Interne CFD van serverruimtes.

Waarom de binnenkant van een serverruimte simuleren?

De interne CFD-simulatie van serverruimtes is de historische kern van EOLIOS: meer dan 350 onderzochte datacenters in 20 landen. Wij werken voor elk type zaal, van de hyperscale data hall tot de bedrijfs- of colocatiezaal, zowel in ontwerp als op bestaande centra, die wij auditen en modelleren. Want de klimatisering van een IT-zaal kan qua vermogen correct gedimensioneerd zijn en toch plaatselijk tekortschieten: alles draait om de luchtverdeling.

Globale warmtebalansen waarborgen dat het geïnstalleerde koelvermogen het afgegeven vermogen dekt. Zij zeggen niets over de kern van de zaak: de temperatuur van de lucht die werkelijk elke server binnenkomt. Tussen de klimaatunit en het rack mengt de lucht zich, gaat zij eromheen en recirculeert zij; twee naburige racks kunnen lucht met 10 °C verschil aanzuigen. Precies dat onzichtbare traject maakt CFD-simulatie zichtbaar.

Wat de interne CFD-simulatie veiligstelt

De luchtstroming van een serverruimte

De standaardindeling scheidt de stromen in koude gangen, waar de verse lucht vóór de voorzijde van de racks wordt ingeblazen, en warme gangen, die de aan de achterzijde uitgestoten lucht opvangen. Het plenum onder de verhoogde vloer, de geperforeerde vloertegels en de CRAC/CRAH-units sluiten de kring.

Die scheiding is nooit volmaakt. Twee verschijnselen tasten haar aan, en precies die becijfert de CFD nauwkeurig.

De thermische lezing: bypass, recirculatie en hotspots

De druklezing: het verschil tussen koude en warme gang

Enkele pascal volstaan om een zaal van het ene regime in het andere te doen kantelen, en daar draait de afstelling om: te weinig druk aan de koude zijde en de warme lucht stroomt terug naar de aanzuigingen, te veel druk en de koude lucht loopt langs de servers heen om meteen naar de retour te gaan. De meter hieronder vat die lezing samen, dezelfde die onze ingenieurs vanaf de eerste berekening toepassen, unit per unit en tegel per tegel.

Wat het CFD-model nabootst

Het model bootst de zaal na zoals zij is, of zoals zij zal zijn: geometrie, apparatuur en bedrijfsregimes. Vervolgens lost het de vergelijkingen van de stromingsleer op over miljoenen cellen om de velden van snelheid, temperatuur en druk op elk punt weer te geven.

De kwaliteit van het resultaat hangt af van de getrouwheid van die invoer. Bij een bestaande zaal maakt een meetcampagne (temperaturen, debieten, thermografie, rookproeven) het mogelijk om het model te kalibreren: de digital twin geeft eerst de waargenomen toestand weer en dient daarna als betrouwbare proefbank voor de wijzigingen. Die stap is niet verplicht: bij een nieuwbouwproject werkt het model rechtstreeks vanaf de plannen en de gegevens van de fabrikant.

„Het luchtdebiet van een rooster in een verhoogde vloer kan met meer dan 50 % verschillen naargelang de plaats, de indeling van de zaal en de afstand tot de klimaatsystemen.”

ASHRAE, CAT, SIT: de criteria die tellen

Een zaal wordt niet op haar gemiddelde beoordeeld. De CFD-referentiekaders van de grote colocatie- en hyperscale-operatoren steunen op twee genormeerde temperaturen, die elk gesimuleerd geval moet halen.

De precieze drempels verschillen van operator tot operator en hangen af van de koelwijze: strenger bij architecturen met koelmachines, ruimer bij free cooling en verdampingskoeling. Alle passen binnen het openbare kader ASHRAE TC 9.9: de aanbevolen marge van 18 tot 27 °C, en daarna de toelaatbare marges van de klassen A1 tot A4 die beheerste uitschieters toelaten. In alle gevallen wordt de conformiteit beoordeeld met N koelunits, waarbij de redundantie is opgebruikt, zowel voor de vochtigheid als voor de temperatuur; instationair geldt een ruimere tolerantie, maar strikt in de tijd begrensd.

De weergave in SIT-klassen

Het rapport blijft niet bij een minimum en een maximum: elk rack wordt per SIT-klasse ingedeeld, geval per geval. Die weergave toont in één oogopslag hoeveel racks in orde zijn, hoeveel op de rand zitten en waar de overschrijdingen zich opstapelen.

Scenario's: de cascade van gevallen, van nominaal tot de slechtste storing

Het nominale regime

De eerste berekening levert de referentiekaart: de inlaattemperatuur van elk rack, de debieten die elke vloertegel werkelijk levert, het evenwicht van de drukken. Zij legt de bestaande hotspots bloot en rangschikt de correcties: de vloertegels afstellen, de vrije U-posities dichtzetten, de debieten in balans brengen, containment aanbrengen, tot en met de fijnafstelling zoals de plaats van de roosters, de setpoints van de CRAC/CRAH of de koudwatertemperatuur.

De cascade van gevallen uit de hyperscale-referentiekaders

De CFD-bestekken van de hyperscale- en colocatieoperatoren laten geen vrije keuze van scenario's: zij schrijven een cascade-aanpak voor, waarbij elk geval op het vorige voortbouwt en een precieze vraag beantwoordt. Onze studies volgen die van meet af aan.

De storingsscenario's

Een zaal die in nominaal regime conform is kan binnen enkele minuten omslaan zodra een toestel uitvalt. De simulatie beoordeelt eerst de gangbare storingen in het beheer: het wegvallen van een of meer klimaatsystemen, het stilleggen van een unit voor onderhoud, het sluiten van een klep. Het zoeken naar het slechtste geval gebeurt stelselmatig: er wordt niet zomaar een unit weggenomen, meerdere combinaties van uitvallen worden opnieuw gesimuleerd, ook de elektrische storingen, want één verdeelkast kan meerdere units tegelijk stilleggen. Op het gekalibreerde model wordt gecontroleerd of de overblijvende klimaatunits de belasting aankunnen zonder dat een rack buiten de toelaatbare marge valt, worden de meest blootgestelde rijen aangewezen en wordt de aangekondigde redundantie (N+1, 2N) daadwerkelijk gevalideerd in plaats van verondersteld.

De ontwikkelingsprojecten

Verdichting, de komst van AI- of HPC-racks met hoog vermogen, overstap op containment, hogere setpoints om de PUE te verbeteren: elke variant wordt virtueel op het gekalibreerde model getest. De afwegingen gebeuren op vergelijkende temperatuurkaarten, niet op forfaitaire regels. Zo'n verbouwing stopt trouwens niet bij de IT-zaal: de extra belasting slaat door op de omvormers, de hoofdverdeelkasten en de batterijen, waarvan de koeling onder de thermische analyse van de technische ruimtes valt. Tot slot maakt hetzelfde model het mogelijk de werken te faseren: welke racks eerst verplaatsen, welke units tijdens de migratie stilleggen, en in welke volgorde, zonder ooit buiten de toelaatbare marge te komen.

De interne studie sluit ten slotte aan op de externe CFD-simulatie van een datacenter: de recirculatie van warmeluchtpluimen op het dak en het vermogensverlies van de droge koelers bij extreme omstandigheden bepalen rechtstreeks de koelcapaciteit die in de zaal beschikbaar is. De referentiekaders schrijven dat trouwens uitdrukkelijk voor: de interne gevallen worden gesimuleerd onder het slechtste scenario van de externe CFD, met inbegrip van de daaruit volgende vermogensterugval van de koudeproductie.

Stroomuitval: de minuten die tellen

Het meest kritieke scenario wordt behandeld in een instationair regime: wat gebeurt er bij een stroomonderbreking op de locatie? De berekening volgt de temperatuurstijging minuut per minuut en becijfert de beschikbare tijd vóór de kritieke drempels van de servers worden bereikt. Zij neemt de traagheid van de koudwaterkring mee, de omschakelvolgorde naar de omvormers en daarna de noodstroomaggregaten, en het herstarten van de noodapparatuur, met aanwijzing van de zwaarst getroffen servers. Die objectieve termijn wordt de sleutelgegeven voor de bedrijfsprocedures en voor de dimensionering van de noodvoorzieningen.

Niets is er forfaitair. Elke bron van thermische traagheid wordt onderbouwd: het volume van de koudwaterkring, de buffervaten, de massa van de vloerplaat en de racks. De herstarttijden van de koelmachines en de generatoren komen uit de fabriekstesten (FAT) wanneer die hebben plaatsgevonden; zo niet wordt de simulatie hernomen zodra de testen de werkelijke tijden opleveren. En beschikt de locatie over gewaarborgde continue koude, dan dient de instationaire studie om de traagheid ervan te dimensioneren in plaats van de noodzaak ervan aan te tonen. Die koudereserves zijn trouwens het onderwerp van volwaardige CFD-studies: de gelaagdheid in de warmte- en koudebuffervaten bepaalt de energie die op het ogenblik van de onderbreking werkelijk vrijkomt, en het hydraulische gedrag van de koudwaterkring en haar leidingnet bepaalt hoe snel die koude de zalen bereikt.

Een vaak vergeten criterium vervolledigt de analyse: de temperatuur die in de warme gang wordt bereikt, wordt vergeleken met de aanspreekdrempel van de sprinklerkoppen, om te controleren dat een stroomonderbreking niet kan ontaarden in een ongewild aanspreken van de brandblusinstallatie boven de racks.

Containment, hoge dichtheid en liquid cooling

Het fysiek afschermen van de gangen is de meest bepalende hefboom om de stromen te scheiden. De keuze van de configuratie hangt af van de zaal, haar hoogte, haar wijze van luchtretour en haar bedrijfseisen: met CFD zijn de opties op uw werkelijke geometrie te vergelijken.

In alle gevallen hangt de werkelijke doeltreffendheid af van de lekken: ontbrekende panelen, kabeldoorvoeren, lege racks. De simulatie houdt daar rekening mee en voorkomt dat de winst van een theoretisch volmaakt containment wordt overschat.

Containment is ook een financiële hefboom: het kan recht geven op de energiebesparingscertificaten (CEE, de Franse regeling) op grond van de fiche voor gangcontainment in serverruimtes. Een gedocumenteerde CFD-studie, met becijferde winst vóór en na, is een sterk dossierstuk voor de aanvraag.

Hoge dichtheid en DLC opvangen in een bestaande zaal

Het inpassen van racks met hoge dichtheid of met vloeistofkoeling (DLC, Direct Liquid Cooling) zet bestaande zalen op hun kop en vraagt om een aanpak in twee stappen. Eerst een capaciteitsbalans: de simulatie projecteert de werkelijk beschikbare middelen (elektrisch vermogen, koudeproductie, debieten), zij verzint ze niet. Daarna de fysieke randvoorwaarden die de berekening niet rechtstreeks behandelt: draagkracht van de vloer, looppaden, onderhoudshandelingen en het vervangen van machines. Die voorafgaande controles bepalen de waarde van de studie.

Dan volgt de afweging van de „mix cooling”: luchtkoeling, DLC en koeldeuren in dezelfde zaal laten samengaan. De CFD vergelijkt de mogelijke verdelingen en legt onvermoede effecten bloot: wervels en plaatselijke onderdrukken, warmteafgifte van de busbars, drukverliezen van de hydraulische netten.

Hybride zalen: lucht en vloeistof naast elkaar

Liquid cooling schaft de luchtstroming niet af, het herschikt haar. Een deel van de warmte wordt nog altijd aan de lucht afgegeven: de randelektronica van de DLC-racks, de voedingen, de warmtewisselaars van de CDU's, en de klassieke racks die de referentiekaders tussen de vloeistofposities voorschrijven. De bestekken eisen dan ook dat een minimaal luchtdebiet, een door het referentiekader bepaalde fractie van het nominale debiet behouden blijft: de CFD controleert of dat resterende debiet, geleverd door minder units, elk luchtgekoeld rack nog bereikt.

Het model neemt de CDU's op, de hydraulische leidingen die in de warme gang boven de racks lopen met hun belastingsgrenzen per aftakking, de uitgeschakelde luchtgekoelde units die plaats vrijmaken, en de ruimte die dat in het plenum inneemt. De verdeling lucht/vloeistof van elke rij wordt op temperatuurkaarten afgewogen, positie per positie, ook voor de toekomstige uitrol die de zaal zal moeten opvangen.

De methode van EOLIOS

EOLIOS is een studiebureau van ingenieurs gespecialiseerd in het klimaatontwerp van datacenters. Interne CFD is voor ons geen visualisatieoefening: het is een ontwerpinstrument, gedragen door de dagelijkse praktijk van IT-zalen.

Onze teams ontwerpen serverruimtes en maken ze betrouwbaar voor spelers uit de hyperscale, de colocatie en de bedrijfsinfrastructuur, in Frankrijk en internationaal. Wij werken over de hele levenscyclus: klimaatdimensionering al bij het schetsontwerp, indeling van de gangen, validatie van de redundantie in een extreem scenario, commissioning met loadbanks, en daarna begeleiding van het beheer via de digital twin. Die dubbele cultuur, ontwerp én beheer, stelt ons in staat elke simulatie te vertalen naar realistische actieplannen die verenigbaar zijn met de dagelijkse handelingen en met de continuïteit van de dienstverlening. Investeerders, integratoren en beheerders steunen op onze studies om hun keuzes van klimaatarchitectuur af te wegen en hun beschikbaarheidsafspraken te documenteren.

Want het instrument doet niet alles: zonder de blik van een beheerder blijft een simulatie een plaatje. Elke studie mondt uit in concrete en meteen toepasbare aanbevelingen (regelstrategieën, verstoorde bedrijfsmodi, opvolgindicatoren), gerangschikt naar twee vaste prioriteiten: de continuïteit van de dienstverlening en de energie-efficiëntie.

Onze studies voldoen van meet af aan aan de CFD-bestekken van hyperscale- en colocatieoperatoren: voorgeschreven cascade van gevallen, CAT/SIT-criteria, minimale rapportinhoud, eindproducten in het Engels wanneer het referentiekader dat vraagt. En omdat een project niet wacht: onze eigen rekencapaciteit stelt ons in staat spoedsimulaties uit te voeren, met eerste resultaten binnen enkele dagen wanneer de opdrachtgever dat nodig heeft.

De resultaten nemen de vorm aan van 3D-beelden en -animaties die alle betrokkenen bij het project begrijpen, van de investeerder tot de beheerder, bruikbaar in een vergadering én in een technisch dossier. Vraagt de vertrouwelijkheid het, dan zijn de modellen alleen leesbaar via een speciale viewer die EOLIOS levert.