, bem como outros fenómenos físicos associados a este processo, como a transferência de calor, por exemplo.
A modelação termodinâmica oferece grandes oportunidades para a análise de fluxos de líquidos e gases, permitindo a conceção de novos sistemas e equipamentos a um elevado nível profissional, ou aotimização de sistemas existentes.
Sem a utilização da modelação CFD, é impossível obter respostas precisas a questões tão fundamentais como a distribuição das temperaturas e da humidade ao longo dos corredores frios e a altura da sala dos bastidores dos servidores, em função :
- da carga térmica;
- onde estão instalados os aparelhos de ar condicionado;
- a temperatura dos fluidos de transferência de calor e dos refrigerantes;
- a altura do piso elevado;
- a distribuição dos horários de difusão;
- o tipo de ventiladores e outros parâmetros.
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