Object-Oriented Modelling and Simulation of Computer Cooling Systems

All electronic components generate heat during operation. Traditionally, this heat was removed using air cooling systems, with heat sinks and fans. But nowadays, as IT equipment get faster and smaller, the amount of heat generated increases and it is more concentrated in compact volumes. In fact, some high-performance electronic components generate more heat than traditional cooling systems can dissipate and this brings to a research interest into new possible solutions, such as water usage and new innovative strategies. This new trend must be combined with the use of modelling and simulation tools looking for efficient and high-performance solutions. In this thesis work, an existent Modelica software library will be presented and improved in order to implement and adapt new models to the current research needs. This Modelica library contains several components that are useful to model and simulate different cooling systems, in addition, a template has been created and explained to make possible the interaction between Modelica and the 3D-ICE simulation platform, used to simulate and represent a virtual system in detail. To show the capability and evaluate the Modelica library a data centre rack system and its cooling system have been implemented and analyzed, all the results and comments are pointed out in this work. To conclude, an overview of possible future developments will be given.

Tutti i componenti elettronici generano calore durante il loro funzionamento. Fino ad oggi, questo calore veniva rimosso utilizzando sistemi di raffreddamento ad aria, con dissipatori e ventole. Oggigiorno, però, le attrezzature informatiche diventano sempre più piccole e performanti, generando molto più calore concentrato in volumi sempre più compatti. Alcune componenti ad alte prestazioni generano infatti più calore di quello che è possibile dissipare attraverso i tradizionali sistemi di raffreddamento, questo ha generato un notevole interesse da parte della ricerca verso nuove possibili soluzioni, come l'impiego di acqua e lo studio di strategie innovative. Per riuscire a trovare delle soluzioni ottime e performanti, lo sviluppo di questi nuovi sistemi deve essere combinato con l'impiego di software e piattaforme di modellazione e simulazione. Questa tesi si propone di analizzare e migliorare una libreria software già esistente e sviluppata in Modelica, aggiungendo e modificando alcune componenti in modo da espandere ed adattare la libreria allo stato dell'arte attuale. Questa libreria contiene quindi diverse componenti utili a modellare e simulare moderni sistemi di raffreddamento, è stato sviluppato inoltre un template in modo da rendere possibile l'utilizzo della piattaforma di simulazione 3D-ICE combinata con Modelica, questa può essere d'aiuto per ottenere simulazioni e rappresentazioni virtuali del sistema molto dettagliate. Per mostrare le funzionalità e le caratteristiche della libreria è stata modellata e simulata la struttura di un data centre, tutti i risultati e le osservazioni fatte sono presenti in questo lavoro. Per concludere, verrà offerta una panoramica dei possibili sviluppi futuri e migliorie che potrebbero essere implementate in futuro.