Комплексного моделирования на этапе проектирования ЦОДа

Математическое Моделирование от профессионалов

Оптимизация PUE и устранение возможных инцидентов на этапе проектирования ЦОДа c помощью комплексного моделирования

Выбор оптимального и правильного решения на этапе проектирования центра обработки данных (ЦОД), находящегося в конкретных климатических условиях и конкретном месте, перестает быть вопросом из серии «угадали — не угадали», а становится делом строгой математики и компьютерного моделирования.

Дарья Денисихина, заместитель генерального директора компании «ММ-Технологии», кандидат ф.-м. наук, LEED AP BD+C
Дмитрий Мацкевич, независимый эксперт

 

Комплексное моделирование — подход, который должен сопровождать любой современный процесс проектирования ЦОДа. Когда заказчик выбирает в пользу того или иного решения по охлаждению ЦОДа, его выбор определяется по следующим критериям.

Во-первых, система охлаждения должна обеспечить подачу необходимого количества холодного воздуха и поддержать температуру в заданных пределах. Причем это не только обеспечение средних температур, но и, что весьма важно, отсутствие флуктуаций температуры на входе в стойки с ИТ-оборудованием, иначе это прямой путь к авариям.
Второй критерий при выборе проектного решения — энергоэффективность охлаждения ЦОДа. То есть необходимо точное знание того, насколько больше или меньше будет энергопотребление инженерных систем ЦОДа в течение года в сравнении с теоретическим расчетным значением.

Таким образом, есть два направления анализа и выбора решений, два фокуса моделирования — энергетическое моделирование и анализ распределения температуры.

Энергомоделирование

Энергетическое моделирование ЦОДа — это уникальная возможность рассмотреть на этапе проектирования различные варианты схем охлаждения, увидеть особенности функционирования ЦОДа в течение года при реализации каждого из решений, учесть неравномерность загрузки серверного оборудования, сделать выводы об эффективности тех или иных решений, оправданности инвестиций в то или иное климатическое оборудование.

Инструментом такой оценки может быть одна из множества программ энергетического моделирования. Такие программы позволяют в той или иной степени детализации смоделировать функционирование любого здания в течение расчетного периода времени (как правило, это расчетный год). При этом учитываются почасовые погодные изменения, такие как температура, влажность, скорость и направление ветра, солнечная радиация и пр.

Анализ реального PUE, полученного с учетом изменяющихся загрузок оборудования и погодных данных, позволяет получить достоверную картину фактического функционирования ЦОДа. Это те реальные значения энергопотребления, которые собственник дата-центра будет иметь при эксплуатации своего объекта.

В частности, что касается PUE. Этот параметр принято анализировать при максимальной постоянной нагрузке ЦОДа, и это будет одно значение. Но по факту, когда ЦОД начинает эксплуатироваться, загрузка у него частичная — по определенному профилю. При этом значение PUE становится отличным от того, которое было определено расчетным путем. Как правило, оно непостоянно во времени и сильно зависит от погодных условий.

Например, такие расчеты можно сделать для решений с внутрирядным охлаждением, при использовании камеры смешения, для фрикулинга или распределенного охлаждения. В результате для каждого из конкретных решений будет сделан анализ того, как изменяется годовое потребление. Соответственно будет изменяться и PUE. Определив среднегодовое значение PUE, можно понять, какой вариант системы поддержания микроклимата наиболее эффективен для данного ЦОДа.  Анализируя же характер изменения PUE в течение года, можно разработать пути оптимизации системы охлаждения для достижения наибольшей эффективности.

По сути, энергомоделирование — это мощнейший инструмент для проигрывания сценария жизни ЦОДа еще на этапе его проектирования.

Анализ распределения температуры

Охлаждение ЦОД с помощью камеры смешения ЦОДПосле того как сделан выбор схемы охлаждения, важно убедиться, что решение обеспечивает необходимое количество подаваемого воздуха с требуемой равномерностью полей температуры. В случае недостаточной подачи воздуха к оборудованию воздух будет заимствоваться ИТ-оборудованием из горячей зоны, и, как следствие, возникнет перегрев. В частности, такая проблема может возникнуть при высоких скоростях в пространстве фальшпола.

Численное моделирование (CFD-подход) позволяет провести анализ распределения температуры, скорости в объеме фальшпола, получить температуры на входе в каждую стойку, выявить зоны «перетекания» горячего воздуха в зону холодного коридора, своевременно разработать пути устранения обнаруженных проблем.

Камера смешения

С точки зрения энергоэффективности применение камеры смешения (т. е. использования потенциала наружного воздуха для охлаждения) — это хорошее решение, которое позволяет получать достаточно низкий PUE. Тем не менее распространенная проблема, с которой неоднократно приходилось сталкиваться при анализе уже
готового проекта, — это конфигурация камеры смешения.

Так, в одном из проектов рециркуляционный горячий воздух, попадая в камеру смешения, должен был смешаться с поступающим туда холодным наружным воздухом и далее, после «полного» смешения, поступить в объем ЦОДа.

Однако анализ показал, что воля проектировщика не смогла заставить теплый воздух опуститься вниз. Проектировщик честно по алгебраической формуле указал расчетную температуру смешения воздуха в камере. Он был искренне уверен, что в камере смешения потоки разных температур равномерно смешиваются. Однако при проверке с использованием методов CFD-моделирования оказалось, что теплый воздух практически весь уходит наружу, а вентиляторы, которые работали на общий расход, просто стали забирать больший объем наружного холодного воздуха. В итоге в объем ЦОДа поступал воздух с отрицательной температурой. Хорошо еще, что это было обнаружено на этапе проектирования, а не во время строительства. В итоговое решение были добавлены перегородки внутри камеры смешения. Модификация позволила нормально смешивать воздух, предотвращая вытекание теплого воздуха наружу из камеры смешения. В результате в объем ЦОДа стал поступать воздух с равномерной положительной температурой.

Выводы

Комплексный подход к моделированию дает возможность проанализировать различные решения по охлаждению ЦОДа с точки зрения эффективности, рассчитать реальный коэффициент PUE, проверить равномерность температур во избежание аварий и выхода из строя оборудования. Анализ различных проектных решений позволяет выбрать наиболее эффективное решение в конкретной географической зоне и проверить качество воздушной среды, предотвратив тем самым возможные аварии.

Такой анализ можно проводить не только на этапе проектирования, но и для уточнения и оптимизации уже построенного ЦОДа. Ведь та модель, которая получена на этапе проектирования дата-центра, может быть уточнена, например, с помощью учета фактического профиля загрузки ЦОДа. После этого проводится математический анализ работы существующего ЦОДа
и поиск оптимизационных решений. Это еще один путь, позволяющий оператору дата-центра сэкономить значительные средства.