CFD-Analyse von Rechenzentren zur Risikominderung

Von Edward Keyrouz


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In der heutigen datenreichen Welt bilden Rechenzentren das Fundament der Infrastruktur, die für die Erfüllung von entscheidenden und wertvollen Aufgaben unverzichtbar ist.

Ein Rechenzentrum ist ein großer Raum, der mit Servern ausgestattet ist. Die enorme Wärmemenge, die diese Server erzeugen, stellt hohe Anforderungen an die Kühlung der Räumlichkeiten. Diese hochdichte thermische Last bedeutet auch, dass eine ausreichende Menge an Kühlungs-Luftstrom jeden einzelnen Server erreichen muss. Jede Einschränkung der Kühlungszufuhr birgt das Risiko von Ausfällen durch Überhitzung oder, im Extremfall, sogar die Gefahr eines Brandes. Daher ist eine effiziente Verteilung der Kühlungsluft unerlässlich für einen sicheren und effizienten Betrieb eines Rechenzentrums.

Die beste Methode, um das Designrisiko von Luftströmungen zu analysieren und vorherzusagen, ist die Durchführung einer Simulation der numerischen Strömungsmechanik (CFD - Computational Fluid Dynamics) der Luftströmung innerhalb eines Rechenzentrums. Eine CFD-Simulation kann alle Aspekte der Anordnung der Geräte modellieren, einschließlich:

  • Perforierte Boden- und Deckenplatten
  • Trennung von heißen und kalten Gängen
  • Unterschiedliche Wärmelastenverteilung auf den Servern
  • Unterboden- oder Deckenplenum
  • Luftzufuhrbereiche für kalte Luft

Um Risiken zu minimieren, sollten eine Reihe von CFD-Analysen durchgeführt werden, die das gesamte Spektrum der geplanten Betriebsmodi des Rechenzentrums abdecken. Dazu gehören die vier wichtigsten Analysetypen:

A. Analyse des Luftstromdesigns

Diese grundlegende Analyse der Luftströmung im Rechenzentrum umfasst die Simulation der Wärmegewinne an jedem Server, während die Kühlgeräte auf ihrem optimalen Niveau arbeiten. Diese Art der CFD-Analyse bietet Einblicke in die typischen erwarteten Betriebsbedingungen und kann potenzielle Probleme identifizieren, wie zum Beispiel:

 

  1. Steuerung der Luftauslassgitter:
    Wenn alle Gitter im Druckplenum gleichmäßig geöffnet sind, kann die Luftverteilung aufgrund ungleichmäßiger Druckverteilung ineffizient sein. Die CFD-Analyse kann helfen, die optimale Öffnungsrate oder Steuerung für jedes Gitter zu bestimmen, um die effizienteste Luftverteilung zu gewährleisten.
     
  2. Serverkonfiguration:
    Identifikation von Hochleistungsservern im Rechenzentrum und Bestimmung der Bereiche, in denen ein hoher Luftstrom erforderlich ist.
  3. Hotspots:
    Verhinderung, dass kalte Luft bereits Wärme aufnimmt, bevor sie in die Server gelangt.

Mit diesen Analysen können die Betriebsbedingungen optimiert und Risiken wie Überhitzung oder ineffiziente Kühlung effektiv minimiert werden.


Abbildung 1: Analyse des Luftstromdesigns

B. Analyse des ersten Betriebstags

Viele der heute gebauten Rechenzentren sind für mehrere Mieter konzipiert. Daher wird das Rechenzentrum häufig so entworfen, dass es einer bestimmten thermischen Last gerecht wird, diese jedoch erst nach mehreren Tagen, Wochen oder Monaten tatsächlichen Betriebs erreicht.

Eine weitergehende Analyse kann durchgeführt werden, bei der mehrere Einheiten als „leer“ definiert werden. Die Analyse identifiziert die kosteneffizienteste Methode zur Kühlung der tatsächlich betriebenen Einheiten. Auf diese Weise können die Betriebskosten in den frühen Betriebsphasen vorhergesagt und optimiert werden.



Abbildung 2: Analyse des ersten Betriebstags

C. Simulation von Ausfällen der Kühlsysteme
Rechenzentren werden mit redundanten Systemen ausgestattet, um den Betrieb unter allen vorhersehbaren Bedingungen ungehindert fortsetzen zu können. Eine der vielen potenziellen Störungen, die auftreten könnten, betrifft die Kühleinheiten, die kalte Luft in den Datenraum liefern.

Ein Ausfall der Kühleinheit würde zu einer Wärmeanhäufung durch Hochleistungsserver führen und in einigen Fällen ein potenzielles Brandrisiko darstellen. Dieses Risiko kann sogar während der Zeit auftreten, die benötigt wird, bis die sekundäre, „redundante“ Kühleinheit in Betrieb geht und beginnt, kühle Luft zu liefern.

Die CFD-Analyse modelliert die Auswirkungen solcher Ausfallszenarien. Sie zeigt auf, welche Kühleinheit als redundante Einheit fungieren sollte, um sicherzustellen, dass im Falle eines Ausfalls keine Hotspots entstehen, die Schäden an der Ausrüstung verursachen könnten.

Abbildung 3: Analyse von Ausfällen der Kühlsysteme

D. Analyse von Luftlecks

Ähnlich wie bei der Analyse des ersten Betriebstags stehen Multi-Tenant-Rechenzentren vor der Herausforderung, dass Server unterschiedlich genutzt werden. Ein vollständiger Server-Rack kann manchmal ungenutzt bleiben. Um den Luftstrom an leeren Rack-Positionen zu blockieren, werden in der Regel Blendenplatten eingesetzt.

Eine CFD-Simulation des Rechenzentrums kann durchgeführt werden, um die optimalen Positionen von leeren Racks zu bestimmen. Diese Analyse hilft, die Auswirkungen von Luftlecks zu bewerten, beispielsweise kalte Luft, die in den warmen Gang gelangt, oder warme Luft, die in den kalten Gang eindringt, insbesondere wenn Funktionen zur Trennung von Gängen genutzt werden. Dies trägt dazu bei, die Effizienz des Kühlsystems aufrechtzuerhalten und den Energieverbrauch zu optimieren.


Abbildung 4: Analyse von Luftlecks

Die CFD-Analyse ist ein vergleichsweise kostengünstiges Mittel, um eine Vielzahl von Szenarien zu planen. Dadurch können Designteams so viele Szenarioanalysen wie gewünscht durchführen – sei es vor der Bauphase oder zu einem späteren Zeitpunkt. Ziel ist es, Risiken zu minimieren und potenzielle Ausfälle in einer so kritischen Umgebung zu bewältigen.

Die CFD-Experten von IES Consulting nutzen eine Kombination aus IESVE und unserer Partner-CFD-Software, die auf den OpenFOAM®-Bibliotheken basiert. Diese Tools ermöglichen eine breite Palette komplexer Analysen, auch unter schwierigsten Umweltbedingungen, etwa in den Bereichen:

  • Rechenzentren
  • Kühlhäuser
  • Reinräume
  • Externe Schadstoffausbreitung
  • Fußgängerkomfort in allen Klimazonen

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