Estudos de dimensionamento e de urbanização de um centro de dados: vários cenários de crise testados para validar a resiliência dos sistemas de climatização.
A EOLIOS Engenharia realizou os estudos de dimensionamento e de urbanização de um centro de dados. Foram estudados vários cenários de crise para testar a resiliência dos sistemas de climatização.
O essencial. Estudos de dimensionamento e de urbanização do data hall DC10 (cliente Equinix, Saint-Denis) por simulação CFD. Os primeiros estudos não eram compatíveis com as normas ASHRAE que regem o local e foi identificado um risco de ponto quente: algumas grelhas de pavimento próximas das paredes ficavam em sobrecaudal, subdimensionando grelhas decisivas junto a um servidor de grande potência. Após a otimização do posicionamento das grelhas e a verificação da ausência de ponto quente, foram estudados vários cenários, até à evolução das temperaturas em caso de corte da rede concessionária e de reativação dos sistemas de emergência.
No ambiente dos centros de dados de muito grande escala, são necessários padrões de sistemas de refrigeração capazes de responder às necessidades evolutivas do IT, devido à densidade crescente dos equipamentos (mais de 10 kW / baia). Evacuar o calor dos equipamentos de alta densidade é um ponto-chave.
Isto implica simular numericamente o comportamento termo-aeráulico dos diferentes fenómenos que ocorrem no hall, em ligação com os processos IT e os sistemas de climatização.
No centro da missão está a construção de um gémeo digital do data hall: uma réplica virtual fiel da sala, das suas baias e do conjunto dos sistemas de tratamento de ar. Este modelo é construído a partir das plantas do local, das maquetas 3D e das fichas técnicas dos equipamentos, das quais se extraem os caudais de ar insuflados, as potências dissipadas por baia e os pontos de regulação de temperatura.
Uma vez alimentado por estes dados, o gémeo digital reproduz o comportamento termo-aeráulico da sala e serve de banco de ensaios virtual: nele testam-se configurações de urbanização, cenários de exploração e situações de crise sem nunca perturbar a produção.
Representação virtual e dinâmica de uma instalação real, alimentada pelos seus dados de conceção e de exploração. Num centro de dados, permite reproduzir por cálculo o comportamento do ar e das temperaturas, antecipar os pontos quentes e testar os cenários de avaria antes de ocorrerem.
Princípio de urbanização das salas de servidores que consiste em alternar corredores de aspiração de ar frio e corredores de rejeição de ar quente. Evita a mistura dos fluxos, limita a recirculação e condiciona diretamente a eficiência da refrigeração.
A mecânica dos fluidos computacional (CFD) divide o volume de ar da sala numa malha de células de cálculo, e depois resolve em cada ponto as equações de escoamento e de transferência de calor. Restitui assim a velocidade do ar, a temperatura e a pressão em cada ponto do data hall, das grelhas de pavimento até às entradas das baias.
Levantamento e modelação: geometria da sala, urbanização das baias, sistemas de insuflação e de retorno.
Malha: divisão do volume de ar, refinada junto às grelhas e às entradas das baias.
Condições de fronteira: caudais insuflados, potências dissipadas por baia, pontos de regulação dos sistemas de climatização.
Exploração: cartografias de temperatura e de velocidade, verificação da conformidade com as faixas ASHRAE e deteção dos pontos quentes.
Recomendações da ASHRAE que enquadram as faixas de temperatura e de higrometria admissíveis à entrada dos equipamentos informáticos. Servem de referencial para julgar se uma configuração de refrigeração é aceitável.
Os resultados dos primeiros estudos não eram compatíveis com as normas ASHRAE que regem o local, e foi identificado um risco de ponto quente. Algumas grelhas de pavimento próximas das paredes podiam apresentar um transbordo, conduzindo a um subdimensionamento de grelhas decisivas situadas junto a um servidor de forte potência.
Após a otimização do posicionamento das grelhas e a verificação da ausência de pontos quentes, foram estudados vários cenários.
A reter. O bom posicionamento das grelhas de insuflação é determinante: um transbordo local pode subalimentar uma baia crítica e criar um ponto quente.
Numa sala em pavimento sobrelevado, o espaço situado sob as placas funciona como plénum de insuflação: o ar frio é aí posto em pressão pelos climatizadores de precisão, e depois restituído nos corredores frios por grelhas perfuradas ou placas de caudal regulável. O desempenho da refrigeração depende menos da potência de frio instalada do que da distribuição desse ar ali onde os servidores dele precisam.
Duas grandezas governam esta distribuição: a pressão estática no plénum e a taxa de perfuração (ou de abertura) das placas. Uma grelha colocada demasiado perto de um climatizador situa-se numa zona onde o ar circula depressa e onde a pressão estática é fraca, o que pode reduzir o seu caudal, ou até provocar uma aspiração inversa que faz descer ar quente ao plénum. Pelo contrário, uma grelha colocada no fim do plénum, onde a pressão é restabelecida, pode ficar em sobrecaudal em detrimento das vizinhas.
Volume situado sob as placas do pavimento sobrelevado, posto em pressão pelos climatizadores e usado para distribuir o ar frio pelos corredores. A sua altura, o seu congestionamento (cabos, condutas) e a implantação das grelhas determinam a pressão disponível em cada ponto.
Proporção de superfície aberta de uma placa de pavimento sobrelevado (grelha perfurada ou de registo). Fixa o caudal de ar entregue para uma dada pressão de plénum: demasiado elevada junto aos climatizadores, desequilibra a distribuição; bem repartida, alinha o caudal pela carga térmica das baias.
O desafio consiste em alinhar o caudal de ar frio pela carga térmica de cada baia, preservando ao mesmo tempo uma pressão de plénum homogénea. A simulação CFD permite objetivar estas escolhas, baia a baia:
Posicionar as grelhas apenas nos corredores frios, defronte das entradas de ar dos servidores, nunca nos corredores quentes onde desperdiçariam o ar frio.
Evitar a proximidade imediata dos climatizadores, onde a fraca pressão estática degrada, ou até inverte, o caudal das primeiras grelhas.
Dosear a taxa de perfuração e recorrer a placas de registo regulável para reforçar o caudal defronte das baias de forte potência.
Desimpedir o plénum dos obstáculos (caminhos de cabos, condutas) que criam perdas de carga e zonas de subpressão.
Conter a sobrepressão no fim da fila para evitar o transbordo das grelhas afastadas em detrimento das grelhas decisivas.
A reter. Uma grelha de pavimento sobrelevado só traz frio útil se a pressão do plénum e a sua taxa de perfuração forem coerentes com a carga da baia que serve. A boa colocação, validada pela CFD, prevalece sobre o acréscimo de potência de frio.
Foram simulados vários cenários: cenários de uso padrão e cenários de avaria ou de manutenção. Por fim, estudámos a evolução das temperaturas da sala ao longo do tempo em caso de corte da rede concessionária e de reativação dos diferentes sistemas de emergência.
Enquanto uma simulação em regime permanente descreve a sala estabilizada num dado instante, o estudo transitório calcula a evolução das temperaturas segundo a segundo durante um acontecimento. É o único meio de responder à verdadeira questão de resiliência: em caso de perda da refrigeração, de quanto tempo se dispõe antes de os servidores ultrapassarem os seus limiares críticos?
O cenário dimensionante é o corte da rede concessionária. No instante da comutação, os climatizadores de precisão param enquanto os grupos electrogéneos arrancam e retomam a carga, ao passo que os servidores continuam a dissipar toda a sua potência. A temperatura do ar na sala sobe então muito depressa, tanto mais que a inércia térmica disponível no plénum e no volume de ar é fraca face às densidades em jogo.
Simulação instacionária que resolve a evolução dos campos de temperatura e de velocidade ao longo do tempo, a partir de um estado inicial e de uma cronologia de acontecimentos. Quantifica as velocidades de subida em temperatura e os prazos antes da ultrapassagem dos limiares, ali onde um estudo permanente apenas dá um estado fixo.
Capacidade das massas presentes (ar, estruturas, equipamentos) para amortecer uma variação de temperatura. Fraca num data hall denso, deixa pouca margem: algumas dezenas de segundos bastam por vezes para atingir os limiares em caso de paragem da refrigeração.
O estudo reconstitui toda a cronologia de reposição: paragem do frio, temporização de arranque dos grupos, reinício dos ventiladores e depois restabelecimento progressivo dos pontos de regulação. Ao seguir a evolução baia a baia, a simulação evidencia as zonas que atingem primeiro os seus limites e verifica que nenhuma ultrapassa os limiares antes do regresso da refrigeração.
Velocidade de subida em temperatura por zona, desde o instante do corte.
Prazo antes do limiar crítico comparado com o tempo de comutação dos sistemas de emergência.
Cinética de regresso ao ponto de regulação após a reativação dos grupos e dos ventiladores.
Zonas mais expostas, a tratar prioritariamente pela urbanização ou pela redundância.
A reter. A resiliência de um data hall não se avalia no equilíbrio mas na transição: o estudo transitório confronta o prazo antes do limiar crítico com o tempo de reposição das emergências, e prova a tenacidade da sala antes do incidente real.
Ao reproduzir cada configuração por cálculo, o gémeo digital permite fiabilizar o dimensionamento e a urbanização da sala antes de qualquer intervenção física. As correções, como o reposicionamento das grelhas, são validadas virtualmente, o que reduz o risco de erro em exploração.
Antecipação dos pontos quentes e verificação da conformidade com as faixas ASHRAE.
Teste dos cenários de crise (avaria, manutenção, corte de rede) sem risco para a produção.
Otimização da urbanização das baias e da insuflação para uma melhor eficiência de refrigeração.
Suporte de decisão duradouro: o modelo pode ser reutilizado a cada evolução da sala.
A reter. O gémeo digital transforma a refrigeração de um data hall num problema mensurável: cada cenário testa-se virtualmente antes de ser implementado, o que assegura a disponibilidade da sala.
Normas ASHRAE, posicionamento das grelhas e cenários de crise: as respostas às questões que exploradores e projetistas colocam antes de um estudo CFD interno.
Realizar os estudos de dimensionamento e de urbanização do data hall e testar a resiliência dos sistemas de climatização através de vários cenários de crise, simulando o comportamento termo-aeráulico dos fenómenos do hall, como no nosso estudo interno do centro de dados DC28.
O resultado dos primeiros estudos não era compatível com as normas ASHRAE que regem o local e foi identificado um risco de ponto quente: algumas grelhas de pavimento próximas das paredes ficavam em sobrecaudal, provocando um subdimensionamento de grelhas determinantes junto a um servidor de grande potência.
Pela otimização do posicionamento das grelhas, e depois pela verificação da ausência de ponto quente antes de estudar os diferentes cenários.
Cenários de uso padrão e cenários do tipo avaria ou manutenção, assim como a evolução das temperaturas do local ao longo do tempo em caso de corte da rede concessionária e de reativação dos diferentes sistemas de emergência.
Com densidades que podem ultrapassar 10 kW por baia, evacuar o calor dos equipamentos informáticos de alta densidade é um ponto-chave para estes centros de dados, o que obriga a simular o comportamento termo-aeráulico do hall.
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Modelo CFD 3D do data hall: dimensionamento, otimização das grelhas e cenários de crise (corte de rede, reativação das emergências).
Gémeo digitalEstudo data center – Data Hall e Instalações UPS
Controlo de fumosEngenharia de extração de fumos num centro de dados
ExternoDC23 – Externo
HiperescalaCFD externo & interno – Centro de dados em hiperescala
OtimizaçãoOtimização CFD – Centro de dados
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