Ahogy azt egy másik esettanulmányban részleteztük, az adatközpontokon végzett CFD szimuláció számos érdekes hő- és áramlástani kihívást tartogat. A szerverterem azonban nem az egyetlen eleme annak a kritikus infrastruktúrának, amely megtervezéséhez hőtani szimuláció szükséges. A szerverek hűtéséhez egy kültéri hőcserélő telepre van szükség. Mivel ez ki van téve a változó időjárás viszontagságainak, a környezete befolyásolja a kinyerhető hűtési teljesítményt. Az ipari hőcserélő telep környezeti CFD szimuláció elkészítésének célja az, hogy megtudjuk, az adatközpont tervezőjének kell-e a hűtési teljesítmény csökkenésével számolnia bizonyos szél sebesség, szél irány és környezeti hőmérséklet esetén.
Mekkora legyen a szimulált környezet
A modell kiterjedése attól függ, hol található az adatközpont épülete és a hozzá tartozó hőcserélő telep. Mivel egyre több régi ipari épületet hasznosítanak újra adatközpontként, a hőcserélő telep is sűrűn beépített ipari parkokban kap helyet.
A folyamatot azzal kezdjük, hogy egy térkép szolgáltató adatbázisában megkeressük a területet és a felülnézetéről pár száz méteres sugarú körben másolatot készítünk. Ezt a másolatot (képernyőmentést) illesztjük be a 3D CAD rendszerünkbe és ez alapján elkészítjük a számunkra érdekes épületek és környező terület közepesen részletes modelljét. A környező területen a z egyes nagyobb fákat, erdős-bokros részt értjük, már ha van ilyen az hőcserélő telep közelében.
Ennek oka, hogy általában nincs más adat a környezetről, mint a térkép szolgáltató 3D nézeti és távolságmérési eszköze. Ami az adatközpont külső méreteit illeti, a helyzet általában jobb, de semmi sem garantálja, hogy részletes rajzokat kapunk az épületről.
A kültéri hőcserélő telephez részletes modell kell
Amiről viszont minden létező adatot megkapunk, az az adatközpont kerítésén belüli elrendezés. Ezt felmérés alapján készíti el a tervező és rengeteg időt és energiát fektetnek abba, hogy a méreteket teljesen biztosan pontosan rögzítsék.
Van egy harmadik generátor és egy további konténer kissé távolabb az épülettől. Végül pedig pirossal megjelöltük vizsgálódásaink tárgyait.
Ezek a hőcserélő egységek, 12 van most a modellben, amelyek a környezetnek adják át a szerverterem levegőjéből kivont hőt. Ezek teljesítményét befolyásolja az adatközpont üzemi területének mikroklímája.
Az üzem mikroklímájának hatása
A mikroklíma egyik legfontosabb befolyásoló tényezője a környezeti levegő hőmérséklete. A feladatunk a környezeti CFD szimuláció elvégzése során annak megállapítása, hogy milyen valószínűséggel lesz a hőcserélők levegő belépési felületeinek közelében 35ºC, vagy ennél nagyobb a hőmérséklet.
Ez kiemelt jelentőséggel bír, ugyanis 35ºC-nál nagyobb belépő levegő hőmérséklet esetén a hőcserélők hűtési teljesítménye csökken. A kritikus fontosságú infrastruktúra tervezőjének pedig tudnia kell, hogy az ilyen alkalmak milyen gyakran fordulhatnak elő és ezek miatt mekkora többlet hűtési teljesítményt kell beépítenie.
A 35ºC feletti hőmérsékletre vonatkozóan az üzemi terület mikroklímájában felmerülhetnek olyan körülmények, amelyek ilyen kedvezőtlen hatást gyakorolhatnak a hőcserélők működésére. Az egyik ezek közül akkor következhet be, amikor a diesel generátorok működnek és az általuk kibocsátott elhasznált hűtőlevegő, illetve kipufogógázt a szél a hőcserélők közelébe sodorja az éppen aktuális szélirány, szél sebesség és a környező épületek alakja miatt. A generátorok csak nagyon ritkán működnek, de egy ilyen fontos üzem esetén ezt az eshetőséget is meg kell vizsgálni.
A másik körülmény, amelyet szintén a szél sebessége, iránya, meg persze a környező épületek elhelyezkedése okozhat az, hogy az egyik hőcserélő által kibocsátott meleg levegőt egy másik hőcserélő ventilátora visszaszívja, így rontva a hűtés hatásfokát.
Ha megnézzük, mindkét eset olyan szélsebességekre és irányokra vezethető vissza, amelyek a hőcserélő hűtőlevegő belépő oldalán a hőmérséklet lokális növekedését okozzák. Nekünk pedig azt kell megmondanunk, hogy ezek a körülmények milyen valószínűséggel következnek be egy év során. Ennek kiszámításához az időjárási adatok statisztikai analízise és a hőcserélő telep környezetének CFD szimulációja együtt szükséges.
Időjárási adatok a környezeti CFD szimuláció elkészítéséhez
Az adatközpont hőcserélő telepének szimulációjához napi maximum hőmérsékletet 2m magasságban, szélirányt 10m magasságban, szélirányt és az előfordulás gyakoriságát használjuk. Ez utóbbi három adatot a bal oldalihoz hasonló szélrózsa remekül összefoglalja.
A szélrózsában 16 irányt különböztetnek meg és minden irányban a szegmensek színei jelentik a szél sebességét. A színes területek nagysága pedig megmutatja, hogy abban az irányban az a szélsebesség milyen gyakran fordul elő.
A 16 irányból persze csak pár tud problémát okozni és az első benyomást erről viszonylag könnyű megszerezni.
Jelek, amelyek megmutatják, hogy milyen szélirányokat kell vizsgálni
Hogy nagyjából behatároljuk a problémás szélirányokat, elég a szélrózsát a hőcserélő telep megfelelően betájolt modelljébe illeszteni.
Amikor ennek valószínűségét vizsgáljuk, figyelembe kell vennünk, hogy ezek a generátorok nem mindig működnek.
Továbbá, a dél-délnyugati (SSW) irány talán még problémásabbnak tűnik, mivel ez az irány nemcsak a 3. generátor felől mutat a hőcserélők felé, hanem a generátorhoz közelebbi hőcserélők kilépő levegőjét direkt a hátsó sor hőcserélőihez viheti.
Ráadásul, ha megnézzük az SSW szegmens nagyságát a többihez képest láthatjuk, hogy ez a szélirány a leggyakoribb ott, ahol a példánkban szereplő adatközpont található.
Egy olyan hőcserélő telep tájolás esetén, mint amilyen a fentebb látható, érdemes az észak-keleti (NE) irányból kezdeni a szimulációt. Itt szintén fennáll az a lehetőség, hogy a szélirányban egymás mögött lévő hőcserélők beszívják az előttük lévőből kilépő meleg levegőt. A következő vizsgált irány a kelet-északkelet (ENE) és így tovább, amíg vissza nem érünk a kört megkezdő NE szélirányhoz.
Ha a hőcserélő telep elrendezése lehetővé teszi, nem kell mind a 16 szélirányt vizsgálni, de a példánkban szereplő most pont olyan, aminél célszerű a teljes kört megvizsgálni.
Mielőtt belekezdünk a környezeti CFD szimulációba, nem szabad megfeledkeznünk a levegő hőmérsékletéről sem. Konzervatív álláspontot akkor képviselünk, ha a szimulációhoz a napi maximum hőmérsékletet használtjuk, azaz a szél hőmérsékletét a legmagasabbra állítjuk. A példában szereplő adatközpont esetén az időjárási adatok elemzése a napi maximumot a vizsgált 5 éves periódusban 29.7ºC-ban határozta meg.
A dél-délkeleti szélirány hatásainak vizsgálata
Mivel a szélrózsa dél-délkeleti irányában 0m/s és 12m/s szélsebességek fordulnak elő és a gyakoriságukat 2m/s széles tartományokban adja meg, ezért válasszuk ki a 11m/s-ot felülről, az 5m/s-ot középről és az 1m/s-ot az alsó tartományból. Végezzük el a hőcserélő telep környezeti CFD szimulációját a dél-délkeleti irányban erre a három szélsebességre.
Az alább látható eredmények a 35ºC-os levegő által betakart teret lila felhőként mutatja, amelynek alakja változik a szél sebességének növekedésével. A világoskék áramvonalak a szelet jelképezik.
1m/s-os dél-délkeleti szél esetén
Ennél a sebességnél nem látjuk jelét annak, hogy a kép alsó részén közepén fehér színnel jelölt hőcserélők alá jutna a 35ºC-os levegő. Menjünk tovább a következő szélsebességre.
5m/s-os dél-délkeleti szél esetén
Az 5m/s-ra vonatkozó eredmények már kezdenek érdekesek lenni, hiszen a két generátor kéményéből kilépő füstgáz haladási iránya jól elkülönül a generátorokat elhagyó használt hűtőlevegő áramától. De annak továbbra sincs jele, hogy a fehér hőcserélők belépő levegő hőmérséklete problémás lenne. Mit mutat a legnagyobb szélsebesség?
11m/s-os dél-délkeleti szél esetén
A 11m/s-os szélsebesség már mutatja annak jeleit, hogy ez az irány és sebesség kombináció meleg levegőt sodorhat a hőcserélők alá. A problémát az mutatja, hogy a fehér színű hőcserélők alatt megjelent a 35ºC-ot jelző lila felület.
Amikor ez megtörténik, megnézzük, hogy melyik volt az a legnagyobb szélsebesség, amelyik még nem okozott gondot (5m/s). Ettől eggyel feljebb a 7m/s-os tartomány van, tehát erre is lefuttatunk egy környezeti CFD szimulációt. Az eredmények azt mutatták, hogy a 7m/s sem problémás, viszont a 9m/s-os szélsebesség esetén a hőcserélők alatt már 35ºC-ra nőtt a hőmérséklet.
A szimuláció pontosan megmondja, hogy a 9m/s-os szél 35.7ºC-ot, míg a 11m/s-os 36.1ºC-os levegő hőmérsékletet idézett elő a hőcserélők levegő belépő oldalán. Ne feledjük, mindez 29.7ºC környezeti hőmérséklet mellett történik. A 11m/s-os szél jelenti a nagyobb kockázatot, mert a hőcserélők alatti hőmérséklet 1.1ºC-al haladta meg a kritikus 35ºC-ot.
CFD szimulációból és időjárási adatokból valószínűség a dél-délkeleti szélirányra
A dél-délkeleti irányban végzett környezeti CFD szimuláció kimutatta, hogy a 9m/s és a 11m/s szélsebességekkel van feladatunk a továbbiakban. E példa és az egyszerűség kedvéért a továbbiakban az időjárási adatokat napi bontásban (lehetne órás bontásban is) használjuk fel.
Az időjárási adatbázis azt mondja, hogy egy évben átlagosan 16 napon regisztráltak 9m/s sebességű szelet, míg további 2 napon mértek 11m/s szélsebességet is. Összesen tehát 18 olyan napra lehet számítani a 365-ből, amikor ebből a szélirányból problémás szélsebesség várható. Ennek következtében a kritikus szélsebesség valószínűsége a dél-délkeleti irányból 18/365=0.049, azaz 4.9%. Ez a keresett valószínűség első komponense.
A második komponens azon napok valószínűsége, amikor is a napi maximum hőmérséklet olyan magas, hogy a hőcserélők alatt túl nagy lesz a beszívott levegő hőmérséklete. A dél-délkeleti irányból fújó 11m/s-os szél miatt a hőcserélők alatti levegő hőmérséklete 1.1ºC-kal haladta meg a 35ºC-os limitet. Ha a környezeti hőmérséklet 29.7-1.1=28.6ºC, a hőcserélőknél még éppen jó lenne a hőmérséklet. Tehát minden nap problémás, amikor a környezet hőmérséklete nagyobb, mint 28.6ºC. Az időjárási adatok között egy évben átlagosan 6 ilyen nap várható. Tehát a túl meleg napok előfordulásának valószínűsége 6/365=0.0164, azaz 1.64%.
És végül, annak a valószínűsége, hogy a szél dél-délkeleti irányból 9m/s-nál nagyobb sebességgel fújjon egy olyan napon, amikor a napi maximum hőmérséklet 28.6ºC feletti = 0.049 x 0.0164=0.0008, azaz 0.08%. Nem mondanám túl nagynak, és ez jó hír.
Valószínűség a szélrózsa mind a 16 irányára
Ha ugyanezt elkövetjük az összes szóba jöhető szélirányra, akkor az egyes szélirányok külön valószínűségeinek összege adja meg a teljes évre vonatkozóan annak esélyét, hogy a hőcserélő telep hűtési teljesítménye lecsökken.
Ezt még tovább fokozhatjuk azzal, hogy megnézzük mi történik, ha a diesel generátorok nem működnek (azaz nincs áramszünet), csak a hőcserélők mennek normál üzemben. Ez még tovább csökkentheti a hűtési teljesítmény kedvezőtlen irányú változását.
Minél több tényezőt veszünk figyelembe, annál pontosabban meg tudjuk mondani annak valószínűségét, hogy az üzem területén kialakuló mikroklíma a hőcserélők működését hátrányosan befolyásolja. Hasonló vizsgálatokat végezhetünk bármely olyan berendezésre, amelynek teljesítménye függ a környezeti hatásoktól. Legyen az magas épület tetején, vagy sűrűn beépített területen lévő légkezelő, hőcserélő és egyéb berendezés.
A lényeg, hogy a környezeti CFD szimuláció és időjárási adatok kombinációjának segítségével a kritikus infrastruktúra tervezőjének olyan adatokat szolgáltatunk, amelyek alapján még a tervezési fázisban ő fel tudja mérni az üzem megbízható működését befolyásoló hatások kockázatát.
Dr Dúl Róbert