Optimalisatie CFD – Datacenter.

Thermische en luchtstromingsstudie van een datacenter: CFD-expertise

EOLIOS heeft een externe CFD-simulatie van de koeling op het dak van een datacenter uitgevoerd, om het ontwerp te valideren en de thermische recirculatie tussen noodstroomaggregaten en droge koelers te beheersen voor de inbedrijfstelling.

De thermische uitdaging van datacenters

In een tijd waarin grootschalige datacenters zich vermenigvuldigen, wordt het beheer van de koelsystemen cruciaal, door de toenemende dichtheid van de IT-apparatuur, vaak meer dan 10 kW per rack. De hoofdopgave is de vrijkomende warmte van die apparatuur met hoge dichtheid efficiënt af te voeren. Bij EOLIOS zetten wij onze technische expertise voor u in met studies in numerieke stromingsleer (CFD) om de warmte- en luchtuitwisseling van een datacenter te modelleren en te optimaliseren.

Doel en omvang van de studie

Deze analyse richt zich specifiek op de externe uitstootpluimen van de droge koelers, de noodstroomaggregaten en de andere installaties op het dak. Het doel is na te gaan of de afvoer van hun warmte de aanzuiglucht kan verontreinigen door recirculatielussen. Wij simuleren het thermische en luchttechnische gedrag van die pluimen met numerieke CFD-berekeningen, om de temperatuur van de aanzuiglucht optimaal te beheersen en elke onderlinge verstoring te voorkomen.

De studie moet het ontwerp van het gebouw valideren en de plaats van de systemen op het dak, door te controleren of de luchttemperaturen bij de intake van de koelers laag genoeg blijven en door eventuele recirculatie aan te wijzen. Ze dekt verschillende bedrijfsscenario's: hoge temperaturen, verschillende windrichtingen en het starten van de noodstroomaggregaten. Wordt er een probleem gevonden, dan wijzen wij de oorzaak aan en stellen wij passende correcties voor.

De kern in cijfers

ASHRAE-klimaatgegevens voor de CFD

Normen gebruiken voor een nauwkeurige en efficiënte CFD-simulatie

De juiste instelling van de buitencondities is fundamenteel om het thermische beheer van datacenters te optimaliseren met CFD-simulatie. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) is een internationale referentie die niet te omzeilen is. Door normen op te stellen en nauwkeurige klimaatgegevens te leveren, kunnen ingenieurs en ontwerpers hun installaties voor verwarming, ventilatie, koeling en refrigeratie (HVAC-R) op de werkelijke omgeving afstemmen. ASHRAE verzamelt weergegevens van duizenden stations wereldwijd en waarborgt betrouwbaarheid en nauwkeurigheid met gemiddelde en extreme waarden die over decennia zijn gemeten.

Die gegevens zijn essentieel voor een goede dimensionering van de buiteninstallaties. Door de gemiddelde en de extreme temperaturen mee te nemen helpen ze realistische scenario's te voorzien, wat overdimensionering voorkomt en de energie-efficiëntie optimaliseert. Voor onze studie zijn de plaatselijke klimaatcondities bepaald met het weerstation dat het dichtst bij de locatie ligt, dat cruciale informatie levert — zoals de maandtemperaturen en de windmetingen — die bepalend is voor de weersomstandigheden en de heersende winden.

Op basis van betrouwbare en gestandaardiseerde klimaatgegevens kunnen wij efficiënte en duurzame buiteninstallaties dimensioneren, afgestemd op de eisen van de verschillende klimaatomstandigheden.

3D-modellering van een datacenter voor de thermische en luchttechnische simulatie

EOLIOS bouwt een digital twin van het datacenter en zijn directe omgeving, met een getrouwe weergave van de geometrie van de bebouwing, de installaties op het dak en de naburige obstakels die de luchtstroming kunnen beïnvloeden. Dat model is de basis voor alle berekeningen.

Van klimaatgegeven tot CFD-berekening

De scenario's van de externe studie zijn de volgende:

• Scenario standaard — met heersende wind
• Scenario standaard — met ongunstige wind
• Scenario kritiek — met ongunstige wind

Een overkapping is aangebracht bij de uitblaas van de luchtkoelers om recirculatie zo klein mogelijk te houden. Die zone wordt begrensd door wanden met akoestische panelen, en er zijn mechanische lamellen aangebracht in de onderste delen van die wanden.

De 26 noodstroomaggregaten staan grotendeels aan de zuidwestzijde van het gebouw, zowel op het dak als verdeeld over twee verdiepingen binnen. Om de warmte-uitstoot van de aggregaten weg te leiden zijn 5 afvoerkanalen op hoogte geplaatst. De verse lucht voor de aggregaten komt binnen via de zuidwestfaçade van het gebouw, uitgevoerd met mechanische lamellen.

Bij deze 3 studies zijn de noodstroomaggregaten in bedrijf, om de meest ongunstige situatie qua warmte-uitstoot mee te nemen. De koelunits, geconcentreerd aan de noordoostzijde van het gebouw, bestaan uit 30 koelmachines en 3 droge koelers. De aanwezigheid van hulpinstallaties op het dak, zoals de luchtbehandelingskasten en de warmtepompen, is eveneens meegenomen.

Resultaten van de externe simulatie: het ontwerp gevalideerd

De studie heeft het externe ontwerp van het datacenter onderzocht in drie kritieke scenario's, op basis van wisselende windrichtingen en het beheer van de koelsystemen, telkens bij extreme klimaatcondities volgens de ASHRAE-standaarden.

Scenario 1 — heersende wind, standaardbedrijf (N)

Geen noemenswaardige luchtrecirculatie is in dit scenario vastgesteld. De simulaties laten zien dat de temperatuur bij de aanzuiging van de koelunits dicht bij de omgevingstemperatuur blijft, wat wijst op een geoptimaliseerd ontwerp van de luchtinlaat. De opbouw en de indeling van het dak worden in deze omstandigheden uitstekend bevonden en waarborgen een goede thermische regeling.

Scenario 2 — ongunstige wind, standaardbedrijf (N)

De studie heeft een lichte luchtrecirculatie aan de zuidwestelijke lamellen aan het licht gebracht, vooral door de gedeeltelijke belemmering van de afvoerkanalen van de aggregaten. Een middenzone zonder installaties geeft echter voldoende toegang tot verse lucht, wat het effect verzacht. De aanzuigtemperatuur stijgt, met name bij de systemen aan de zuidzijde, maar blijft onder controle. De afvoerkanalen van de aggregaten zorgen voor een effectieve afleiding van de warme lucht, waardoor de mogelijke interactie met de droge koelers zo klein mogelijk blijft.

Scenario 3 — ongunstige wind, kritiek bedrijf (N+X)

De problemen met luchtrecirculatie blijven bestaan en worden versterkt door de lagere uitblaassnelheden bij volle capaciteit. Dat vergroot de neiging tot recirculatie, vooral rond de lamellen benedenwinds. De aanzuigtemperaturen stijgen aanzienlijk, vooral bij de units aan de zuidzijde. Ondanks die omstandigheden blijft de lucht die de aggregaten aanzuigen op omgevingstemperatuur, dank zij een goed doordachte afleiding van de warme luchtmassa's.

Vergelijkend overzicht van de scenario's

Kwalitatief overzicht van de drie gesimuleerde scenario's — EOLIOS Ingénierie.

Energieoptimalisatie van de droge koelers met CFD-simulatie

EOLIOS optimaliseert de energie-efficiëntie van de droge koelers van datacenters met numerieke stromingssimulatie (CFD).

Met CFD maken wij geavanceerde driedimensionale modellen die het thermische gedrag en de luchtstroming binnen de koelsystemen getrouw weergeven. Door die modellen te analyseren kunnen wij de zones met oververhitting en de punten van energieverlies nauwkeurig aanwijzen, en de opstelling van de warmtewisselaars en ventilatoren optimaliseren.

Naar een beheerste PUE

Met die aanpak stellen wij de luchtsnelheid en de richting van de stromen per buitenklimaat fijn af, wat de energie-efficiëntie verbetert zonder de prestaties aan te tasten. Bovendien verlagen onze oplossingen de Power Usage Effectiveness (PUE), een bepalend criterium voor datacenters, door het energieverbruik rationeler te maken en de exploitatiekosten voor onze klanten zo laag mogelijk te houden. Zo leveren wij strategische aanbevelingen voor robuuste en efficiënte systemen van thermisch beheer.

Innovaties voor efficiënte dakontwerpen

Het dak, de echte « vijfde façade », speelt een cruciale rol in de energie-efficiëntie van datacenters. Onze oplossingen bouwen op overkappingen die de ventilatie passief verbeteren en het thermische beheer optimaliseren. Met CFD-simulatie modelleren wij verschillende ontwerpen van overkappingen en analyseren wij hun effect op de natuurlijke luchtcirculatie. Zo ontwerpen wij constructies die de heersende winden en de drukverschillen slim benutten voor effectieve dwarsventilatie, wat de afhankelijkheid van mechanische koeling vermindert en de opgebouwde warmte helpt afvoeren.

Door reflecterende materialen en innovatieve isolatietechnieken toe te passen dragen onze overkappingen bij aan een aanzienlijk lagere warmtelast. Zo verkleinen wij niet alleen de energievoetafdruk van datacenters, maar voegen wij ook een laag klimaatweerbaarheid toe, essentieel om de continuïteit van de werking bij wisselend weer te waarborgen.

Interne studie: het risico op oververhitting verlagen met CFD

Het optimaliseren van de koelsystemen, zoals de koelmachines en de noodstroomaggregaten, is essentieel voor de prestaties van datacenters. Bij hoge dichtheden van servers en elektronica, die kunnen oplopen tot meer dan 10 kW per rack, wordt het thermische beheer een grote uitdaging. Onbeheerste oververhitting kan leiden tot hardwarestoringen, minder betrouwbare en minder beschikbare diensten, en vroegtijdige veroudering van de apparatuur.

Meer dan temperatuur: kosten en duurzaamheid

Het optimaliseren van de koelsystemen gaat dus verder dan een stabiele en passende temperatuur houden; het is ook cruciaal om de energiekosten te verlagen, die een groot deel van de exploitatiekosten van datacenters vormen. Door het energieverbruik zo laag mogelijk te houden verkleint die optimalisatie bovendien de koolstofvoetafdruk van de installaties, in lijn met de groeiende duurzaamheidseisen in de sector. De uitgevoerde numerieke simulaties hebben gedetailleerde informatie geleverd, met name over de temperaturen van de systemen in de verschillende scenario's.

Samenwerking en maatwerk

EOLIOS is bijzonder goed in het meenemen van de specifieke behoeften van bedrijven gedurende het hele studieproces, waardoor een echt partnerschap ontstaat. Op basis van een grondig begrip van de verwachtingen en doelen van de klant ontwikkelen wij oplossingen op maat, afgestemd op de bijzonderheden van elke vraag.

Door open en voortdurende communicatie zorgt het bureau ervoor dat alle betrokkenen op één lijn zitten over de doelen en de fasen van het project. De teams van EOLIOS werken hand in hand met de bedrijven en bieden niet alleen technische expertise maar ook relationeel vakmanschap. Onze klantgerichte aanpak, samen met gespecialiseerde kennis, waarborgt dat de studies aan de verwachtingen van de bedrijven voldoen, met een zo effectief en relevant mogelijk resultaat.

EOLIOS — studiebureau met expertise in datacenters

Bij EOLIOS is het onze opdracht u te begeleiden bij het ontwerp en de beoordeling van uw koel- en ventilatiesystemen voor datacenters, met een optimale efficiëntie en een hogere veiligheid voor uw infrastructuur. Met onze expertise in CFD-simulatie analyseren wij de thermische en luchttechnische verschijnselen om het thermische beheer te optimaliseren.

Doordat wij de numerieke simulatie beheersen, wijzen wij de kritieke luchtstromen aan en de zones waar ongewenste bypass kan ontstaan. Door die analyses in onze aanpak op te nemen waarborgen wij een optimale luchtverdeling, wat het risico op oververhitting in de gevoelige zones verkleint en de werking van uw systemen efficiënter maakt. Wij voeren grondige beoordelingen uit om de effectiviteit van uw koelsystemen te valideren en te optimaliseren, met inbegrip van de meest ongunstige scenario's, om de levensduur en de prestaties van uw datacenters zeker te stellen.