CFD analysis for energy demand mitigation and efficiency improvement; hot and cold aisle containment solutions for an air-cooled data centre

La rapida digitalizzazione della società sta ridefinendo la vita quotidiana, il lavoro e la ricerca ma sta anche facendo emergere delle sfide riguardanti la sostenibilità, l’ineguaglianza ed il consumo di energia. A tal proposito, gli ingegneri sono chiamati a definire nuove soluzioni per mitigare questi effetti, a partire dagli aspetti tecnici. Questa tesi si focalizza su strategie finalizzate a migliorare la flessibilità operativa e l’efficienza energetica nei data centre a bassa intensità, con particolare attenzione rivolta ai loro sistemi di raffreddamento. Facendo riferimento alla letteratura scientifica più recente, si è deciso di realizzare da zero il prototipo realistico CFD di una sala IT, poi adottato per esaminare le prestazioni di due diverse soluzioni di contenimento: l’isola calda e quella fredda. Si è deciso di fissare una potenza operativa nominale uguale per tutti e 32 gli armadi rack implementati nella struttura. La flessibilità operativa è stata studiata applicando le stesse condizioni per entrambe le soluzioni di contenimento, variando la temperatura di mandata alle CRAHs (Computer Room Air Handler) e osservando le successive variazioni in termini di efficienza e variazione dei carichi coinvolti, con particolare attenzione ai parametri delle unità di raffreddamento esterne (chillers) e delle temperature sia sul fronte degli armadi rack che nella stanza. L’obbiettivo finale della ricerca consiste nel determinare quali siano le migliori condizioni operative e il range di flessibilità che permette di rispettare le varie norme applicate, aumentando le prestazioni energetiche, dunque consumi energetici e PUE (Power Usage Effectiveness). I risultati hanno evidenziato una sensibile differenza tra la possibilità di operare con il contenimento ad isola fredda o con quella calda, con quest’ultima che risulta più performante in termini di stabilità del sistema e risparmio energetico. Oltre i risultati quantitativi ottenuti, si è riusciti a dimostrare l’efficienza nell’applicare un sistema di contenimento per un data centre a bassa intensità raffreddato ad aria, ottenendo il raffrescamento desiderato ma con una riduzione dei consumi e dell’impatto energetico che caratterizza questi sistemi. A seguito dei risultati ottenuti dallo studio, il metodo di raffreddamento ad aria della sala IT è stato comparato con il metodo di raffreddamento a liquido, principalmente adottato in soluzioni ad alta intensità, ed oggi ampiamento trattato nella recente letteratura scientifica. Questo raffronto suggerisce la possibilità di considerare il raffreddamento ad aria ancora come una soluzione vantaggiosa in certi casi; magari con la possibilità di avere una distribuzione più capillare dell’infrastruttura anche a livello urbano.

The rapid digitalization of society is reshaping daily life, work, and research, but it also raises challenges related to sustainability, inequality, and energy consumption. Engineers are therefore called to design solutions that mitigate these impacts, starting from the technical dimension. This thesis focuses on strategies to enhance the operational flexibility and energy efficiency of low-density data centers, with specific attention to their cooling systems. Based on most recent literature, a realistic CFD model of an IT room has been realized from scratch and adopted for investigating the performances of two different air containment solutions: the hot and cold aisle. Decision has been taken to fix a nominal operative power for all 32 racks implemented in the structure. By applying the same conditions for two containment solutions, cold and hot aisles, the operative flexibility has been studied, varying the supply temperature from each CRAHs (Computer Room Air Handler) and observing the consequent adaptation, in terms of efficiency and variation of involved loads, with great attention for chillers, temperatures in front of all racks and in the room. The final research goal consists of determining which are the best working conditions and the range of operative flexibility that allow the respect of adopted norms, improving energetic performance intended as power consumptions and PUE (Power Usage Effectiveness). The results have highlighted a sensible gap between the possibility of operating a cold aisle containment or a hot one, with the last resulting more performant in terms of system stability and energy savings. Beyond the quantitative outcomes the effectiveness of adopting a containment solution in small-scale air-cooled data center has been demonstrated, obtaining the required cooling effect but with a reduction of consumption and energetic impact that characterize these systems. Following the obtained results, the analyzed air-cooling method has been compared with multiple studies concerning the adoption of liquid-cooling, implemented in high-density solutions. This comparison suggests that air-cooling may still represent a valid option in some conditions and maybe it can guarantee a more distributed, capillary and urban-scale infrastructure.