Estudios de dimensionamiento y de urbanización de un centro de datos: varios escenarios de crisis probados para validar la resiliencia de los sistemas de climatización.
EOLIOS Ingeniería realizó los estudios de dimensionamiento y de urbanización de un centro de datos. Se estudiaron varios escenarios de crisis con el fin de probar la resiliencia de los sistemas de climatización.
Lo esencial. Estudios de dimensionamiento y urbanización del data hall DC10 (cliente Equinix, Saint-Denis) mediante simulación CFD. Los primeros estudios no eran compatibles con las normas ASHRAE que rigen el sitio y se identificó un riesgo de punto caliente: algunas rejillas de suelo próximas a los muros se desbordaban, subdimensionando rejillas decisivas cercanas a un servidor de gran potencia. Tras optimizar la ubicación de las rejillas y verificar la ausencia de puntos calientes, se estudiaron varios escenarios, hasta la evolución de las temperaturas en caso de corte de la red eléctrica y reactivación de los sistemas de emergencia.
En el entorno de los centros de datos a muy gran escala, se necesitan estándares de sistemas de refrigeración capaces de responder a las necesidades cambiantes de la IT, debido a la densidad creciente de los equipos (más de 10 kW / rack). Evacuar el calor de los equipos de alta densidad es un punto clave.
Esto implica simular numéricamente el comportamiento termo-aeráulico de los distintos fenómenos que se producen en la sala, en relación con los procesos IT y los sistemas de climatización.
En el corazón de la misión está la construcción de un gemelo digital del data hall: una réplica virtual fiel de la sala, de sus racks y del conjunto de los sistemas de tratamiento de aire. Este modelo se construye a partir de los planos del sitio, de las maquetas 3D y de las fichas técnicas de los equipos, de las que se extraen los caudales de aire impulsados, las potencias disipadas por rack y las consignas de temperatura.
Una vez alimentado con estos datos, el gemelo digital reproduce el comportamiento termo-aeráulico de la sala y sirve de banco de pruebas virtual: se ensayan en él configuraciones de urbanización, escenarios de explotación y situaciones de crisis sin perturbar nunca la producción.
Representación virtual y dinámica de una instalación real, alimentada por sus datos de diseño y explotación. En un centro de datos, permite reproducir por cálculo el comportamiento del aire y de las temperaturas, anticipar los puntos calientes y probar los escenarios de avería antes de que se produzcan.
Principio de urbanización de las salas de servidores que consiste en alternar pasillos de aspiración de aire frío y pasillos de expulsión de aire caliente. Evita la mezcla de flujos, limita la recirculación y condiciona directamente la eficiencia de la refrigeración.
La mecánica de fluidos computacional (CFD) divide el volumen de aire de la sala en una malla de celdas de cálculo, y luego resuelve en cada punto las ecuaciones de flujo y de transferencia de calor. Restituye así la velocidad del aire, la temperatura y la presión en todo punto del data hall, desde las rejillas de suelo hasta las entradas de los racks.
Levantamiento y modelización: geometría de la sala, urbanización de los racks, sistemas de impulsión y retorno.
Mallado: división del volumen de aire, refinado a la altura de las rejillas y las entradas de los racks.
Condiciones de contorno: caudales impulsados, potencias disipadas por rack, consignas de los sistemas de climatización.
Explotación: mapas de temperatura y velocidad, verificación de la conformidad con los rangos ASHRAE e identificación de los puntos calientes.
Recomendaciones de la ASHRAE que enmarcan los rangos de temperatura y humedad admisibles a la entrada de los equipos informáticos. Sirven de referencia para juzgar si una configuración de refrigeración es aceptable.
Los resultados de los primeros estudios no eran compatibles con las normas ASHRAE que rigen el sitio, y se identificó un riesgo de punto caliente. Algunas rejillas de suelo próximas a los muros podían presentar un desbordamiento, provocando un subdimensionamiento de rejillas decisivas situadas cerca de un servidor de gran potencia.
Tras la optimización de la ubicación de las rejillas y la comprobación de la ausencia de puntos calientes, se estudiaron varios escenarios.
A recordar. La correcta ubicación de las rejillas de impulsión es determinante: un desbordamiento local puede subalimentar un rack crítico y crear un punto caliente.
En una sala con suelo técnico, el espacio situado bajo las baldosas actúa como plénum de impulsión: el aire frío se presuriza allí mediante los climatizadores de precisión, y luego se restituye en los pasillos fríos a través de rejillas perforadas o baldosas de caudal regulable. El rendimiento de la refrigeración depende menos de la potencia frigorífica instalada que de la distribución de ese aire allí donde los servidores lo necesitan.
Dos magnitudes gobiernan esta distribución: la presión estática en el plénum y el índice de perforación (o de apertura) de las baldosas. Una rejilla situada demasiado cerca de un climatizador se encuentra en una zona donde el aire circula rápido y la presión estática es baja, lo que puede reducir su caudal, o incluso provocar una aspiración inversa que hace descender aire caliente al plénum. A la inversa, una rejilla situada al final del plénum, donde la presión se ha restablecido, puede acabar en sobrecaudal en detrimento de sus vecinas.
Volumen situado bajo las baldosas del suelo técnico, presurizado por los climatizadores y usado para distribuir el aire frío hacia los pasillos. Su altura, su saturación (cables, tuberías) y la disposición de las rejillas determinan la presión disponible en cada punto.
Proporción de superficie abierta de una baldosa de suelo técnico (rejilla perforada o con compuerta). Fija el caudal de aire entregado para una presión de plénum dada: demasiado elevado cerca de los climatizadores, desequilibra la distribución; bien repartido, alinea el caudal con la carga térmica de los racks.
El reto consiste en alinear el caudal de aire frío con la carga térmica de cada rack, preservando al mismo tiempo una presión de plénum homogénea. La simulación CFD permite objetivar estas decisiones, rack por rack:
Ubicar las rejillas solo en los pasillos fríos, frente a las entradas de aire de los servidores, nunca en los pasillos calientes donde desperdiciarían aire frío.
Evitar la proximidad inmediata de los climatizadores, donde la baja presión estática degrada, o incluso invierte, el caudal de las primeras rejillas.
Dosificar el índice de perforación y recurrir a baldosas con compuerta regulable para reforzar el caudal frente a los racks de gran potencia.
Despejar el plénum de obstáculos (bandejas de cables, tuberías) que crean pérdidas de carga y zonas de depresión.
Contener la sobrepresión al final de la fila para evitar el desbordamiento de las rejillas alejadas en detrimento de las decisivas.
A recordar. Una rejilla de suelo técnico solo aporta frío útil si la presión del plénum y su índice de perforación son coherentes con la carga del rack al que sirve. La correcta ubicación, validada por la CFD, prevalece sobre la adición de potencia frigorífica.
Se simularon varios escenarios: escenarios de uso estándar y escenarios de avería o de mantenimiento. Por último, estudiamos la evolución de las temperaturas de la sala en el tiempo en caso de corte de la red eléctrica y de reactivación de los distintos sistemas de emergencia.
Allí donde una simulación en régimen permanente describe la sala estabilizada en un instante dado, el estudio transitorio calcula la evolución de las temperaturas segundo a segundo durante un evento. Es la única forma de responder a la verdadera pregunta de resiliencia: en caso de pérdida de la refrigeración, ¿de cuánto tiempo se dispone antes de que los servidores superen sus umbrales críticos?
El escenario dimensionante es el corte de la red eléctrica. En el momento de la conmutación, los climatizadores de precisión se detienen mientras los grupos electrógenos arrancan y retoman la carga, mientras que los servidores siguen disipando su plena potencia. La temperatura del aire en la sala sube entonces muy rápido, tanto más cuanto que la inercia térmica disponible en el plénum y el volumen de aire es baja frente a las densidades en juego.
Simulación no estacionaria que resuelve la evolución de los campos de temperatura y velocidad a lo largo del tiempo, a partir de un estado inicial y de una cronología de eventos. Cuantifica las velocidades de subida de temperatura y los plazos antes de superar los umbrales, allí donde un estudio permanente solo da un estado congelado.
Capacidad de las masas presentes (aire, estructuras, equipos) para amortiguar una variación de temperatura. Baja en un data hall denso, deja poco margen: unas decenas de segundos bastan a veces para alcanzar los umbrales si se detiene la refrigeración.
El estudio reconstruye toda la cronología de restablecimiento: parada del frío, temporización de arranque de los grupos, reinicio de los ventiladores y luego restablecimiento progresivo de las consignas. Al seguir la evolución rack por rack, la simulación pone de manifiesto las zonas que alcanzan primero sus límites y verifica que ninguna supere los umbrales antes del retorno de la refrigeración.
Velocidad de subida de temperatura por zona, desde el instante del corte.
Plazo antes del umbral crítico comparado con el tiempo de conmutación de los sistemas de emergencia.
Cinética de retorno a la consigna tras el reinicio de los grupos y los ventiladores.
Zonas más expuestas, a tratar de forma prioritaria mediante la urbanización o la redundancia.
A recordar. La resiliencia de un data hall no se juzga en el equilibrio sino en la transición: el estudio transitorio confronta el plazo antes del umbral crítico con el tiempo de restablecimiento de los sistemas de emergencia, y prueba la resistencia de la sala antes del incidente real.
Al reproducir cada configuración mediante cálculo, el gemelo digital permite fiabilizar el dimensionamiento y la urbanización de la sala antes de cualquier intervención física. Las correcciones, como el reposicionamiento de las rejillas, se validan virtualmente, lo que reduce el riesgo de error en explotación.
Anticipación de los puntos calientes y verificación de la conformidad con los rangos ASHRAE.
Prueba de los escenarios de crisis (avería, mantenimiento, corte de red) sin riesgo para la producción.
Optimización de la urbanización de los racks y de la impulsión para una mejor eficiencia de refrigeración.
Soporte de decisión duradero: el modelo puede reutilizarse en cada evolución de la sala.
A recordar. El gemelo digital convierte la refrigeración de un data hall en un problema medible: cada escenario se prueba virtualmente antes de implementarse, lo que asegura la disponibilidad de la sala.
Normas ASHRAE, ubicación de las rejillas y escenarios de crisis: las respuestas a las preguntas que se hacen operadores y proyectistas antes de un estudio CFD interno.
Realizar los estudios de dimensionamiento y urbanización del data hall y probar la resiliencia de los sistemas de climatización mediante varios escenarios de crisis, simulando el comportamiento termo-aeráulico de los fenómenos de la sala, como en nuestro estudio interno del centro de datos DC28.
El resultado de los primeros estudios no era compatible con las normas ASHRAE que rigen el sitio y se identificó un riesgo de punto caliente: algunas rejillas de suelo próximas a los muros se desbordaban, causando un subdimensionamiento de rejillas determinantes cercanas a un servidor de gran potencia.
Mediante la optimización de la ubicación de las rejillas, y luego la verificación de la ausencia de puntos calientes antes de estudiar los distintos escenarios.
Escenarios de uso estándar y escenarios de tipo avería o mantenimiento, así como la evolución de las temperaturas de la sala en el tiempo en caso de corte de la red eléctrica y de reinicio de los distintos sistemas de emergencia.
Con densidades que pueden superar los 10 kW por rack, evacuar el calor de los equipos informáticos de alta densidad es un punto clave para estos centros de datos, lo que obliga a simular el comportamiento termo-aeráulico de la sala.
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Modelo CFD 3D del data hall: dimensionamiento, optimización de las rejillas y escenarios de crisis (corte de red, reactivación de los equipos de emergencia).
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