Parametric Numerical Study of the Airflow and Thermal Performance in a Real Data Center for Improving Sustainability

In recent years, reducing energy consumption has been relentlessly pursued by researchers and policy makers with the purpose of achieving a more sustainable future. The demand for data storage in data centers has been steadily increasing, leading to an increase in size and therefore to consume more energy. Consequently, the reduction of the energy consumption of data center rooms is required and it is with this perspective that this paper is proposed. By using Computational Fluid Dynamics (CFD), it is possible to model a three-dimensional model of the heat transfer and air flow in data centers, which allows forecasting the air speed and temperature range under diverse conditions of operation. In this paper, a CFD study of the thermal performance and airflow in a real data center processing room with 208 racks under di erent thermal loads and airflow velocities is proposed. The physical-mathematical model relies on the equations of mass, momentum and energy conservation. The fluid in this study is air and it is modeled as an ideal gas with constant properties. The model of the e ect of turbulence is made by employing a k–" standard model. The results indicate that it is possible to reduce the thermal load of the server racks by improving the thermal performance and airflow of the data center room, without a ecting the correct operation of the server racks located in the sensible regions of the room.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Estudo numérico paramétrico do desempenho térmico em salas de processamento de Data Center

Nas últimas décadas, a minimização dos consumos de energia tem sido uma preocupação constante. O sector do processamento e armazenamento de dados tem aumentado as suas necessidades energéticas devido à crescente procura do mesmo, o que leva à tendência para construir Data Centers (DCs) cada vez maiores. Assim, é necessário otimizar as salas de Tecnologias da Informação (TI) e é nesse contexto que surge o desenvolvimento da presente dissertação. A aplicação de Dinâmica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics – CDF) permite a modelação tridimensional do escoamento e da transferência de calor em infraestruturas do tipo DC, destinada à previsão dos campos de temperaturas e de velocidade do ar, para distintas condições de operação. O modelo físico-matemático é baseado nas equações da conservação da massa, da quantidade de movimento e da energia. O ar é assumido como um gás ideal com propriedades constantes. O efeito da turbulência é modelado com o modelo k-? e os efeitos viscosos e os gradientes das propriedades junto às paredes sólidas são modelados pela aplicação das funções de parede. A comparação dos resultados numéricos com dados experimentais, permite validar os resultados das previsões e desse modo assegurar com alguma certeza as particularidades que definem o escoamento no interior da sala de TI, assim como a distribuição de temperatura e identificação de pontos quentes. A presente dissertação tem como base a análise dos resultados de um estudo paramétrico por CFD, composto por seis casos de estudo: (1) diferente valor da potência térmica dissipada pelos bastidores (de 20% a 100% da potência nominal, com incrementos de 20%). Os modelos de CFD diferem no valor imposto nas condições de fronteira do tipo de fluxo de calor; (2) cargas térmicas variáveis ao longo dos corredores, i.e. entre os bastidores que se localizam nas extremidades, no entremeio e centrais no corredor; (3) carga térmica imposta igual para todos os bastidores, mas variável, desde a carga térmica usual, à carga térmica máxima. Todos estes modelos foram desenvolvidos para condições de velocidade de insuflação máxima e mínima. Os resultados numéricos obtidos preveem que para uma velocidade de insuflação máxima, somente os casos em que a carga térmica imposta nas extremidades das filas de bastidores ultrapassa os 90% da carga máxima é formam pontos quentes. A velocidade de insuflação mínima prevê-se subdimensionada para cargas térmicas a partir do valor adimensional de 0,324. A presente dissertação apresenta algumas soluções que poderão atenuar a geração de pontos quentes na sala TI, contribuindo para o funcionamento ininterrupto destas infraestruturas com um desempenho térmico otimizado e com melhoria da eficiência energética.In the last few decades the minimization of energy consumption has been a constant concern of researchers and policy makers. The demand for more energy in the data processing and storage industry has been sorely increasing which leads to a tendency to build ever larger Data Centers (DCs). Thus, it is necessary to optimize the rooms of Information Technology (IT) and it is in this context that this dissertation is developed. The application of Computational Fluid Dynamics (CDF) allows a three-dimensional modeling of flow and heat transfer in DC-type infrastructures and it is intended to forecast the temperature range and air speed for different conditions of operation. The physical-mathematical model is based on the equations of mass conservation, momentum, and energy. The air is assumed to be an ideal gas with constant properties. The turbulence effect is modeled with a k- model and the viscous effects and gradients of the properties near the solid walls are modeled by the application of the wall functions. The comparison of the numerical results with experimental data allows the validation of the predicted results and thus to assure with some certainty the particularities that define the air flow inside the IT room, as well as the temperature distribution and identification of hot spots. The current dissertation is based on the result analysis of a parametric study by CFD, comprised by six case studies: (1) a different value of the thermal power dissipated by the racks (from 20% to 100% of the nominal power, with increments of 20%). The CFD models differ in the value imposed on the boundary conditions of the type of heat flow; (2) varying thermal loads along the corridors, i.e. between the frames that are located at the ends, the intersection and centers in the corridor; (3) thermal load imposed for all racks, and variable, from the usual thermal load to the maximum thermal load. Every model has been developed for maximum and minimum blowing speed conditions. The obtained numerical results predict that for a maximum blowing speed only those cases where the thermal load imposed at the ends of the rows of racks exceeds 90% of the maximum load are hot spots. The minimum blowing speed is expected to be undersized for thermal loads from the dimensionless value of 0.324. In this dissertation several solutions that could mitigate the generation of hot spots in the IT room are presented. Thus, it upholds the uninterrupted operation of the IT room with an optimized thermal performance and with an improved energy efficiency