Thermal Assessment in Data Center Fyrabig Info AFC Contaminant Control Juni 2009

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1 Thermal Assessment in Data Center Fyrabig Info AFC Contaminant Control Juni 2009

2 AFC Fyrabig Info Kennenlernen von AFC - Know-How & Dienstleistungen - Mitarbeiter Neuigkeiten bei AFC Kontaktpflege, Geselligkeit, Austausch & Networking Wissenstransfer In regelmässigen Abständen (ca. alle 2 Monate) Jeweils in Zürich und Bern Programm & Daten auf Heute: - Thermal Assessment in Data Center - Apero und Diskussion 2

3 1. Fyrabig Info: AFC Engineering Thema: Anwendungen der Crash- und Explosionssimulationen 3

4 Über uns Geschichte 1995 Spin-Off, ETH Zürich 2000 AFC Air Flow Consulting AG Heute 20 Mitarbeiter Zürich - Bern - Luzern (Sachseln) 4

5 AFC Air Flow Consulting AG 5

6 AFC Contaminant Control Reinraum - Schutz des Produkts vor Verunreinigung Industrielüftung - Schutz von Personen vor Schadstoffen Schadstoffausbreitung - Industriekamine PKW-Abgas (CO) - Parkgaragen Rechenzenter - Contaminant = Wärme 6

7 Teilnehmermix am Fyrabiginfo Data Center Hochschule 8% HW- Lieferanten / Hersteller 22% Planer 45% RZ- / Gebäudebetreiber 25% 7

8 Spannungsfeld der Anforderungen Anforderungen / Bedarf Benutzer (Mobile Phone, Google etc.) Dienstleistungen (E-Commerce, Web) Zugang (Remote Access) Strom Kosten Platzbedarf Wärme Watt pro Quadratmeter next Generation Quelle: Sun Microsystems 8

9 Vergleich Energieverbrauch / CO 2 Footprint Ein einzelner Server erzeugt ein CO2 aequivalent eines typischen Mittelklassewagen der 1 Jahr gefahren wird IT Energieverbrauch entspricht ca. 2-4% des globalen Energieverbrauchs Entspricht dem CO2 Ausstoss der gesamten Luftfahrtindustrie oder ca Tonnen CO2 Quelle: Sun Microsystems 9

10 Entwicklung Kosten Kosten für Server vs. Power & Cooling Power / Cooling Server Quelle: Sun Microsystems (IDCW/Wo Nr. 28,2007) 10

11 Stromverbrauch IT vs. Klimaanlage / Stromversorgung Hardware / IT 48% Kühlung Beleuchtung ULK Klimaanlage 37% Power 15% Stromverteilung USV 11

12 Definition PUE (Power Usage Effectiveness) Zeigt das Optimierungspotential im Rechenzentrum Vergleich des Gesamtenergiebedarfs zum Verbrauch der IT PUE = Gesamtenergieverbrauch RZ Energieverbrauch IT Zielwert Aktueller Wert effizient ineffizient Quelle: Lawrence Berkley National Laboratory 12

13 Einsparpotenziale in der IT RZ PUE = 2.2 Server Hardware CPU Auslastung Kühlung / Power 55% Strom IT 45% Stromum formung etc. 70% CPU 30% Mittlere Auslastung 1-2% Effizientere Kühlung Energieversorgung Optimierte Server Hardware und Design Energiemanagement Verringerung ungenutzer Kapazitäten, Virtualisierung 13

14 Bedarf Schweiz Rechenzentren in Deutschland: ca Ca kleine & mittlere Rechenzentren in der Schweiz Oft Gewachsene Strukturen Oft Verbesserungen mit einfachen Mitteln möglich Investitionen werden schnell amortisiert 14

15 AFC-Leistungen im Data Center Thermalanalyse (Thermal Assessment) - Bestandesaufnahme - Inventarisierung - Messungen Temperaturen (lokal & flächig - Thermografie) Geschwindigkeiten Luftvolumenströme Visualisierung der Luftströmung (Rauch für IT unschädlich) - Empfehlungen zur Umsetzung Überprüfung und Optimierung mit Simulation - Thermische Gebäudesimulation - Strömungssimulation CFD - Abbildung der Ist-Situation auf Basis der Bestandesaufnahme - Variantenstudie zur Beurteilung der geplanten Massnahmen Unabhängige und neutrale Beratung 15

16 Thermal Assessment Bestandesaufnahme auf Basis Begehung: - Fotodokumentation - Vorhandene Plangrundlagen - Herstellerangaben Kühlung - Angaben IT Hardware (Leistung / Luftmengen) 16

17 Thermal Assessment Inventarisierung Klima- und Racks Inventarisierung Lufteinlässe und Kartierung / Update Grundriss 17

18 Thermal Assessment Detaillierter Basisplan mit allen relevanten Angaben zum RZ Inventarliste der IT vom RZ-Betreiber oder separat erhoben 18

19 Thermal Assessment Racks D8 und D7, Kaltseite Die Racks weisen Temperaturen von ca. 29 C auf Deutlich sichtbar Temperaturgradient zwischen Warm- und Kaltseite 30.3 C 30.9 C 29.7 C 29.6 C 19

20 Thermal Assessment Racks D8, Warmseite Das Rack weist Temperaturen von > 40 C auf >40.0 C 20

21 Thermal Assessment Racks F9 bis F7, Kaltseite Die Racks weisen im obersten Bereich Temperaturen von > 30 C auf Keine Blenden für offene Durchgänge Rezirkulation 15.0 C 31.2 C 29.8 C 21

22 Thermal Assessment Darstellung der Temperaturverteilung in einem Gang 22

23 Thermal Assessment Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung in Gang 23

24 Thermal Assessment Massnahmen und Empfehlungen dokumentieren - Sofortmassnahmen Abdichtung Leckagen Grobe Konzeptanpassung zu Kalt-/ Warmgang Anpassungen Luftführung - Mittelfristige Anpassungen Teilerneuerung in ausgelagerten neu geplanten RZ-Teil - Langfristige Planung Gesamtkonzept für Ersatz bestehende Installation Beurteilung der Wirksamkeit der geplanten Massnahmen - Was bringen die geplanten Massnahmen? - Information liefert eine Simulation: Ausgangsbasis: Simulation der Ist-Situation Simulation der Massnahmen zur Quantifizierung der Wirkung 24

25 Warum Simulationen? Oft sind Prototypen und Versuche extrem aufwendig & teuer Oft sind Prototypen nicht möglich (Gebäudetechnik) Simulation hilft zur Planungssicherheit 25

26 CFD Computational Fluid Dynamics Konzept CAD-Modell Doppeldiffusor Ergebnis Berechnungsgitter Berechnung 26

27 CFD Computational Fluid Dynamics Berechnung 27

28 CFD Computational Fluid Dynamics Anwendung in allen Industriebereiche Standard Einsatz von CFD in der Gebäudetechnik beträgt gesamthaft weniger als 5% Häufige Einsatzgebiete: - Bauklimatik (Komfort) - Durchströmung Doppelfassaden - Brandschutz (Entrauchung) - Reinraum & Industrielüftung Tendenz der Anwendung von Simulation & CFD in der Gebäudetechnik ist steigend 28

29 Einsatzbereich der Simulation im RZ Kälteerzeugung Serverkomponente Gebäude Rechenzentrum Server Serverrack 29

30 Stromlinien in einem 1U-Server Optimierung wird durch die Hersteller gemacht 30

31 Server Rack Analyse der Luftströmung in und um ein einzelnes Rack Detaillierungsgrad bis zum einzelnen Server - Ansaugung - Wärmeabgabe - Ausblasung Luftführung im Rack Risiko von Rezirkulation, Ansaugung von Warmluft Geometrie CAD-Modell Berechnungsgitter 31

32 Server Rack 32

33 Gesamtes RZ Abbildung des bestehenden RZ als Simulationsmodell - Grundlage Bestandesaufnahme / Inventarisierung - Detailliertes 3D-Modell - Erstellen des Berechnungsgitters und Berechnungsmodell mit allen Randbedingungen 33

34 Gesamtes RZ Ist-Situation 34

35 Gesamtes RZ Ist-Situation Vergleich Thermografie 35

36 Gesamtes RZ Modifikationen: - Trennwände - Anpassung Anordnung der Kühlgeräte - Anpassung Zuluftpositionen 36

37 Gesamtes RZ Deutliche Verbesserung trotz nicht optimaler Abtrennung 37

38 Doppelboden RZ 38

39 Doppelboden RZ 39

40 Simulation Kälteerzeugung Hybridkühler Fragestellung: - Einfluss Wandabstand auf Durchströmung - Berücksichtigung der relativen Feuchte - Temperaturverteilung Weitere mögliche Fragestellungen - Details der Durchströmung Wärmetauscher - Risiko der Nebelfahnenbildung - Gegenseitige Beeinflussung bei Mehrfachanordnung - Kurzschlussgefahr 40

41 Simulation Kälteerzeugung Stromlinien für Wandabstand 0.25m 41

42 Kosten vs. Nutzen Energiekosten - Kleines bis mittleres RZ (wie gezeigt) ca. CHF pro Monat - PUE ca. 2.2 Einsparungspotenzial - Mit einfachen Massnahmen 10-20% der Energie auf Seite Kühlung Investitionskosten - Analyse & Messungen Ca. 2 Tage inkl. Report, rund CHF Einige hundert für periodische Checks - Simulation (für grössere Anpassungen) 1x Aufwand Modellerstellung Berechnungsvarianten je nach Komplexität & Grösse Ca. CHF Hardware (HLK & IT) je nach Massnahme Payback Zeit - Typischerweise < 1 Jahr 42

43 Load Capacity Planning Simulation zu verschiedenen Zeitpunkten im Lebenszyklus RZ - In der Planung - Bei der Problemanalyse zur Umsetzung vonmassnahmen - Im Betrieb: laufende Nachführung bei Änderungen / Anpassungen der Hardware im RZ Konzeptüberprüfung mit Simulation Planung RZ-Betrieb Anpassung RZ-Betrieb Periodische Assessments mit Thermografie 43

44 Load Capacity Planning Laufende Dokumentation im Betrieb Simulation aller Anpassungen / Verschiebungen von HW Planung neuer HW und Auswirkung auf HLK Simulation Planung Planung Anpassung RZ-Betrieb Anpassung RZ-Betrieb Periodische Assessments & Prüfung nach Anpassungen mit Thermografie 44

45 Thermische Gebäudesimulation Interne Lasten Lüftung usw. in jeder Zone Zone 10 Zone 5 Zone 9 Zone 6 RZ Zone 3 Zone 8 Zone 4 Zone 1 Zone 7 Zone 2 Zone 11 Heizlasten / Kühllasten Externe Lasten Jeder Raum als Zone mit Last und Luftwechsel Temperaturverlauf pro Zone Wärmeübergang zwischen einzelnen Zonen Regelung der Lüftung Dr. Stefan Barp Jörg Dietrich 45

46 Brandschutz im Rechenzentrum BM in Hohldecke BM in Hohlboden Art der Branddetektion im Raum Brandüberwachung direkt in den Schränken / Racks Brandvermeidung z.b. durch Sauerstoffreduktion Für IT geeignete Löschmittel Regelmässige Kontrolle der Installationen mit Thermographie Dr. Alois Schälin Frank Ritter Instruktion des Personals 46

47 Ventilation 2009 Internationale Konferenz - Forschung - Praxis - Know-How Austausch - Networking Ausstellung (u.a.) - APC, HP, JTI (Japan Tobacco Intl.) - Ausstellungsdossier bei AFC erhältlich Online Networking: Diskussionsgruppe Ventilation

48 Ventilation 2009 Beiträge zum Thema Data Center - APC: The Advantages of Row and Rack- Oriented Cooling Architectures for Data Centers - HP: Data Center Energy Strategy - Eicher & Pauli AG: A 95% More Efficient Telecom Cooling System - Future Facilities: Simulation for the Data Center Industry - u.a. Diskussionsforen - Data Centers & Green IT - Energy Conservation in dedicated ventilation - Computational Fluid Dynamics CFD - Network of Experts within Industrial ventilation 48

49 AFC & Ventilation2009 auf XING Internationale Konferenz - Forschung - Praxis - Know-How Austausch - Networking Online Networking: Diskussionsgruppe Ventilation 2009 Andere Gruppen: - Green-IT - (Fa. Arimax Hr. Weickh) 49

50 Weitere Veranstaltung Fyrabig Infos - Bauklimatik: Doppelfassaden 25./ Zürich/Bern - Brandschutz 3./ Zürich/Bern - Engineering: Turbomaschinen / Pumpen Jan Zürich/Bern - Contaminant Control: Reinraumanwendungen März 2010 Zürich/Bern Seminare und Konferenzen - 2. Wissens-Forum für innovativen Brandschutz Bern/Zürich - 8. CFD Seminar 2009 Power Generation Winterthur - Ventilation Zürich - 6. HLK-Planer Seminar Horw (Luzern) Infos: 50

51 Fragen und Diskussion 51