Datakeskuksen lämmönsiirron analyyttinen mallintaminen

Abstract

Laajasti digitalisoituvan ja tekoälyn yleistyessä datakeskuksista on tullut maailman suurimpia energiankuluttajia. Kehittyvä tekniikka ja energiakulutuksen optimointi tällöin voisi tuoda suuria säästöjä alan yrityksille. Datakeskuksien energiankulutus koostuu servereistä ja niiden jäähdyttämisestä. Tässä kandidaatintyössä on tarkasteltu keskusten jäähdyttämistä, niiden mallintamista ja optimointia.

Datakeskuksien yleisin jäähdytysmalli on korotetun lattian malli, jossa datakeskuksien serverihyllyköiden väliköt ovat jaoteltu niin sanottuihin kylmä- ja lämminkäytäviin. Järjestelyyn kuuluu myös jäähdytysyksikkö sekä lattian alla olevat ilmakanavat, joista ohjataan jäähdytysilma kylmäkäytäville lattiassa olevien ritilöiden avulla. Ilmamassa ohjataan tässä järjestelyssä kylmäkäytävältä lämminkäytävälle, jolloin serveriyksiköiden luoma lämpö lämmittää ilmamassaa.

Korotetun lattian mallissa jäähdytystehoa vaihdellaan jäähdytysyksikön tehon sekä lattiakanavien päällä olevien ritilöiden avulla. Ritilöiden tiheyden avulla kasvatetaan paikallisesti ilmavirran suuruutta, kunnes tavoitetaan tarpeeksi pieni lämpötila paikallisesti. Tämänlaisen säädön vuoksi jäähdytysteho voi olla joskus liian suuri, mikä lisää jäähdytyksen energiatarvetta.

Datakeskuksen lämmöntuotannon säätämistä voidaan toteuttaa datakeskuskohtaisesti. Tässä dynaamisessa ohjausjärjestelmässä lasketaan tiettyjen alueiden laskentatehoa samalla nostaen muiden alueiden, jolloin voidaan tasapainottaa lämmöntuotantoa paremmin vastaamaan jäähdytystehon kapasiteettia. Tällaisen toteuttamiseen tarvitaan riittävästi lämpötilamittauspisteitä ja lämpömalleja keskuksille.

Perinteisesti datakeskuksien lämpötilojen mallintaminen on toteutettu CFD-laskennan avulla, mikä on todella raskasta ja hidasta nykyisillä laskentatehoilla. Tällöin mallin avulla toteutettu suunnittelu ei ole ajankäytännöllisesti kannattavaa. CFD-laskenta kuitenkin soveltuu paremmin valmiiksi suunnitellun keskuksen toiminnan optimointiin.

Koska perinteiset menetelmät ovat hitaita, kandidaatintyössä kokeiltiin kevyemmän analyyttisen mallin käyttöä datakeskuksen lämpötilaprofiilin mallintamisessa. Toteutettu malli perustuu diffuusioyhtälöön ja on toteutettu yksinkertaiselle, loputtoman pitkälle serverihyllylle, jonka toisella puolella on kylmä- ja toisella lämminkäytävä. Lämpötilaprofiili oli paloittain määritelty ja mallissa syntyneiden integraalivakioiden arvot ratkaistiin hyödyntämällä reunaehtoja.

Mallia tarkasteltiin kahdessa osassa: vaihtelevilla lämpötehoilla, jonka jälkeen vielä tarkastelemalla mallin lämmönsiirtokerrointa perinteisemmän lämmönsiirtolaskennan avulla. Vaihtelevien lämpötehojen tarkastelussa havaittiin kirjallisuuslähteiden tarjoaman lämmönsiirtokertoimen olevan liian pieni kyseisessä mallissa ja myös tämän olevan riippuvainen jäähdytysilman massavirrasta. Perinteisemmällä laskentamenetelmällä saavutettu lämmönsiirtokerroin vastasi osittain kokeillun mallin lämmönsiirtokerrointa, mutta laskentaperiaatteet eivät vastaa täysin todellisuutta yksinkertaistuksien vuoksi.

Kandidaatintyön lopussa todettiin, että mallin hyödyllisyyttä ja tarkkuutta tulisi tarkastella lisää, jotta voitaisiin olla varmoja tämän pätevyydestä.