Chimney Effect in Data Centers : On the possibility to achieve natural draft through servers

Data centers has in recent years experienced a rapid growth in numbers and size. Essentially, data centers are facilities housing IT equipment such as servers, switches and other network devices which use large amounts of electrical energy. Electrical energy is converted to heat by the data processing units in servers and therefore demand cooling. In large scale data centers, air is traditionally used as cooling medium where heat from the server components are transferred to the air as it flows through the server. Free cooling utilizes the cold outside air to avoid the use of chillers as cold source and therefore reduce energy consumption significantly. However, some facility energy and ventilation fan energy is still required to move the air. In addition, each server is commonly equipped with several small fans to move air through the server to keep CPU temperature at a safe operational level. The purpose of this paper was to study if fan energy consumption can be decreased due to an innovative server room layout. The idea was to connect a chimney to the backside of a server rack and route the air through the chimney and out to the ambient. The purpose of the chimney was to allow the heated exhaust air to rise upwards, due to buoyancy forces, and through this obtain natural draft through the servers. The induced air flow could potentially replace internal fans for moving the air through the servers and thus, reduce energy consumption. A mathematical model was developed and implemented in Simulink where simulations was performed on the system. The effect on temperatures and air flow in the system was studied by several simulations as different input parameters such as chimney dimension, server power and outdoor temperature was varied. Separate parts of the model were firstly validated against results presented in literature where good agreement was found. The complete model was assessed to be able to provide estimations on temperature and air flow to fulfill the general goal of the paper. The results showed reasonable values in most of the simulated cases despite lack of research to compare with. It could be concluded that low outdoor temperatures provided better air flow rates and hence, also better cooling abilities. A chimney height of 20 m and radius of 0.4 m was estimated to cover the cooling need for 160 servers where each server was assumed to consume 150 W. The induced flow from the chimney would be sufficient to replace all the internal fans based on climate data from Luleå, Sweden. The simulations provided interesting and promising results on the studied system. To further strengthen the findings, experimental measurements could be performed on small scale with real server hardware. The model could then be tested and compared to experimental values as the innovative configuration implied limited research similar to the system studied in the present paper.Under de senaste åren har data center-sektorn haft en snabb tillväxttakt, både gällande antal och storlek. Ett data center är väsentligen en annläggning som inrymmer IT utrustning såsom servrar, switchar och annan nätverksutrustning. Servrar kräver kylning eftersom de omvandlar elektrisk energi till värme i samband med att de utför beräkningar. Vanligen används luft som kylmedium i stora traditionella data center. När luft strömmar genom servrarna, övergår värmen från komponterna till luften. Genom att använda kall utomhusluft kan energiförbrukningen i ett data center kraftigt reduceras. Detta kallas frikyla och innebär att användningen av kylmaskiner kan undvikas. Även om frikyla används, krävs det ändå energi för att driva ventilationens fläktar och anläggningen i övrigt. Förutom stora fläktar tillhörande ventilationen sitter det även ett flertal små fläktar i varje server för att flytta luften genom servern. Dessa fläktar säkerställer ett bra luftflöde genom varje server så att dess CPU-temperatur hålls på en säker nivå under drift. Syftet med detta arbete var att undersöka om energianvändningen från fläktar kan minska genom en innovativ placering av servrarna. Den huvudsakliga idén var att ansluta en skorsten till baksidan servrarna för att på så vis leda den varma luften genom skorstenen och ut. Syftet med skorstenen var att låta den varma luften att stiga uppåt på grund av densitetsskillnader mellan luft i skorstenen och omgivningens luft. På så sätt finns möjligheten till att självdrag skulle kunna uppstå som eventuellt skulle kunna ersätta de små fläktarna monterade i varje server och därmed leda till minskad energianvändning. En matematisk modell utvecklades och implementerades i Simulink där simuleringar utfördes på det tänkta systemet. Temperaturer och luftflöde utvärderades utifrån en mängd olika simuleringar där parametrar såsom skorstensdimension, utomhustemperatur och effektförbrukning hos servrarna ändrades. Separata delar av modellen validerades mot litteraturen där modellen stämde väl överens med presenterade resultat. Det bedömdes att den kompletta modellen kunde estimera temperaturer och luftflöden för att tillförlitligt kunna besvara denna studies frågeställningar. Resultaten från de flesta simuleringarna visade på rimliga värden trots brist på artiklar att jämföra med. Utifrån resultaten kunde det konstateras att låg utomhustemperatur medförde större luftflöden i systemet och därmed också bättre kylning av servrarna. En 20 m hög skorsten med 0.4 m radie beräknades kunna täcka hela kylbehovet för 160 servrar där varje server antogs förbruka 150 W. Det självdrag som uppstod från skorstenen var tillräckligt för att ersätta alla små serverfläktar baserat på klimatet för Luleå. Simuleringarna visade på intressanta och lovande resultat för det studerade systemet. Resultatens värde och tillförlitlighet skulle kunna förstärkas genom att utföra experimentalla mätningar i en småskalig försöksuppställning där riktiga servrar används. Modellen skulle då kunna vidare testas och jämföras mot experimentella mätresultat då den innovativa idén medför att forskningen ännu är begränsad inom detta specifika område som detta arbete behandlade