Sposób zarządzania przepływem powietrza w systemie znajdującym się pod podłogą podnoszoną budynku

Działanie przestrzeni podpodłogowej jako komory powietrza pod ciśnieniem

System zarządzania powietrzem w przestrzeniach podpodłogowych wykorzystuje przestrzeń znajdującą się pod płytami podniesionej podłogi jako rodzaj komory ciśnieniowej do przepływu powietrza. Gdy powietrze jest schładzane w jednostkach CRAC, krąży ono w pomieszczeniu w taki sposób, że powstaje stan równowagi ciśnień z powietrzem w tej komorze. Dzięki konstrukcji przestrzeni podpodłogowych zapobiega się powstawaniu gorących stref temperaturowych w pomieszczeniu, kierując schłodzone powietrze do pożądanych miejsc za pomocą strategicznie rozmieszczonych płytek perforowanych. System został zaprojektowany z uwzględnieniem optymalnego zakresu ciśnienia oraz bez znaczących zmian przepływu powietrza, co zapewnia najlepszą możliwą wydajność chłodzenia i stabilne warunki pracy dla systemów zarządzania infrastrukturą IT.

Fizyka i wydajność: dostarczanie powietrza z różnicą ciśnień do wejść serwerów

Chłodzenie docelowe działa na zasadzie zmiany ciśnienia w przestrzeni nadpodłogowej oraz przy wlocie powietrza do serwerów. Opiera się ono na prawie fizyki, które jest niemal nieznane – zwanym prawem Bernoulliego. Gdy w przestrzeni nadpodłogowej tworzy się nadciśnienie, powietrze kieruje się tam, gdzie panuje niższe ciśnienie – czyli do wlotów powietrza serwerów. W naszym przypadku prędkość przepływu powietrza wzrosła o 25% w porównaniu do starszych systemów chłodzenia z góry. Kluczowym wyzwaniem jest odpowiednie rozmieszczenie płytek podłogowych w centrach danych, aby wykorzystać różnice ciśnień. W centrach danych, w których różnica ciśnień w przestrzeni nadpodłogowej wynosi średnio 0,05 cala słupa wody, obserwuje się spadek temperatury powietrza dopływającego do serwerów o 4 stopnie Celsjusza. Wynik ten pochodzi z badań przeprowadzonych w 2022 roku przez Uptime Institute.

Nasze podłogi dostępowe zapewniające zwiększoną skuteczność chłodzenia przepływem powietrza dają się ilościowo oszacować. Przykładem jest zmierzona różnica temperatur wynosząca 4,3 °C, odpowiadająca strategicznemu umieszczeniu płytki perforowanej.

Kontrola temperatury powietrza dopływającego do serwerów została poprawiona dzięki zoptymalizowanemu rozmieszczeniu kratek wentylacyjnych. W szczególności, gdy układ kratek odpowiada obszarom o najwyższej temperaturze w szafach serwerowych, zimne powietrze może być kierowane bez przeszkód do wejść serwerów, a nie marnowane w cyrkulacji gorącego powietrza wydechowego. Udało nam się osiągnąć istotne rezultaty – różnice temperatur między powietrzem dopływającym do serwerów a powietrzem odprowadzanym z nich zmniejszyły się o 4,3 °C. Ta poprawa różnic temperatur jest absolutnie kluczowa dla utrzymania skuteczności chłodzenia wraz z dalszą ewolucją konfiguracji IT firmy.

Optymalizacja oparta na symulacjach CFD: modelowanie przepływu powietrza w czasie rzeczywistym w celu obniżenia wskaźnika PUE

Zastosowanie modelowania dynamiki płynów obliczeniowej (CFD) pokazuje dokładnie, gdzie ciepło gromadzi się w sposób nieefektywny, oraz ilustruje, jak wprowadzić korekty, np. w liczbie otworów wentylacyjnych w płytkach podłogowych, rozmieszczeniu tych płytek oraz ustawieniu jednostek chłodzących. Badania przeprowadzone w 2024 r. przez Lawrence Berkeley National Laboratory wykazały, że wskaźnik PUE (Power Usage Effectiveness) obniża się o około 0,15 przy zastosowaniu tej metody w porównaniu do metod opartych na domysłach. Może to wydawać się niewielką zmianą, ale koszty chłodzenia związane z takim obniżeniem spadają o około 18–30%. Rzeczywistą wartością charakteryzują się jednak systemy, które stale monitorują i aktywnie regulują objętość przepływu powietrza, dostosowując ją do aktualnych zapotrzebowań serwerów. Dzięki temu eliminowane są obszary przegrzania („gorące punkty”), które uszkadzają sprzęt, a także zapobiegane jest przepływowi ciepłego powietrza wokół miejsc, w których dopiero co nastąpiło chłodzenie.

Eliminacja gorących punktów poprzez jednolitość rozprowadzania powietrza

Systemy wentylacji podpodłogowej z podniesioną podłogą skutecznie eliminują gorące obszary termiczne nie poprzez nadmierne chłodzenie, lecz dzięki jednolitemu i celowemu rozprowadzaniu powietrza. Gdy są prawidłowo zaprojektowane i wdrożone, zapobiegają one krótkiemu obwodowi zimnego powietrza oraz przepływowi gorącego powietrza w obiegu, a ostatecznie rozwiązują problemy z gorącymi obszarami przekraczającymi granice termiczne określone przez ASHRAE o nawet 13,66.

Przeciwdziałanie warstwowaniu termicznemu dzięki spójnemu przepływowi powietrza pod podłogą

Warstwowanie termiczne to zjawisko powodowane przez unoszące się ciepłe powietrze wydechowe, które pogarsza jakość mieszanki powietrza doprowadzanego. Ruch powietrza pod podłogą z prędkością około 2,5 m/s lub wyższą pomaga rozbijać warstwy termiczne. Do ich rozbijania konieczne jest zastosowanie kilku dodatkowych środków. Jednym z nich jest uszczelnienie otworów przejściowych dla kabli. Dodatkowo kluczowym środkiem jest wypełnianie pustych przestrzeni w szafach serwerowych panelami zamykającymi. Dzięki tym środkom zimne powietrze dostarczane jest wyłącznie przez kafelki perforowane zgodnie z założeniami projektowymi.

Centralnie zarządzany przepływ powietrza: dopasowanie wydajności jednostek CRAC do układu płytek

Przepływ powietrza omijający może zmniejszyć zdolność chłodzenia centrum danych o 25–40%. Dzieje się tak, ponieważ jednostki CRAC ograniczają przepływ powietrza do powietrza schłodzonego, które nie dotarło do serwerów. Obliczeniowa dynamika płynów wykazała, że problem ten można rozwiązać poprzez zastosowanie innego układu porowatości płytek odpowiadającego strefom temperaturowym szaf rack. Płytki o porowatości przekraczającej 56% prawdopodobnie tracą powietrze na rzecz najgęstszych szaf rack. Ponadto kierunek przepływu powietrza w jednostkach CRAC powinien być zsynchronizowany z układem płytek w całym pomieszczeniu. Dzięki temu maksymalizowane są różnice ciśnień w systemie, które stanowią decydujący czynnik wydajności systemu chłodzenia.

Spójne strategie zarządzania przepływem powietrza w środowiskach z podniesioną podłogą

Podłogi podniesione zapewniają infrastrukturę dla większości systemów chłodzenia, ale szczególnie dobrze uzupełniają te systemy w połączeniu z efektywnymi strategiami zarządzania przepływem powietrza. Konfiguracje typu „gorąca alejka/zimna alejka” uniemożliwiają mieszanie się ciepłego powietrza powrotnego z napływającym powietrzem zasilającym. Dzięki temu osiąga się lepszą spójność temperatury na całej długości alejki. Poprawne stosowanie paneli zamykających oraz uszczelnianie systemów zarządzania okablowaniem umożliwia lepsze utrzymanie ciśnienia w przestrzeni podpodłogowej, jednocześnie zmniejszając marnowanie energii o około 30%. Innowacyjne wykorzystanie płytek, oparte na aktualnych warunkach określonych za pomocą map temperatur i modelowania komputerowego, zapewnia lepszą reaktywność systemu na zmiany.
Połączenie tych technik pozwala zmniejszyć wskaźnik zużycia energii (PUE) o około 0,15–0,3 punktu, co stanowi rzeczywiste poprawy efektywności i niezawodności systemów chłodzenia oraz kontrolowanego środowiska.

Sekcja FAQ

Czym jest podłoga podniesiona?
Podłoga podniesiona to konstrukcja podłogi umieszczonej na wyższym poziomie, w której przestrzeń znajdującą się pod nią wykorzystuje się do układania kabli, instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych oraz innych elementów infrastruktury.

W jaki sposób przestrzeń podpodłogowa wspomaga chłodzenie?
Przestrzeń podpodłogowa to komora powietrza utrzymywana pod nadciśnieniem, która umożliwia równomierny rozdział schłodzonego powietrza w celu minimalizacji obszarów gorących oraz dostosowania się do potrzeb chłodzenia.
Jakie są korzyści wynikające z zastosowania płytek perforowanych w podłogach podniesionych?
Płytki perforowane zwiększają skuteczność chłodzenia, umożliwiając lepszy przepływ zimnego powietrza do wejść serwerów, co pozwala kontrolować temperaturę w ich otoczeniu.

Co można zrobić, aby zapobiec warstwowaniu temperatury (stratyfikacji termicznej)?

Stała cyrkulacja powietrza pod systemem podłogi oraz uszczelnianie otwartych szczelin sprzyjają kontrolowanemu i równomiernemu rozprowadzaniu zimnego powietrza.

Co oznacza przepływ powietrza omijający (bypass airflow) i jak go uniknąć?

Przepływ powietrza obejściowy występuje wtedy, gdy schłodzone powietrze jest zwracane do jednostek CRAC zanim zostanie w pełni rozprowadzone; aby uniknąć tego zjawiska, zaleca się skonfigurowanie wylotu jednostek CRAC zgodnie z układem siatki płytek.