HVAC in der Bauindustrie - Fujitsu

White Paper – FUJITSU PRIMERGY HPC Cluster – HVAC in der Bauindustrie
White Paper
ANSYS® Fluent® mit PRIMERGY HPC:
HVAC in der Bauindustrie
High Performance Computing ermöglicht es Bauunternehmen und Architekten, behaglichere, effizientere und sicherere
Gebäude zu entwerfen und zu bauen. Die Prototypen der Gebäude werden dabei umfassenden Stabilitätssimulationen
unterzogen, beispielsweise detaillierten Analysen der Rauchentwicklung und angemessener Gegenmaßnahmen.
(HVAC: Heating, Ventilation and Air Conditioning; deutsch: HLK-Anlagen / Heizung, Lüftung Klimatechnik)
Inhalt
Einleitung 2
Warum sollten wir ein 6.000 Jahre altes, bewährtes Prinzip ändern? 2
Neue Herausforderungen erschweren die Arbeit 2
Neue Lösungen für immer komplexere Herausforderungen 2
Für HVAC-Workloads planen 3
Maximierung der parallelen Skalierbarkeit 4
Prozessortypen – Leistung vs. Effizienz 5
Optimale Prozessorfrequenz 5
Anwendung von HPC auf HVAC-Produktions-Workloads 6
Transiente Simulation erfasst alle Verhaltensweisen 6
Höhere Qualität dank Robust-Design-Optimierung 7
Abgestimmte Referenzkonfigurationen 7
Wertschöpfung durch HPC 7
Workload-basierte Planung 7
Dynamischer Maßstab 8
Produktivität erhöhen 8
Möglichkeiten der HVAC-Modellierung 9
Fazit 9
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White Paper – FUJITSU PRIMERGY HPC Cluster – HVAC in der Bauindustrie
Einleitung
Warum sollten wir ein 6.000 Jahre altes, bewährtes Prinzip ändern?
Schon seit tausenden von Jahren errichten Menschen atemberaubende Bauwerke, auch ohne Computer. Allerdings haben sich die
Rahmenbedingungen mittlerweile gravierend geändert, vor allem hinsichtlich eines schärferen Wettbewerbs, strengerer Auflagen und zu
berücksichtigender Umweltfaktoren. Heutzutage setzen Ingenieure und Architekten bei der Planung und Gestaltung von Atrien, Auditorien,
Gebäuden, Stadien und Sportarenen immer häufiger Simulationen ein, um sowohl die vorgegebenen Ziele hinsichtlich Energieeffizienz und
Nachhaltigkeit als auch die knappen Terminvorgaben einhalten zu können. Mit Hilfe der Planungssimulationssoftware wird auf dem Computer
ein virtueller Prototyp des Gebäudes oder Innenraumes erstellt und die Heizungs-, Lüftungs- und Klima-Parameter werden berechnet. Auch
Katastrophen, denen das Gebäude eventuell ausgesetzt sein könnte, werden simuliert, wodurch eine optimale Gebäudesicherheit gewährleistet
ist. Dieses virtuelle Designverfahren erlaubt eine schnelle Evaluierung alternativer Entwürfe und ermöglicht ein besseres Verständnis der
Gestaltungselemente, durch die eine Verbesserung der Gebäudeleistung erzielt werden kann. Außerdem kann das Designerteam innovative
Lösungen einfacher ausprobieren und so eventuelle Risiken minimieren.
Planungssimulationen helfen Architekten und Ingenieuren bei der Auswahl der besten Entwürfe für Heizungs- und Klimaanlagen-Systeme, bei
der Leistungsanalyse der Rauch-Management-Systeme im Brandfall sowie bei der Schaffung eines angenehmen Raumklimas hinsichtlich
Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Auch die Planungen für die Lüftungssysteme eines Gebäudes, die essentiell für eine gute Innenluftqualität,
thermische Behaglichkeit und Energieeffizienz sind, können durch die virtuelle Gebäudeplanung verbessert und vereinfacht werden.
Neue Herausforderungen erschweren die Arbeit
Aufgrund der immer strengeren Sicherheits- und Umweltschutzbestimmungen und des wachsenden globalen Wettbewerbs wird das Entwerfen
und Planen neuer Gebäude immer komplexer.
Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC)- neue Herausforderungen
• Umwelt
Neue Umweltschutzbestimmungen und Umweltfragen stellen zusätzliche
Herausforderungen bei der Planung und Gestaltung neuer Großgebäude
dar. Diese Bestimmungen sollen dazu beitragen, die Auswirkungen auf
die Umwelt möglichst gering zu halten, indem der Energieaufwand, der
für ein angenehmes Raumklima hinsichtlich Temperatur und
Luftfeuchtigkeit notwendig ist, minimiert wird. Auch mögliche durch das
Bauwerk verursachte Beeinträchtigungen der Nachbarschaft, wie
Schattenwurf auf andere Gebäude und verstärkter Wind im
Fußgängerbereich, werden zunehmend reguliert.
• Mitbewerber
Zwar wird das Gebäude in der Regel naturgemäß vor Ort gebaut, doch die
Planung ist nicht ortsgebunden. Der weltweite Wettbewerb um
Großprojekte, die leicht mehrere Millionen Dollar wert sein können, ist
sehr hart. Kosten- und Zeitersparnis in der Ausschreibungsphase kann
hierbei den entscheidenden Vorteil bringen. Die Lösung bestimmter
Probleme kann in der Verwendung unkonventioneller, manchmal auch
unvorhersehbarer Technologien und Materialien liegen, mit denen viele
Ingenieure und Architekten noch keine Praxiserfahrung haben.
• Sicherheit
Weltweit ist eine Tendenz zu einer wachsenden Anzahl an Vorschriften
und Bestimmungen zu beobachten, welche die langfristige Sicherheit
aller Gebäude gewährleisten sollen. Vor Baubeginn muss der
Konstrukteur zeigen, dass das Großgebäude großen und möglicherweise
extremen Naturkatastrophen, wie starken Erdbeben, Hochwassern,
Wirbelstürmen oder Unfällen (wie Feuer, Verkehr etc.), standhält. In
vielen Fällen müssen Sicherheitsfragen, wie die Abwehr terroristischer
Anschläge, schon früh im Projektverlauf geklärt werden.
Bild mit freundlicher Genehmigung von ANSYS Inc.
Neue Lösungen für immer komplexere Herausforderungen
Unternehmen setzen zunehmend auf Planungssimulationen, um vorherzusagen und zu sehen, wie sich ein Großgebäude unter
Betriebsbedingungen und unter extremen Bedingungen verhält und gegebenenfalls entsprechende Anpassungen vornehmen zu können. Und
genau hier setzt die HPC-Simulation mit ANSYS Fluent an und unterstützt Unternehmen dabei, den spezifischen Herausforderungen der
Bauindustrie gerecht zu werden.
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Experimentelle Versuche werden dazu schon seit Jahrhunderten eingesetzt und sie werden auch in Zukunft parallel zu Simulationen verwendet
werden, um diese zu verifizieren. Die virtuelle Modellierung erfreut sich jedoch aus folgenden Gründen zunehmender Beliebtheit:
• Kosten der Prototypen
In der Baubranche sind maßstäbliche Prototypen nicht realisierbar und ergeben auch keinen Sinn. Während der Projektphase kommen oft
Prototypen in kleineren Maßstäben zum Einsatz. Der Zeit- und Kostenaufwand ihrer Herstellung minimiert jedoch ihren Nutzen erheblich.
Darüber hinaus können bestimmte Phänomene wie Luftströme nicht gut in einem kleineren Maßstab simuliert werden: durch eine
Reduzierung des Durchflussquerschnitts kann sich beispielsweise das Luftstrommuster von turbulent zu laminar ändern. Somit können die
Beobachtungen am Modell nicht auf den tatsächlichen Maßstab übertragen werden. Das Erstellen umfassender computerbasierter Modelle
kann zeitaufwändig sein. Ist das virtuelle Modell jedoch erst einmal entwickelt, können alle weiteren Untersuchungen nahezu kostenlos und
unverzüglich durchgeführt werden. Außerdem können manche Bedingungen (wie ein großes Erdbeben, ein Jahrhundert-Wirbelsturm, ein
Tsunami) in experimentellen Versuchen gar nicht oder so gut wie nicht dargestellt werden.
• Zugriff auf Daten und Informationen
Der Teufel steckt oft im Detail. Und diese Details lassen sich im experimentellen Versuch nur sehr schwer beobachten, da man zum kritischen
Zeitpunkt genau den entsprechenden Teil des Modells im Blick haben müsste. Die Verwendung eines digitalen Modells ermöglicht es dem
Konstrukteur, jedes Detail des Bauwerks genau zu untersuchen, denn die Ausgabedaten jedes einzelnen Schritts stehen für jeden Punkt des
Modells zu jedem beliebigen Zeitpunkt zur Verfügung. Dank moderner Nachbearbeitungstechnologie können kritische oder unzumutbare
Bedingungen sofort identifiziert werden, und Ingenieure und Architekten werden bei Bedarf sofort darauf hingewiesen.
• Flexibilität
Bei fast allen Prototypen sind während der Planungsphase Anpassungen und Änderungen notwendig. Die Gründe hierfür sind vielfältig: die
Einhaltung bestehender oder neuer Vorschriften, während der Planungsphase ergibt sich eine Möglichkeit, Betriebskosten zu optimieren,
oder Behörden bzw. Nachbarn beschweren sich über Beeinträchtigungen durch das neue Großgebäude und verlangen Modifizierungen. Die
Flexibilität computerbasierter Modelle ermöglicht eine parametrische Analyse für einen Robust-Design-Ansatz, indem die statistische
Versuchsplanung (engl. Design of Experiment, DoE) zum Standard wird. Dieser Prozess führt zu deutlich besseren Lösungen, die von allen
Parteien akzeptiert werden.
• Kommunikation
Mit Hilfe einer Planungssimulation können die Vorteile eines bestimmten Entwurfs anschaulicher dargestellt und vermittelt werden, was
entscheidend für den Gewinn der Ausschreibung ist. Zudem kann einem Kritiker einfacher gezeigt werden, wie ein bestimmter
Lösungsvorschlag Beeinträchtigungen minimieren kann oder bestimmte Änderungen dazu beitragen können, eventuelle Vorbehalte
auszuräumen.
Für HVAC-Workloads planen
Der Bereich der Bauindustrie umfasst viele, oft sehr unterschiedliche Gebäude- und Nutzungsarten mit spezifischen Herausforderungen – von
Apartments über Stadien bis hin zu Flughäfen. Entsprechend unterschiedlich fallen die Modelle auch bei der Größe aus, von weniger als 1
Million bis zu 100 Millionen Zellen und mehr kommen heutzutage zum Einsatz. Doch trotz aller Unterschiede in Größe und Dimension gibt es
hinsichtlich der physikalischen und anderen Bedingungen bestimmte Gemeinsamkeit bei der Simulation von Heizung, Lüftung, Klimatechnik
(HLK-Anlagen; englisch: HVAC / Heating, Ventilation and Air Conditioning):
• Geschlossene Räume mit einströmender und ausströmender Luft
• Fließbewegungen durch erwärmte/gekühlte Luft und Lüfter
• Veränderungen der Außentemperatur durch den Sonnenstand
• Abtransport und Kanalisierung von Rauch und anderen Verschmutzungen
In einer gemeinsamen Studie haben ANSYS und Fujitsu die besonderen Gegebenheiten bei HVAC-Workloads untersucht und eine Reihe von
HPC-Systemen definiert, die speziell auf die Anforderungen der Bauindustrie ausgerichtet sind. Die Baseline-Simulation untersuchte das
transiente Verhalten der Luft innerhalb eine Gebäudes. Dadurch sollten Optimierungspotenziale für folgende Kriterien gefunden werden, die
heutzutage für Architekten und Konstrukteure von zentraler Bedeutung sind:
• Position und Steuerung von Heizkörpern und Lüftern für eine angenehme Raumtemperatur und geringe Geräuschemissionen dort, wo sich
Menschen aufhalten
• Wahl geeigneter Fenstereinheiten und des passenden Isolationsmaterials zur Kostenoptimierung und Erfüllung bestimmter Vorgaben
• Rauchausbreitung und -verteilung sowie erforderliche Gegenmaßnahmen
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HVAC-Modell mit 8 Millionen Zellen mit transienter Analyse
Modellaufbau
Als Basis für diese Studie diente ein
HVAC-Modell, das aktuellen
Produktionsanforderungen entspricht,
mit der Geometrie eines großen
Besprechungszimmers oder
Bürogrundrisses. Im Gebäude wurden
Heizkörper und Lüfter platziert, und es
wurde eine variable externe Last
angewandt.
Netz
• Zellen: 7.897.612 Knoten: 9.679.421
Physik
• Transiente Simulation mit expliziten
Zeitschritten über 12 Stunden
• Vollständiges solares Lastmodell
Bei dem in der Studie beurteilten System
handelte es sich um das Fujitsu PRIMERGY
CX400, bestehend aus CX250-Knoten mit
dualen Intel® XEON® CPU Prozessoren.
Vergleiche mit verschiedenen
Prozessortypen ― mit variierender Frequenz
und Anzahl an Kernen ― und Interconnect
wurden durchgeführt. Die Parallelität wurde
mit Platform MPI-Bibliotheken umgesetzt.
Auswertungssysteme
Knotentyp PRIMERGY CX250 PRIMERGY CX250
Prozessoren pro Knoten 2 2
Prozessortyp und
Frequenz
E5-2690 v2 bei 3,00 GHz
E5-2680 v2 bei 2,80 GHz
E5-2670 v2 bei 2,50 GHz
E5-2660 v2 bei 2,20 GHz
E5-2697 v2 bei 2,70 GHz
E5-2695 v2 bei 2,40 GHz
Kerne pro Prozessor 10 12
Interconnect
InfiniBand
InfiniBand
Gigabit Ethernet
Gigabit Ethernet
Maximierung der parallelen Skalierbarkeit
Die parallele Ausführung einer einzelnen Berechnung über mehrere Rechenknoten stellt eines der charakterisierenden Merkmale eines
HPC-Workloads dar. Ist die Verarbeitungszeit so lang, dass eine Simulation eines bestimmten Projekts nicht innerhalb eines angemessenen
Projektrahmens durchgeführt werden kann, ist mehr als ein Knoten erforderlich. Es gibt mehrere Netzwerke-Arten, über welche die Knoten
innerhalb eines HPC-Clusters verbunden werden können:
• Ein Nutzernetzwerk zwischen allen Servern und Rechenknoten; verwendet Gigabit Ethernet Technologie
• Ein dediziertes Hochgeschwindigkeitsnetzwerk zur Erhöhung der Anwendungsgeschwindigkeit bei zunehmender Clustergröße; basiert auf
InfiniBand-Technologie für niedrige Latenz, hohe Bandbreite für Interprozesskommunikation zwischen den Rechenknoten und gelegentlich für
schnelle E/A bei Speichersystemen
• Ein dediziertes optionales Netzwerk für das Cluster-Management; bei kleinen Konfigurationen können sich diese Aktionen das Nutzernetzwerk
teilen
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Fluent-Messungen auf dem HVAC-Modell haben gezeigt,
dass ein InfiniBand® Interconnect erforderlich ist, um auch
weiterhin die Ablaufzeit zu minimieren, wenn mehr Knoten
in einer einzelnen Parallelberechnung verwendet werden.
Bei diesem HVAC-Modell mit 8 Millionen Zellen zeigt die
Fluent-Anwendung eine hohe Effizienz bei bis zu 8 Knoten
mit dem 10-Core-Prozessor (insgesamt 160 Kerne). Die
parallele Effizienz bleibt voraussichtlich auch bei noch
größeren Clustern hoch.
Im Vergleich ist die Skalierbarkeit deutlich niedriger wenn
nur Gigabit Ethernet verwendet wird. Dies führt unter
Umständen zu längeren Ablaufzeiten und einer ineffizienten
Lizenznutzung bei einer höheren Knotenanzahl.
Prozessortypen – Leistung vs. Effizienz
Bei der Wahl des Prozessortyps gilt es, verschiedene Faktoren sorgfältig gegeneinander abzuwägen. Zunächst kommen dabei die Kerne pro Job
zum Tragen, da diese in der Regel durch die Anzahl der Anwendungslizenzen festgelegt sind. Normalerweise ist jede ANSYS Fluent-Berechnung
parallelisiert, sodass alle Rechenknoten, die für denselben Job verwendet werden, vollständig durch den Prozess dieser Anwendungsausführung
ausgelastet sind. Bei den modernen Multi-Core-Prozessoren bieten sich im Betrieb jedoch andere Ablaufplanungsstrategien an.
Betrachtet man verschiedene Anzahlen an Kernen pro Job,
liefern 12-Core-Prozessoren tendenziell einen geringfügig
geringeren Durchsatz als 10-Core-Prozessoren. Innerhalb des
Testbereichs ist der einzige direkte gemeinsame Faktor 120
Kerne. An diesem Punkt sind bei diesem HVAC-Modell 5
Knoten des 2,7-GHz-12-Core-Prozessors circa 20 Prozent
langsamer als 6 Knoten des 2,8-GHz-10-Core-Prozessors. Ein
Knoten weniger senkt die Gesamtkosten für die Knoten
deutlich. Im Basispreis ist der 12-Core-Prozessor jedoch
teurer als der 10-Core-Prozessor. Deshalb liefern Intel XEON
CPU E5-2690 v2 Knoten das ideale Preis-Leistungsverhältnis
für HVAC-Workloads.
Eine weitere Alternative stellt der E5-2650 v2-Prozessor mit 8
Kernen und einer Frequenz von 2,60 GHz dar. Kern für Kern
liefert dieser Knoten eine ähnliche Leistung wie der
10-Core-Prozessor mit 2,5 GHz.
Optimale Prozessorfrequenz
Offenkundig führt der schnellere Prozessor die Berechnungen erwartungsgemäß in der kürzesten Ablaufzeit durch, jedoch ist die Frequenz dabei
nicht der einzige Faktor. Der Berechnungsalgorithmus innerhalb der Anwendung kann ggf. in größerem Umfang von anderen
Hardwarekomponenten des Knotens abhängen. In vielen Fällen ist zum Beispiel die Speicherbandbreite ein entscheidenderes Kriterium.
Prozessoren mit einer höheren Frequenz sind häufig exponentiell teurer als andere Prozessoren der gleichen Generation.
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Bei der Untersuchung des HVAC-Modells wurden abwechselnd
die Frequenzen 2,8 GHz, 2,5 GHz und 2,2 GHz verglichen, als
Referenzwert diente die Leistung bei 3,0 GHz. Wäre die
Frequenz der einzig relevante Faktor, müsste das Verhältnis
der Ablaufzeiten dem Takt-Verhältnis (Umkehrfrequenz)
entsprechen. Tatsächlich ist das Verhältnis jedoch niedriger.
Obwohl der Durchsatz geringer ist, sind sie relativ gesehen
effizienter als der 3,0-GHz-Prozessor. Berücksichtigt man den
Preis, stellt der 2,5-GHz-Prozessor die optimal ausgeglichene
Lösung dar, denn er liefert einen annehmbaren maximalen
Durchsatz, der nur 10 Prozent unter dem des teureren 3,0
GHz-CPUs liegt.
Steht jedoch eher die absolute Geschwindigkeit im
Vordergrund, ist der 3,0-GHz-Prozessor die bessere Option.
Berücksichtigt man zudem die Kosten der Anwendungslizenz,
sinken relativ gesehen die Hardwarekosten für CPUs mit einer
höheren Frequenz.
Anwendung von HPC auf HVAC-Produktions-Workloads
Transiente Simulation erfasst alle Verhaltensweisen
Transiente Simulationen zeigen detailliert, wie ein Bauwerk unter veränderten Bedingungen reagiert. Eine Studie kann beispielsweise zeigen,
wie die Innenraumumgebung auf den wechselnden Sonnenstand oder Windböen reagiert. Ein weiterer, entscheidenderer Anwendungsbereich
transienter Simulationen ist die Untersuchung der Rauch- und Flammenausbreitung. Dies führt zu einer größeren Sicherheit schon in der
Planungsphase und trägt dazu bei, dass der Entwurf den Bestimmungen zur schnellen und sicheren Evakuierung der Bewohner bzw. Besucher
entspricht. Das transiente Simulationsmodell in dieser Studie wurde mit einem Zeitschritt von 6 Sekunden initialisiert, d. h. 7.200 Schritte pro
12-Stunden-Tag. Am Beginn der Berechnung, wenn die Fluidvariation schnell ist, könnte der Zeitschritt auch wesentlich kürzer sein. Während
anderer Phasen bietet es sich dagegen unter Umständen an, den Zeitschritt zu verlängern. Mit den vorher definierten Zielen würde ein
Einzel-Modell-Durchgang auf E5-2670 v2-Prozessoren mit 2,50 GHz über 8 parallele Knoten (160 Kerne) mit einem feinmaschigen Netz mit fast
8 Millionen Zellen 35 Stunden an kontinuierlicher Berechnung in Anspruch nehmen.
Selbst wenn verschiedene
Entwurfsänderungen und zu
berücksichtigende Entwurfsoptionen
dazukommen, reduziert sich sogar bei
diesem Maßstab die Verarbeitungszeit.
Innerhalb einer Woche kann also deutlich
mehr berechnet und konstruiert werden,
ohne Kompromisse bei der Netzqualität
hinnehmen zu müssen. Die Skalierung von
ANSYS Fluent über einen größeren Cluster
kann darüber hinaus die Ablaufzeit weiter
verkürzen. Im besten Fall kann mit einem
24-Knoten-Cluster eine Verarbeitungszeit
von unter 12 Stunden erzielt werden.
In der Praxis wird die Verarbeitungszeit jedoch aufgrund von zunehmenden Parallel-Ineffizienzen länger sein, v. a. da die Rechenzeit für kleinere
Modell-Subdomains im Vergleich zum Kommunikations-Overhead weniger wird. Doch selbst wenn die Skalierungseffizienz auf 60 Prozent sinkt,
liegt die Verarbeitungszeit immer noch unter 15 Stunden.
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Höhere Qualität dank Robust-Design-Optimierung
Nach der Entwicklung des zentralen Modells auf Grundlage der Steady-State- und transienten Kriterien, können Architekten und Ingenieure sich
nun einer Reihe von Optimierungsphasen widmen. In einer ersten Phase kann ein Ansatz mit statistischer Versuchsplanung (DoE) zum Einsatz
kommen, um verschiedene Entwurfsvariablen für den Steady-State automatisch durchzugehen. Diese Phase dient vorrangig dem Zweck, die
ideale Balance zwischen Materialkosten und Leistung zu bestimmen. Danach wird idealerweise anhand einer Robust-Design-Studie die optimale
Lösung für die externen Randbedingungen bestimmt. Anschließend wird die transiente Simulation durchgeführt, um die vollständige Reaktion
des Bauwerks auf eine geschlossene Einsatzumgebung zu verstehen. Zum Abschluss wird eine statistische Versuchsplanung (DoE) zur weiteren
Feinabstimmung auf den transienten Fall angewandt. Solche Optimierungsverfahren führen regelmäßig zu einer höheren Anzahl an
zusätzlichen Rechenjobs für einen bestimmten Entwurf.
Abgestimmte Referenzkonfigurationen
Verschiedene Projektarten haben unterschiedliche Simulationsanforderungen. Der Entwurf einer HVAC-Lösung für ein Haus oder eine kleinere
Bürofläche erfordert ggf. ein Simulationsprojekt, das nur ein paar Wochen dauert. Am anderen Ende der Skala können jedoch Projekte für
Sportstadien oder Flughäfen stehen, die mehrere Monate oder sogar Jahre dauern. Die Unternehmen, die diese Projekte betreuen, reichen vom
kleinen bis mittleren Architekturbüro bis zu großen, multinationalen Bauunternehmen. Ausgehend von Messungen an unserem
HVAC-Referenzmodell haben wir für gängige Produktionsszenarien passende HPC-Cluster-Systeme für einen normalen HPC-Workload definiert.
HVAC-Workloads für verschiedene Gebäudetypen
Gebäudetyp Einfamilienhaus Einkaufszentrum Stadion
Gesamte Projektdauer 2 Wochen 3 Monate 18 Monate
Modellgröße (Anzahl der Zellen) 4 Millionen 15 Millionen 60 Millionen
Ideale Simulationsphasen
Effektive Anzahl an Jobs
Problem-Setup (Steady-State) 10 15 25
Statistische Versuchsplanung (DoE) (Steady-State) 80 150 200
Optimierung 20 50 100
Robust-Design-Optimierung (RDO) (Steady-State) 20 30 40
Transiente Szenarien 5 10 15
Statistische Versuchsplanung (DoE) (transient) 15 50 100
Geschätzter idealer Projekt-Workload 150 305 480
Geschätzte Gesamtrechenzeit
Stunden pro einzelnem Knoten 2.335 27.780 137.800
Monate pro einzelnem Knoten 3 39 191
Abgestimmte Clustergröße – Anzahl der Rechenknoten 8 24 56
Insgesamt vergangene Stunden 294 1.158 2.461
0,4 Monate 1,6 Monate 3,4 Monate
Wertschöpfung durch HPC
Workload-basierte Planung
Die marktsegmentspezifische Fujitsu PRIMERGY-Systeme für die Bauindustrie basieren auf Produktions-Workloads. Für HVAC-Anwendungen mit
ANSYS Fluent liefern die Fujitsu PRIMERGY HPC-Cluster-Referenzkonfigurationen:
• HPC-Cluster-Komponenten, ausgerichtet auf ein optimales Preis-/Leistungs-Verhältnis hinsichtlich marktsegmentspezifischer Workloads, und
validiert mittels direkter Anwendungsmessung auf Basis von realistischen kompletten Produktionsmodellen für die Bauindustrie.
• Integrierte HPC Architektur umfasst Hardware, Systemsoftware und einsatzbereite Middleware – reduziert Risiken und Aufwand in der
Angebotsphase.
• Werksseitig installierte Benutzerumgebung für sofortige Anwendungsnutzung in Projekten.
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Mit diesem marktsegmentspezifischen Ansatz wird das Fachwissen vom Systemtuning bis zum Wissen in der Business-Schicht optimal genutzt.
Mit Hilfe von Benchmarking werden echte Modelle aus einer riesigen Auswahl von Systemkombinationen verglichen, mit dem Ziel, die Modelle
zu finden, die am besten den Anforderungen der Bauindustrie entsprechen. Darüber hinaus wird berücksichtigt, wie der Nutzer mehrere Jobs
innerhalb eines Gesamtprojekts angeht. Angesichts der großen Anzahl an Systemkombinationen, die heutzutage zur Verfügung stehen
(Prozessortyp, Arbeitsspeicher, Frequenz, Interconnect, Speicherplatz), stellt dieser Workload-basierte Ansatz sicher, dass das Baseline-System
dem Zweck angemessen ist und von unmittelbar relevantem Fachwissen gestützt wird.
Dynamischer Maßstab
Für HVAC-Anwendungen optimierte Systeme können auf den erwarteten Workload abgestimmt werden. Anpassungen der Baseline können vor
der Installation oder später während des Betriebs bei zunehmendem Workload vorgenommen werden. Der administrative Aufwand des
Hinzufügens von Knoten zum Cluster wird minimiert durch die grafische Management-Desktop-Oberfläche, die eine integrierte Ansicht des
gesamten Clusters anzeigt. Die eingebaute HPC-Gateway-Schnittstelle mit Anwendungs-Workflows trägt dazu bei, dass Änderungen der
Cluster-Dynamik keinen Einfluss auf die unternehmensspezifischen Endverbrauchsverfahren haben, wodurch ein kontinuierliches Arbeiten
ermöglicht wird und Unterbrechungen minimiert werden.
Produktivität erhöhen
Die Produktivität wird immer wieder dadurch beeinträchtigt, dass der Nutzer mehr Zeit mit der IT verbringt als mit dem eigentlichen Gestalten
und Entwerfen – Skripte schreiben und wieder ändern, falsch abgelegte Daten wiederfinden oder Jobs noch einmal durchführen, die während
der Initialisierung fehlgeschlagen sind. Diese Probleme lassen sich nicht allein durch eine grafische Oberfläche lösen, denn auch bei dieser muss
der Nutzer immer noch Kommandozeilen und Skriptauszüge eingeben. Der echte Mehrwert für den Kunden besteht in der Tatsache, dass das
Fachwissen dieser Anwendungs-IT-Schicht vollständig in die HPC-Umgebung eingebettet ist, sodass Konstrukteure und Ingenieure mit einem
echten Branchen-Tool arbeiten können. Die HPC-Gateway-Web-Umgebung im Fujitsu PRIMERGY-System bietet genau diesen
Produktivitätsvorteil.
HPC Gateway – Industrialisierung von Fachwissen
Anwendung von ANSYS Fluent im HPC Gateway
HPC Gateway stellt ein Werkzeug zur
Industrialisierung von Fachwissen in der
HPC-Anwendung dar. Es sammelt und nutzt
bewährte Methoden, die von vielen
verschiedenen Nutzern mit unterschiedlichem
Hintergrund miteinander geteilt und genutzt
werden können. Dank seiner Web-Schnittstelle
kann von jedem Client-Gerät einfacher auf die
HPC-Cluster zugegriffen werden. Zur Codierung
der optimalen Anwendungsmethoden wird
Workflow-Technologie eingesetzt. Mit dem
ANSYS Fluent Foundation-Workflow im HPC
Gateway erhalten Nutzer eine Oberfläche, mit
der sie die Arbeit am HPC-Cluster einrichten,
übertragen und überwachen können.
Dieser Workflow kann von der Fujitsu
Gateway-Anwendungskatalog-Website
heruntergeladen und selbstständig in das lokale
Gateway importiert werden. So können
Endnutzer schon in den ersten Betriebsstunden
Produktionsarbeit leisten.
HPC Gateway bietet darüber hinaus noch viele weitere Vorteile für Einzelpersonen und Teams. Die Nachverfolgbarkeit wird verbessert durch eine
Workflow-Profiltabelle, in der die Eingabeeinstellungen für jeden Job gespeichert werden. Dank der dynamischen Überwachung kann der Nutzer
den Anwendungsfortschritt verfolgen und den Job kontrollieren. Projektleiter erhalten einen Überblick über alle HPC-Aktivitäten innerhalb des
Projekts.
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Für HVAC-Anforderungen im Bereich der Bauindustrie können weitere Workflows zur Erfassung und Nutzung zusätzlicher Fachkenntnisse in
Betracht gezogen werden. Ein Nutzer möchte beispielsweise während einer vollständigen transienten Studie am Anfang eine
Zeitschritteinstellung vornehmen, die Ergebnisse bewerten und die Simulation dann mit einer anderen Zeitschritteinstellung fortführen. Ein
erweiterter Workflow, mit dem dies und andere Prozesse möglich sind, kann über den Gateway-Anwendungskatalog heruntergeladen und
importiert werden. Mit der HCS Advanced Edition können Nutzer ihre eigenen Workflows auf Basis des Foundation Services entwickeln, um die
HPC-Prozesse, welche die einzigartige Kompetenz ihres Unternehmens ausmachen, zu codieren und zu automatisieren. Die
Workflow-Automatisierung und der Fachwissen-Transfer über das HPC Gateway steigern sowohl die Produktivität Einzelner als auch des
gesamten Teams – vom ersten Anmelden an über die gesamte Einsatzzeit des HPC-Systems.
Möglichkeiten der HVAC-Modellierung
Fluent bietet die volle Bandbreite der physikalischen Modelle, die Ingenieure für die Modellierung von HVAC-Systemen und -Komponenten
benötigen. Unter Verwendung der Gebäudegeometrie, der Lüftungspositionen und der Lüfterleistungskurven kann Fluent die Verteilung der
Geschwindigkeit und Temperatur in Luftströmen in einem Raum vorhersagen. Der hydrostatische Auftrieb erwärmter Gase und die
Auswirkungen der Sonneneinstrahlung können in die Vorhersage einbezogen werden. Ebenso lassen sich Rauch- und Gasschwaden im Brandfall
für die Sicherheitsanalyse vorhersagen. Es können stabile Strömungen oder transiente Phänomene, wie Strömungsinstabilitäten, modelliert
werden. Die Wärmeaustausch-Modi umfassen natürliche Konvektion, Zwangs- oder gemischte Konvektion, Leitung und Strahlung. Für
Industriearbeitsplätze können Massenübergang und Artenmischung bzw. Reaktionen einbezogen werden. Fluent sagt die
Konzentrationsniveaus der Schadstoffe innerhalb des Arbeitsbereichs voraus und liefert gute Ergebnisse durch alternative Lüftungsentwürfe.
Außerdem bietet Fluent die Eingabesteuerungen, die an den Modellgrenzen erforderlich sind – von der Handhabung periodischer Bedingungen
in Wärmetauschern bis zur Berücksichtigung von Profilen, die in Modellen mit entgegengesetzter Strömungsrichtung festgelegt wurden.
HVAC-Ingenieure brauchen keinen Doktortitel in CFD, um erfolgreich mit Fluent zu arbeiten. Die Benutzeroberfläche arbeitet interaktiv mit dem
Nutzer zusammen, vom Problem-Setup über die Lösung bis hin zur Ergebnisanalyse. Dieses interaktive Design trägt zu einer höheren
Produktivität bei und minimiert die Fehlergefahr.
Fazit
Ein Workload-basierter Ansatz für das Systemdesign zeigt eindeutig den Nutzen des High Performance Computing (HPC) für Simulationen im
Bereich Heizung, Lüftung, Klimatechnik (HLK-Anlagen; englisch: HVAC / Heating, Ventilation and Air Conditioning). In dieser gemeinsamen
Studie haben ANSYS und Fujitsu einen Satz optimierter integrierter HPC-Cluster mithilfe einer direkten Studie eines HVAC-Modells aus der
aktuellen Praxis entwickelt, mit dem Ziel, damit sowohl neue und als auch routinierte Nutzer des HPC zu unterstützen. Dieser umfassende
Bericht zeigt, dass es heutzutage möglich ist, eine ausführliche Untersuchung eines beliebigen Gebäudes (einschließlich
Robust-Design-Optimierung für Steady-State- und transiente Fälle) innerhalb eines Zeitrahmens durchzuführen, der mit der Dauer des Projekts
vereinbar ist.
Eine Kapazitätserweiterung zur Handhabung instationärer Simulationen liefert präzisere Informationen zum transienten Strömungsverhalten.
Dieses spielt eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung der Ausbreitung von Feuer und Rauch, der Planung geeigneter Gegenmaßnahmen
und bei der Einhaltung definierter Sicherheitsbestimmungen. Für Unternehmen, die bereits mit HPC vertraut sind, erleichtern die hier gezeigten
Systeme die Auswahl der Baseline-Komponenten. Und dank der Workflow-Automatisierung über die HPC Gateway Advanced Edition können
diese Unternehmen ihre bewährten Methoden und Best-Practices kodifizieren und deren Verfügbarkeit auf mehr Teams und Projekte erweitern.
Unternehmen, die noch wenig oder keine Erfahrung mit HPC haben und möglicherweise an der Erhöhung der Modellauflösung interessiert sind
oder die Option des Robust-Designs hinzufügen möchten, profitieren von der Validierung der Anwendungseffizienz und der vorinstallierten
Systemumgebung. Aber noch entscheidender ist die Tatsache, dass dank der integrierten HPC Gateway-Web-Umgebung die Eintrittsschwelle für
die Anwendung von HPC gesenkt wird. Vorbereitete Anwendungsworkflows können in die lokale HPC Gateway-Installation importiert werden.
Dadurch kann der Endnutzer standardisierte Methoden starten und beobachten. Dies senkt das Risiko ermöglicht produktives Arbeiten vom
ersten Anmelden an.
Kontakt
FUJITSU
Fujitsu Technology Solutions GmbH
Mies-van-der-Rohe-Straße 8, 80807 München, Deutschland
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E-Mail: cic@ts.fujitsu.com
Website: http://de.fujitsu.com
2014-01-28 CE & WEMEIA
* (Pro Anruf 14 Cent/Min.; die Preise für Anrufe aus dem
Mobilfunknetz sind auf 42 Cent/Min. festgelegt worden)
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