Waarom een externe CFD-simulatie uitvoeren?
Externe CFD-simulatie van datacenters is een vakgebied dat EOLIOS van begin tot eind beheerst: meer dan 350 onderzochte datacenters in 20 landen, van hyperscale campus tot de meest beperkte stedelijke locatie. Onze methoden, onderbouwd met meetcampagnes in werkelijke omstandigheden, gelden internationaal als referentie.
Een datacenter kan een ruim koelvermogen en N+2-redundantie hebben en tóch capaciteit verliezen op het slechtste moment. De reden is eenvoudig: het vermogen dat werkelijk in de zaal beschikbaar is, hangt af van de temperatuur van de lucht die de apparatuur buiten aanzuigt. Is die lucht al opgewarmd door de uitstoot van de naburige machines, dan zakken de prestaties precies op het ogenblik dat de vraag het grootst is. Dat risico staat op geen enkele tekening: alleen CFD-simulatie maakt het zichtbaar voordat het megawatts kost.
Wat de externe CFD-simulatie veiligstelt
Diagnose
- Onderzoek naar de thermische pluimen
- Werkelijke aanzuigtemperatuur van elk toestel
- Kwantificering van de recirculatie van warme lucht
Analyse
- Kritieke storingsscenario's
- Hittegolf, ongunstige wind, instationaire fasen
- Invloed van de noodstroomaggregaten
Ontwerp
- Validatie van de opstelling
- Omkastingen, schermen & overkappingen getest
- Een gevalideerde oplossing, niet enkel een vaststelling
Een tweeling van de locatie en haar omgeving
Wij bouwen een volledig digitaal model van de locatie: de omliggende gebouwen, alle koelvoorzieningen op het dak en in de gevel, de uitlaten, de verse-luchtinlaten en de details die de werkelijke stroming bepalen (windschermen, lamellen, jaloezieën, dakopstanden, omkastingen). Dat model geeft het luchtdebiet, de temperatuur en de vochtigheid op elk punt weer, voor elke bedrijfsmodus (normaal, onderhoud, nood) en elke weersconditie (temperatuur, windsnelheid en windrichting).
De capaciteit van uw zalen wordt op het dak bepaald
Een droge koeler die is geselecteerd voor lucht van 35 °C en die gerecirculeerde lucht van 47 °C aanzuigt, valt onmiddellijk terug in vermogen. In een kettingreactie verliezen de zalen hun koelcapaciteit, zonder dat ook maar één toestel defect is.
De externe luchtstroming van een datacenter
Op de binnenplaats of op het dak delen de mechanische warmte-afvoersystemen — koeltorens, droge koelers (DRY) en koelmachines — een beperkte oppervlakte met de noodstroomaggregaten. De dichtheid van de racks binnen dwingt tot een even hoge dichtheid van de apparatuur buiten: elke machine stoot een warme pluim uit op enkele meters van de aanzuigingen van haar buren.
Kolom warme lucht, lichter dan de omgevingslucht, die boven een uitstootpunt opstijgt. Zonder wind stijgt zij en verdunt zij. Met wind gaat zij liggen, rekt zij uit en kan zij worden neergedrukt naar de aanzuigingen die onder haar baan liggen.
Invloed van wind en weer
Het gedrag van de pluimen hangt af van variabelen die ontwerpers niet in de hand hebben: windsnelheid en windrichting, luchttemperatuur en luchtvochtigheid, uitstoot van naburige activiteiten. Die verschijnselen hebben een rechtstreekse invloed op de prestaties van de apparatuur buiten, en zij veranderen van uur tot uur. Het gaat er niet om het weer te voorspellen, maar om te controleren dat de locatie binnen haar werkingsgebied blijft voor alle plausibele ongunstige combinaties.
Recirculatie van warme lucht en thermische kortsluiting
Recirculatie van warme lucht is het kernmechanisme dat de externe CFD kwantificeert. Het neemt vier vormen aan, die op eenzelfde locatie vaak samen voorkomen:
Vier mechanismen om op te sporen
- Zelfrecirculatie. Een toestel zuigt zijn eigen uitstoot weer aan, neergedrukt door de wind of gevangen achter een dakopstand.
- Kruisrecirculatie. De pluim van de ene machine voedt de aanzuiging van haar buurman; de opwarming plant zich van toestel tot toestel voort tot een kettingreactie van uitval.
- Het zogeffect. Een dakopbouw, een scherm of een naburig gebouw schept een recirculatiezone die de warme lucht ter hoogte van de aanzuigingen vasthoudt.
- De opeenstapeling op een campus. Op een locatie met meerdere gebouwen warmt de uitstoot van het ene datacenter de aanzuiglucht van het volgende voor, afhankelijk van de windrichting.
Waarom de vrije ruimtes van de fabrikant niet volstaan
De documentatie van de fabrikanten geeft minimale vrije ruimtes en een maximale gebruikstemperatuur. Die forfaitaire regels laten de wind, de bebouwde omgeving en de wisselwerking tussen machines buiten beschouwing: een opstelling die perfect aan de voorschriften voldoet kan zware recirculatie veroorzaken, die alleen de simulatie aan het licht brengt. De opstelling van de koelsystemen wordt gevalideerd in de werkelijke stroming, niet in een catalogus.
„Is uw datacenter beschermd tegen het uitvallen van zijn klimaatsystemen tijdens een hittegolf?”
Op de schaal van een campus of een wijk met veel digitale infrastructuur wordt de warme uitstoot van het ene datacenter de aanzuiglucht van het andere. Die wederzijdse thermische verontreiniging, onzichtbaar op de tekeningen van elke locatie afzonderlijk, kan een goed ontworpen datacenter meerdere graden marge ontnemen. Wij kwantificeren haar door alle gebouwen en hun apparatuur te modelleren, ook die van de naburige locaties.
Extreme omstandigheden: de maatgevende scenario's
Een degelijke studie neemt geen genoegen met het nominale regime bij windstil weer. De rekencondities zijn opgebouwd uit een meteorologische analyse van de locatie (ASHRAE-gegevens van het dichtstbijzijnde station, windstatistieken), samen met de opdrachtgever gevalideerd vóór elke modellering: extreme temperatuur met een herhalingstijd van 50 jaar, overheersende windrichtingen met hun bijbehorende mediane snelheid. De gevallen worden gesimuleerd met de locatie op 90 % IT-belasting, met de aggregaten en de koelsystemen aangestuurd volgens de werkelijke bedrijfsvolgorde. Elk scenario beantwoordt een precieze ontwerp- of beheersvraag.
De standaardscenario's van een externe CFD
Het validatiecriterium
Het validatiecriterium laat geen ruimte voor twijfel: elk kritiek toestel moet de IT-belasting onafgebroken aankunnen in alle gesimuleerde gevallen, zonder zijn maximale aanzuigtemperatuur te overschrijden. Is een maatregel nodig, dan wordt zij gemodelleerd en opnieuw getest bij de meest ongunstige windcondities, om de werkelijke winst te becijferen.
Instationaire fasen: de minuten die tellen
De instationaire scenario's volgen het verloop minuut per minuut: het opstijgen van de pluimen bij het gelijktijdig starten van de noodstroomaggregaten, het omschakelen van de koelmodi, de terugkeer naar het nominale regime. In die korte fasen concentreren zich de temperatuuroverschrijdingen, die in een stationaire berekening onzichtbaar blijven.
Noodstroomaggregaten: warme pluimen en NOx-uitstoot
Noodstroomaggregaten dragen twee verschillende risico's in zich. Het eerste is thermisch: hun uitlaten en luchtverhitters stoten, zowel bij de periodieke testen als in noodbedrijf, zeer warme pluimen uit die de aanzuigingen van de koelsystemen kunnen verzadigen op het ogenblik dat de locatie in verstoord bedrijf draait.
Het tweede raakt gezondheid en regelgeving: de verbrandingsrook, beladen met stikstofoxiden (NOx), mag niet worden aangezogen door de luchtbehandelingskasten van de kantoren of door de verse-luchtinlaten, en evenmin naar de omgeving worden neergedrukt. De simulatie controleert de verspreiding van de uitstoot voor elke windrichting en stuurt de hoogte van de schoorstenen, hun oriëntatie en de uitblaassnelheid, in samenhang met de drukverliezen van de kanalen van het noodstroomaggregaat.
Conformiteit. De concentraties bij de verse-luchtinlaten en bij de te openen delen van de bezette ruimtes worden vergeleken met de geldende grenswaarden (lokale regelgeving en eisen van de opdrachtgever); het rapport documenteert elk controlepunt, windrichting per windrichting.
Ook de maandelijkse testen simuleren
De periodieke testen vormen een volwaardig scenario: elke maand starten de aggregaten terwijl de locatie normaal draait. De simulatie controleert of die testen bij ongunstige windrichtingen de prestaties van de droge koelers of de luchtkwaliteit bij de verse-luchtinlaten niet aantasten, en maakt het zo nodig mogelijk het tijdvenster of de volgorde van de testen aan te passen.
Hitte-eiland en stedelijke inpassing
Een datacenter is een permanente warmtebron in zijn wijk. Op stedelijke schaal beschrijft de CFD de verspreiding van de pluimen naar de opstelling van de apparatuur, de vorm van de bebouwing, de materialen en het werkelijke weer, en becijfert de temperatuurstijging bij de omwonenden. Voor die analyse bestaat een apart vakgebied: het onderzoek naar het hitte-eilandeffect van datacenters.
Zij voedt de effectrapportage en het overleg met de overheid: vergelijking van inplantingsvarianten, groenschermen, droge koelers met variabel toerental, benutting van restwarmte. Zij documenteert objectief wat het project verandert — en wat het niet verandert.
De methode van EOLIOS: van 3D-model tot becijferd oordeel
De waarde van een externe CFD schuilt in de getrouwheid van het model en in de relevantie van de scenario's. Ons 3D-model omvat de volledige locatie: het reliëf, de omliggende gebouwen, de gevels met hun lamellen, de dakopstanden en dakopbouwen, en elk toestel met zijn debietcurven en werkelijke uitblaastemperaturen, gestaafd met de gegevens van de fabrikant. De obstakels in het luchttraject (muren, dakopstanden, zichtschermen) worden gemodelleerd met hun gedocumenteerde vrije oppervlak, en gebouwen die in fasen worden opgeleverd, worden in hun volledige configuratie gesimuleerd.
Het verloop van een studie
- Verzamelen. Plannen, technische fiches van de apparatuur, bedrijfsregimes, klimaatgegevens van de locatie.
- 3D-modellering. Locatie, omliggende bebouwing, apparatuur en stromingsdetails, met een verfijnd rekenrooster rond de uitblazen en de aanzuigingen.
- Scenario's. Nominaal, hittegolf, ongunstige winden, onderhoud en noodbedrijf, zowel stationair als instationair.
- Analyse en aanbevelingen. Kaarten, kwantificering van de recirculaties, oplossingen getest in hetzelfde model.
Onze studies voldoen van meet af aan aan de CFD-bestekken van hyperscale- en colocatieoperatoren: voorgeschreven scenario's, validatiecriteria, minimale rapportinhoud. 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.
Conform de CFD-referentiekaders van de hyperscalers
- Voorafgaande weeranalyse ter validatie voorgelegd vóór de modellering (dichtstbijzijnde station, extremen N = 50 jaar).
- Snelheids-, temperatuur- en drukvlakken in horizontale en verticale doorsneden, op halve hoogte en aan de bovenzijde van elk kritiek toestel.
- Thermische stroomlijnen vanaf elke uitlaat, met snelheidsvectoren die onderdrukken, tegendrukken en recirculaties aanwijzen.
- Tabel van opwarming en vermogensterugval per kritiek toestel bij het ongunstigste scenario, temperaturen van alle luchtinlaten van het gebouw, en de maatregel opnieuw gesimuleerd bij de slechtste wind.
Frankfurt: een recirculatie opgespoord vóór de uitvoering
Drie gesimuleerde scenario's (zonder wind, ongunstige wind in regime N, ongunstige wind in kritiek regime N+X) op een locatie met 26 noodstroomaggregaten: een recirculatie bij de zuidwestelijke lamellen, veroorzaakt door de gedeeltelijke verstopping van de afvoerkanalen, is opgespoord en vooraf verholpen. Bekijk het project.
Het oordeel is toestel per toestel becijferd: aanzuigtemperatuur vergeleken met de grens van de fabrikant, opwarming toe te schrijven aan recirculatie, capaciteitsverlies per scenario. Duikt er een risico op, dan worden de corrigerende oplossingen rechtstreeks in het model getest: omkastingen en overkappingen, schermen, verhoging van de uitblaaspunten, herrichting van de machines, gefaseerde toerentallen. Wij leveren geen probleem af, wij leveren de gevalideerde oplossing.
Van temperatuur naar beschikbaar koelvermogen
De kaart is geen doel op zich: zij wordt vertaald naar vermogen. Voor elke droge koeler, dry of koelmachine wordt de berekende aanzuigtemperatuur gekruist met de prestatiecurve van de fabrikant om het koelvermogen te bepalen dat in het onderzochte scenario werkelijk te leveren is. De optelsom over alle toestellen geeft de terugval van het beschikbare koelvermogen van de locatie, scenario per scenario, vergeleken met de IT-vraag: men weet welke machines terugvallen, met hoeveel, en hoeveel marge er rest voordat zalen verloren gaan.
PUE: een zelden herkende energiebron
Recirculatie van warme lucht bedreigt niet alleen de beschikbaarheid: zij drukt het hele jaar door op de elektriciteitsrekening. Een opwarming van 3 tot 5 °C aan de aanzuiging van de dry's en de koelmachines verlaagt hun COP met ongeveer 2 tot 3 % per extra graad: tussen 42 en 47 °C aangezogen lucht is dat 10 tot 15 % rendementsverlies, en verbruikt elk toestel meer om dezelfde koude te leveren, uur na uur, ook buiten een hittegolf. Op de schaal van een datacenter, waar de koeling 30 tot 40 % van het elektriciteitsverbruik uitmaakt, kan die stille meerkost oplopen tot ongeveer 4 tot 7 % van het verbruik van de locatie, een PUE-afwijking die weinig beheerders aan de externe luchtstroming weten toe te schrijven. De opstelling corrigeren of de apparatuur omkasten wordt dan een rechtstreekse hefboom voor energieoptimalisatie en PUE.
Adiabatische koeling: de vochtigheid telt mee in de berekening
Verdampingskoeling beperkt zich niet tot bevochtigingsmedia en vernevelaars: de koeltorens en de adiabatische dry's benutten hetzelfde principe, en hun doeltreffendheid wordt begrensd door de natteboltemperatuur van de aangezogen lucht, niet alleen door de drogeboltemperatuur. Ons model transporteert daarom ook de vochtigheid, behandeld als massafractie waterdamp met haar effect op de opwaartse kracht van de pluimen: vochtige uitstoot die naar naburige aanzuigingen recirculeert, verhoogt de plaatselijke natteboltemperatuur en knaagt precies aan het verwachte koelpotentieel. De simulatie berekent het vochtigheidsveld rond de locatie, controleert de werkelijke benadering van elk toestel in adiabatische modus en maakt de dimensionering betrouwbaar, tot en met het bijbehorende waterverbruik. De bijzonderheden van koeltorens (pluimen, ICPE-regelgeving) komen aan bod in een apart dossier.
Wat u ontvangt
- 3D-kaarten van temperatuur en snelheid op het dak en in de omgeving, per scenario.
- Tabel met de conformiteit per toestel: aanzuigtemperatuur vergeleken met de grens van de fabrikant.
- Kwantificering van de recirculatie en van het bijbehorende capaciteitsverlies.
- Curve van het beschikbare koelvermogen per scenario, waarin aanzuigtemperaturen en fabrikantcurven worden gekruist.
- Concentraties verontreinigende stoffen (NOx) bij de luchtinlaten, vergeleken met de geldende grenswaarden.
- Aanbevelingen voor de opstelling naar belang gerangschikt en al in het model getest.
Ingenieurs die deel uitmaken van uw ontwerpteams
EOLIOS is een studiebureau van ingenieurs gespecialiseerd in het thermische en stromingstechnische ontwerp van datacenters. Externe CFD is voor ons geen losse dienst: het is een ontwerpinstrument, in dienst van een gevalideerde opstelling.
Een korte lus, van schetsontwerp tot uitvoering
Wij werken binnen de ontwerpteams, naast de architecten, de HVAC-studiebureaus, de aannemers en de beheerders. Al bij het schetsontwerp sturen wij de opstelling van de apparatuur en de gevelkeuzes bij; in de voorontwerpfase wordt elke variant afgewogen op simulatieresultaten in plaats van op forfaitaire regels; bij de uitvoering wordt het definitieve ontwerp in zijn extreme omstandigheden gevalideerd. Die korte lus voorkomt late wijzigingen, die het duurst uitvallen.
Inrichting van de campus en opstelling van de apparatuur, al vanaf het schetsontwerp door de simulatie gestuurd.
De sterkste hefboomInplantingsvarianten afgewogen op CFD-resultaten, niet op forfaitaire regels.
Varianten vergelekenDefinitief ontwerp gevalideerd in zijn extreme omstandigheden: hittegolf, ongunstige wind, noodbedrijf.
ValidatieAudit, diagnose en oplossing van de thermische problemen van locaties in bedrijf.
Audit & oplossingVan externe CFD naar digital twin
De externe studie sluit aan op de interne CFD-simulatie van de serverruimtes: de aanzuigtemperatuur van de droge koelers bepaalt rechtstreeks de capaciteit die in de zaal beschikbaar is. Zij loopt door tot in de commissioning en daarna in het beheer via de digital twin van de locatie voor haar rekening.
Wat wij het ontwerpteam bieden
- Antwoorden op het ritme van het project. Inplantingsvarianten binnen enkele dagen afgewogen, niet pas aan het einde van een fase.
- Een gemeenschappelijke taal. 3D-beelden en -animaties die de investeerder, de architect en de beheerder allemaal begrijpen.
- Onderbouwde marges. Redundantie en extreme omstandigheden door berekening gevalideerd, gedocumenteerd voor de beschikbaarheidsafspraken.
- Continuïteit. Hetzelfde model dient van het schetsontwerp tot de digital twin voor het beheer.