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, porque há um processo de redução das dimensões dos equipamentos electrónicos com aumento simultâneo da potência de computação , levando à libertação de uma grande quantidade de calor por unidade (uma unidade de altura do bastidor do servidor). Enquanto há alguns anos parecia 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 previsível, existe agora no mercado equipamento que, mesmo que não seja todo o bastidor de servidor, está preenchido, emite mais de 10 kW.
Quase todos os fabricantes de servidores possuem este tipo de equipamento. Os principais grupos oferecem um sistema informático unificado, com um consumo de energia de 6U de 2 kW ou mais, consoante o modo de funcionamento. Não é raro que sejam gerados mais de 10 kW de calor por bastidor. 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 “agrava” 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 servidores.
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.
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 afecta negativamente o 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 integram 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 informático é instalado e utilizado, é limitada pelas normas não só pelo limite superior, mas também pelo limite inferior. De acordo com os mais recentes 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 para o 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 adicionais de arrefecimento a ar ou a líquido (se, obviamente, houver espaço para elas). No entanto, estes métodos “radicais” não são necessariamente necessários. Mas, por vezes, verifica-se que apenas uma coisa deveria ter sido substituída: pode ser o caso de remover ou acrescentar grelhas ao piso de acesso elevado e o problema pode ser resolvido. No entanto, é extremamente difícil identificar os pontos de estrangulamento sem ferramentas de software especiais e sem um conhecimento preciso 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 de forma homogénea (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 nesse 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, a propósito, o espaço entre o piso elevado e o teto diminui, o que pode complicar 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.
Com a área de superfície da sala de máquinas até 70 m², a altura do piso elevado deve ser, no mínimo 400 – 500 mm, se a superfície da sala for Se a sala de máquinas tiver mais de 100 m², a altura do piso de acesso elevado deve ser de, pelo menos, 500 – 700 mm; se a sala de máquinas tiver mais de 300 m², a altura do piso de acesso elevado deve ser de, 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). Para obter uma resposta precisa à questão da altura do piso elevado, é aconselhável efetuar uma simulação CFD dos fluxos de ar, calcular várias opções e escolher 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 dos cálculos obtidos, o utilizador avalia e, se necessário, modifica o modelo informático e efectua novamente os cálculos. Com base nos resultados dos cálculos, o utilizador avalia e, se necessário, modifica o modelo informático e efectua novamente os cálculos. O objetivo da modelação é descrever os fenómenos físicos com a maior exatidão possível e, em seguida, encontrar uma solução adequada e satisfatória para os problemas de conceção com que se pode deparar.
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 reação 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 suficiente exatidão o modo como o sistema de ar condicionado funcionará numa instalação operacional real, o modo como o sistema de ar condicionado se comportará quando a carga mudar, o modo como a temperatura mudará numa fila de bastidores de servidores e ao longo da altura de cada bastidor.
Ao projetar um sistema de ar condicionado para um centro de dados, é necessário ter em conta um grande número de parâmetros. Eis apenas alguns exemplos:
- O tamanho e o volume da sala;
- Colocação de armários e bastidores de telecomunicações na sala dos servidores;
- Altura do piso elevado; direção, volume e velocidade do movimento das correntes de ar frio;
- Localização do 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 a geometria das saídas.
Ao projetar um sistema de ar condicionado sem utilizar a análise CFD, a maior parte destes parâmetros não são corretamente tidos em conta ou são sobredimensionados. De facto, a influência real na distribuição da temperatura e da humidade na sala do centro de dados depende do parâmetro que está a ser 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 utilizados para resolver vários problemas relacionados com a simulação de caudais 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 dispõem de módulos e bibliotecas de elementos integrados prontos a utilizar, 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 preciso 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 os estrangulamentos são identificados no processo de recolha de dados. 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 os pressupostos sobre as tecnologias e os dispositivos utilizados.
Modelação 3D do centro de dados
O passo seguinte é criar um modelo geométrico do centro de dados (ou gémeo digital) e dos elementos que o compõem. É criado um modelo 3D de um objeto 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.). Uma vez construída a malha, o utilizador deve verificar a qualidade da malha utilizando vários parâmetros (assimetria do elemento, 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, é geralmente utilizada uma representação visual dos dados calculados sob a forma de uma distribuição da temperatura pela área da sala de computadores e pela 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 dos fluxos de líquidos e gases, permitindo a conceção de novos sistemas e equipamentos a um elevado nível profissional, ou aotimização dos 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 instaladas as unidades 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.
