Zewnętrzna symulacja CFD data center.

Dlaczego wykonać zewnętrzną symulację CFD?

Zewnętrzna symulacja CFD data center to specjalizacja, którą EOLIOS opanował od początku do końca: ponad 350 przeanalizowanych centrów danych w 20 krajach, od kampusów hyperscale do najbardziej ograniczonych obiektów miejskich. Nasze metody, oparte na kampaniach pomiarowych w warunkach rzeczywistych, są punktem odniesienia w skali międzynarodowej.

Centrum danych może mieć hojnie dobraną moc chłodniczą i redundancję N+2, a jednak stracić wydajność w najgorszym momencie. Powód jest prosty: moc rzeczywiście dostępna w serwerowni zależy od temperatury powietrza zasysanego przez urządzenia zewnętrzne. Gdy powietrze zostało wstępnie podgrzane wyrzutami sąsiednich maszyn, wydajność spada dokładnie w chwili największego zapotrzebowania. Tego ryzyka nie widać na żadnym rysunku: tylko symulacja CFD czyni je widocznym, zanim będzie kosztować megawaty.

Co zabezpiecza zewnętrzna symulacja CFD

Bliźniak obiektu i jego otoczenia

Tworzymy kompletny model numeryczny obiektu: budynki otaczające, wszystkie urządzenia chłodnicze na dachu i na elewacji, wyrzutnie, czerpnie powietrza świeżego oraz szczegóły decydujące o rzeczywistym przepływie (osłony przeciwwietrzne, kratki, żaluzje, attyki, obudowy). Model pokazuje strumień powietrza, temperaturę i wilgotność w każdym punkcie, dla każdego trybu pracy (normalny, serwisowy, awaryjny) i każdych warunków pogodowych (temperatura, prędkość i kierunek wiatru).

Przepływ powietrza na zewnątrz data center

Na dziedzińcu albo na dachu mechaniczne układy oddawania ciepła, chłodnie kominowe, chłodnice suche (dry) i agregaty chłodnicze, dzielą ograniczoną powierzchnię z agregatami prądotwórczymi rezerwowymi. Gęstość szaf wewnątrz wymusza odpowiadającą jej gęstość urządzeń na zewnątrz: każda maszyna wyrzuca ciepłą plumę kilka metrów od wlotów sąsiadów.

Wpływ wiatru i pogody

Zachowanie plum zależy od zmiennych, nad którymi projektanci nie mają kontroli: prędkości i kierunku wiatru, temperatury i wilgotności powietrza, wyrzutów z sąsiednich obiektów. Zjawiska te mają bezpośredni wpływ na wydajność urządzeń zewnętrznych i zmieniają się z godziny na godzinę. Nie chodzi o przewidywanie pogody, ale o sprawdzenie, czy obiekt pozostaje w zakresie pracy dla wszystkich prawdopodobnych niekorzystnych kombinacji.

Zasysanie ciepłego powietrza i obiegi termiczne

Zasysanie ciepłego powietrza to główny mechanizm, który wylicza zewnętrzne CFD. Przybiera cztery formy, często występujące razem na jednym obiekcie:

Dlaczego odległości zalecane przez producentów nie wystarczają

Dokumentacja producentów podaje odległości minimalne i maksymalną temperaturę pracy. Te reguły ryczałtowe pomijają wiatr, zabudowę otoczenia i oddziaływanie między maszynami: rozmieszczenie w pełni zgodne z instrukcjami może dawać silne zasysanie, które ujawnia tylko symulacja. Rozmieszczenie układów chłodzenia potwierdza się w rzeczywistym przepływie, a nie w katalogu.

Warunki ekstremalne: scenariusze, które decydują o doborze

Poważna analiza nie ogranicza się do stanu nominalnego przy bezwietrznej pogodzie. Warunki obliczeniowe budujemy na podstawie analizy meteorologicznej obiektu (dane ASHRAE z najbliższej stacji, statystyki wiatru), zatwierdzonej z klientem przed modelowaniem: temperatura ekstremalna o powtarzalności 50 lat, przeważające kierunki wiatru z odpowiadającą im medianą prędkości. Przypadki symulujemy przy obiekcie obciążonym do 90 % obciążenia IT, z agregatami i układami chłodzenia sterowanymi zgodnie z rzeczywistą sekwencją eksploatacyjną. Każdy scenariusz odpowiada na konkretne pytanie projektowe lub eksploatacyjne.

Kanoniczne scenariusze zewnętrznego CFD

Kryterium potwierdzenia

Kryterium potwierdzenia jest jednoznaczne: każde urządzenie krytyczne musi utrzymać obciążenie IT w sposób ciągły we wszystkich zasymulowanych przypadkach, nie przekraczając granicznej temperatury na wejściu. Gdy potrzebne jest działanie ograniczające, modelujemy je i ponownie testujemy w najbardziej niekorzystnych warunkach wiatrowych, aby wyliczyć rzeczywisty zysk.

Stany nieustalone: minuty, które się liczą

Scenariusze nieustalone śledzą przebieg minuta po minucie: wznoszenie plum przy jednoczesnym rozruchu agregatów prądotwórczych, przełączanie trybów chłodzenia, powrót do stanu nominalnego. W tych krótkich fazach skupiają się przekroczenia temperatury, niewidoczne w obliczeniu w stanie ustalonym.

Agregaty prądotwórcze: ciepłe plumy i emisje NOx

Agregaty prądotwórcze skupiają dwa różne ryzyka. Pierwsze jest termiczne: ich wyloty spalin i nagrzewnice wyrzucają, zarówno przy próbach okresowych, jak i w pracy awaryjnej, bardzo ciepłe plumy, które mogą zdławić wloty układów chłodzenia dokładnie wtedy, gdy obiekt pracuje w trybie awaryjnym.

Drugie jest zdrowotne i regulacyjne: spaliny zawierające tlenki azotu (NOx) nie mogą być zasysane przez centrale wentylacyjne biur ani przez czerpnie powietrza świeżego, ani sprowadzane w stronę otoczenia. Symulacja sprawdza rozprzestrzenianie wyrzutów dla każdego kierunku wiatru i pozwala dobrać wysokość kominów, ich orientację i prędkość wylotową, spójnie ze stratami ciśnienia w instalacjach agregatu prądotwórczego.

Symulacja także prób miesięcznych

Próby okresowe to odrębny scenariusz: co miesiąc agregaty startują, gdy obiekt pracuje normalnie. Symulacja sprawdza, czy przy niekorzystnych kierunkach wiatru próby te nie pogarszają wydajności chłodnic wentylatorowych ani jakości powietrza przy czerpniach, i pozwala w razie potrzeby zmienić okno czasowe lub sekwencję prób.

Wyspa ciepła i wpisanie w tkankę miejską

Centrum danych jest stałym źródłem ciepła w swojej okolicy. W skali miasta CFD opisuje rozprzestrzenianie plum zależnie od układu urządzeń, morfologii zabudowy, materiałów i rzeczywistej pogody, oraz wylicza wzrost temperatury odczuwany przez mieszkańców. Ta analiza jest przedmiotem odrębnej specjalizacji:analiza wpływu centrów danych na miejską wyspę ciepła.

Zasila ona oceny oddziaływania i rozmowy z samorządami: porównanie wariantów lokalizacji, ekrany zieleni, chłodnice wentylatorowe o zmiennej prędkości, odzysk ciepła odpadowego. Dokumentuje obiektywnie, co projekt zmienia, a czego nie zmienia.

Metoda EOLIOS: od modelu 3D do werdyktu z liczbami

Wartość zewnętrznego CFD zależy od wierności modelu i trafności scenariuszy. Nasz model 3D obejmuje cały obiekt: topografię, budynki otaczające, elewacje z kratkami, attyki i nadbudówki, każde urządzenie z jego charakterystykami strumienia i rzeczywistymi temperaturami wyrzutu, potwierdzonymi danymi producenta. Przeszkody dla przepływu powietrza (ściany, attyki, osłony) modelujemy z udokumentowaną powierzchnią przepływu, a budynki oddawane etapami symulujemy w konfiguracji docelowej.

Nasze analizy natywnie odpowiadają na specyfikacje CFD operatorów hyperscale i kolokacyjnych: narzucone scenariusze, kryteria potwierdzenia, minimalna zawartość raportu. A ponieważ projekt nie czeka: nasza dedykowana moc obliczeniowa pozwala prowadzić symulacje w trybie pilnym, z pierwszymi wynikami w kilka dni, gdy potrzeba klienta tego wymaga.

Werdykt jest wyliczony urządzenie po urządzeniu: temperatura na wejściu porównana z granicą producenta, przegrzanie wynikające z zasysania, utrata wydajności w każdym scenariuszu. Gdy pojawia się ryzyko, rozwiązania naprawcze testujemy wprost w modelu: obudowy i nadbudowy dachowe, ekrany, podniesienie wyrzutni, zmiana orientacji maszyn, sterowanie prędkościami. Nie przekazujemy problemu, przekazujemy potwierdzone rozwiązanie.

Od temperatury do dostępnej mocy chłodniczej

Mapa nie jest celem samym w sobie: przekłada się na moc. Dla każdej chłodnicy wentylatorowej, dry-coolera i agregatu chłodniczego obliczoną temperaturę na wejściu zestawiamy z charakterystyką producenta aby uzyskać moc chłodniczą rzeczywiście dostępną w analizowanym scenariuszu. Zsumowanie po wszystkich urządzeniach daje spadek dostępnej mocy chłodniczej obiektu, scenariusz po scenariuszu, porównany z zapotrzebowaniem IT: wiemy, które maszyny tracą parametry, o ile i jaki zapas pozostaje, zanim stracimy serwerownie.

PUE: rzadko rozpoznany zasób oszczędności

Zasysanie ciepłego powietrza zagraża nie tylko dostępności: przez cały rok obciąża rachunek za energię. Przegrzanie o 3 do 5 °C na wlocie dry-coolerów i agregatów chłodniczych pogarsza ich COP o około 2 do 3 % na każdy dodatkowy stopień: między 42 a 47 °C zasysanego powietrza to 10 do 15 % utraconej sprawności, a każde urządzenie zużywa więcej energii, aby dostarczyć ten sam chłód, godzina po godzinie, także poza upałami. W skali centrum danych, gdzie chłodzenie odpowiada za 30 do 40 % zużycia energii, ten cichy koszt może sięgać około 4 do 7 % zużycia obiektu, czyli pogorszenia PUE, którego niewielu operatorów przypisuje przepływowi powietrza na zewnątrz. Poprawa rozmieszczenia albo obudowanie urządzeń staje się wtedy bezpośrednią dźwigniąoptymalizacji energetycznej i PUE.

Chłodzenie adiabatyczne: wilgotność wchodzi do obliczeń

Chłodzenie wyparne nie ogranicza się do zwilżanych wkładów i zamgławiania: chłodnie wentylatorowe (TAR) i dry-coolery adiabatyczne działają na tej samej zasadzie, a ich skuteczność ogranicza temperatura termometru mokrego zasysanego powietrza, a nie tylko temperatura termometru suchego. Nasz model przenosi więc również wilgotność, ujętą jako udział masowy pary wodnej wraz z jej wpływem na wyporność plum: wilgotne wyrzuty, zasysane przez sąsiednie wloty, podnoszą lokalną temperaturę termometru mokrego i odbierają dokładnie ten potencjał chłodzenia, na który liczono. Symulacja obliczy pole wilgotności wokół obiektu, sprawdzi rzeczywiste zbliżenie każdego urządzenia w trybie adiabatycznym i uniezawodni dobór, aż do związanego z nim zużycia wody. Specyfika chłodni TAR (plumy, przepisy o instalacjach) jest przedmiotem odrębnego opracowania.

Inżynierowie wewnątrz Twoich zespołów projektowych

EOLIOS to biuro inżynierskie inżynierów wyspecjalizowanych w projektowaniu termiki i przepływu powietrza w centrach danych. Zewnętrzne CFD nie jest dla nas odrębną usługą: to narzędzie projektowe w służbie potwierdzonego rozmieszczenia.

Krótka pętla, od koncepcji do wykonania

Pracujemy wewnątrz zespołów projektowych, obok architektów, biur HVAC, wykonawców i operatorów. Już na etapie koncepcji ukierunkowujemy rozmieszczenie urządzeń oraz decyzje elewacyjne; na etapie projektu wstępnego każdy wariant rozstrzygamy na wynikach symulacji, a nie na regułach ryczałtowych; w fazie wykonawczej potwierdzamy projekt docelowy w warunkach ekstremalnych. Ta krótka pętla pozwala uniknąć zmian późnych, czyli najdroższych.

Od zewnętrznego CFD do cyfrowego bliźniaka

Analiza zewnętrzna łączy się z wewnętrzną symulacją CFD serwerowni: temperatura na wejściu chłodnic wentylatorowych wprost warunkuje wydajność dostępną w serwerowni. Analiza przedłuża się na commissioning a następnie na eksploatację przez cyfrowego bliźniaka obiektu.