Optymalizacja CFD — data center.

Analiza cieplna i przepływowa data center: doświadczenie w CFD

EOLIOS wykonało zewnętrzną symulację CFD chłodzenia na dachu data center, aby potwierdzić rozwiązanie i zapanować nad obiegami zamkniętymi ciepła między agregatami prądotwórczymi a chłodnicami powietrznymi przed oddaniem do eksploatacji.

Wyzwanie cieplne centrów danych

W sytuacji, w której centra danych o dużej skali mnożą się, zarządzanie układami chłodzenia staje się kluczowe ze względu na wzrost gęstości mocy urządzeń informatycznych, często powyżej 10 kW na szafę. Główną stawką jest skuteczne odprowadzenie wydzielanego ciepła z tych urządzeń o dużej gęstości mocy. W EOLIOS oddajemy nasze doświadczenie techniczne do Twojej dyspozycji, wykonując analizy numerycznej mechaniki płynów (CFD), aby odwzorować i zoptymalizować wymianę ciepła i przepływy powietrza w data center.

Cele i zakres analizy

Analiza dotyczy w szczególności zewnętrznych plum wyrzutowych chłodnic powietrznych, agregatów prądotwórczych i pozostałych urządzeń na dachu. Celem jest sprawdzenie, czy odprowadzanie ciepła z tych urządzeń może zanieczyścić powietrze nawiewane przez pętle recyrkulacji. Symulujemy więc zachowanie termiczno-przepływowe tych plum za pomocą obliczenia numeryczne CFD, aby zapewnić optymalne panowanie nad temperaturą powietrza wlotowego i zapobiec wszelkim zakłóceniom.

Analiza ma potwierdzić rozwiązanie budynku i rozmieszczenie urządzeń na dachu, sprawdzając, czy temperatury powietrza na wlocie agregatów chłodniczych pozostają dostatecznie niskie, oraz wskazując ewentualne problemy z recyrkulacją. Obejmuje różne scenariusze eksploatacji: wysokie temperatury, różne kierunki wiatru i rozruch rezerwowych agregatów prądotwórczych. W razie wykrycia problemu wskazujemy jego przyczynę i proponujemy właściwe rozwiązania naprawcze.

Najważniejsze liczby

Dane klimatyczne ASHRAE dla CFD

Wykorzystanie norm dla dokładnej i skutecznej symulacji CFD

Właściwe ustawienie warunków zewnętrznych ma podstawowe znaczenie dla optymalizacji zarządzania ciepłem w centrach danych metodą symulacja CFD. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) jest niepodważalnym odniesieniem międzynarodowym. Ustanawiając normy i dostarczając dokładne dane klimatyczne, pozwala inżynierom i projektantom dopasować układy ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji i chłodnictwa (HVAC-R) do warunków rzeczywistych. ASHRAE zbiera dane meteorologiczne z tysięcy stacji na całym świecie, zapewniając wiarygodność i dokładność dzięki wartościom średnim i skrajnym mierzonym przez dziesięciolecia.

Dane te są niezbędne do właściwego doboru urządzeń zewnętrznych. Uwzględniając temperatury średnie i skrajne, pomagają przewidzieć scenariusze realistyczne, co pozwala uniknąć przewymiarowania i optymalizuje efektywność energetyczną. W naszej analizie miejscowe warunki klimatyczne wyznaczono dzięki najbliższej obiektowi stacji meteorologicznej, która dostarcza informacji kluczowych — takich jak temperatury miesięczne i pomiary wiatru — rozstrzygających o przyjętych warunkach meteorologicznych i o tym, jakie są wiatry przeważające.

Opierając się na wiarygodnych i znormalizowanych danych klimatycznych, możemy dobrać urządzenia zewnętrzne sprawne i trwałe, dopasowane do wymagań różnych warunków klimatycznych.

Model 3D data center do symulacji termiczno-przepływowej

EOLIOS buduje cyfrowego bliźniaka data center i jego najbliższego otoczenia, wiernie odtwarzając geometrię zabudowy, urządzeń na dachu i sąsiednich przeszkód mogących wpływać na przepływ powietrza. Model ten jest podstawą wszystkich obliczeń.

Od danej klimatycznej do obliczeń CFD

Scenariusze zasymulowane w ramach analizy zewnętrznej są następujące:

• Scenariusz standardowy — z wiatrem przeważającym
• Scenariusz standardowy — z wiatrem niekorzystnym
• Scenariusz krytyczny — z wiatrem niekorzystnym

Nadbudowa dachowa znajduje się nad wylotami chłodnic powietrza, aby ograniczyć recyrkulację. Strefę tę wyznaczają ściany wyposażone w panele akustyczne, a żaluzje znajdują się w dolnych partiach tych ścian.

26 agregatów prądotwórczych znajduje się w większości po południowo-zachodniej stronie budynku, zarówno na dachu, jak i na dwóch kondygnacjach wewnątrz. Aby odprowadzić wyrzuty ciepła z agregatów prądotwórczych, 5 kominów wyrzutowych zamontowano na wysokości. Powietrze świeże dla agregatów prądotwórczych pobierane jest na elewacji południowo-zachodniej budynku, wyposażonej w żaluzje.

W tych 3 analizach agregaty prądotwórcze są włączone, aby przyjąć sytuację najbardziej niekorzystną pod względem wyrzutów ciepła. Jednostki chłodnicze, skupione po północno-wschodniej stronie budynku, to 30 agregatów chłodniczych i 3 dry-coolery. Uwzględniono również obecność urządzeń pomocniczych na dachu, takich jak centrale wentylacyjne i pompy ciepła.

Wyniki symulacji zewnętrznej: potwierdzenie rozwiązania

Analiza objęła rozwiązanie zewnętrzne data center w trzech scenariuszach krytycznych, opartych na zmianach kierunku wiatru i na sterowaniu układy chłodzenia, przy utrzymaniu skrajnych warunków klimatycznych według standardów ASHRAE.

Scenariusz 1 — wiatr przeważający, scenariusz standardowy (N)

Nie wykryto w tym scenariuszu wyraźnego zjawiska wskazującego na recyrkulację powietrza. Symulacje pokazują, że temperatura mierzona na ssaniu jednostek chłodniczych pozostaje bliska temperaturze otoczenia, co świadczy o zoptymalizowanym rozwiązaniu czerpni powietrza. Konstrukcję i układ dachu uznano w tych warunkach za bardzo dobre, zapewniające prawidłową regulację cieplną.

Scenariusz 2 — wiatr niekorzystny, scenariusz standardowy (N)

Analiza ujawniła lekką recyrkulację powietrza przy żaluzjach południowo-zachodnich, wywołaną głównie częściowym zawężeniem przez kanały wyciągowe agregatów prądotwórczych. Wolna od urządzeń strefa środkowa daje jednak wystarczający dostęp do powietrza świeżego, co łagodzi to zjawisko. Temperatura na ssaniu rośnie, zwłaszcza dla urządzeń po stronie południowej, ale pozostaje pod kontrolą. Kanały wyciągowe agregatów prądotwórczych zapewniają skuteczne odprowadzenie powietrza obciążonego ciepłem, ograniczając możliwe oddziaływanie na chłodnice powietrzne.

Scenariusz 3 — wiatr niekorzystny, scenariusz krytyczny (N+X)

Trudności związane z recyrkulacją powietrza utrzymują się i pogłębia je spadek prędkości nawiewu przy pracy z pełną wydajnością. Zwiększa to skłonność do recyrkulacji powietrza, zwłaszcza wokół żaluzji po stronie zawietrznej. Temperatury na ssaniu rosną znacząco, głównie dla jednostek ustawionych po stronie południowej. Mimo tych warunków powietrze zasysane przez agregaty prądotwórcze pozostaje w temperaturze otoczenia, dzięki umiejętnemu odprowadzeniu ciepłych mas powietrza.

Zestawienie porównawcze scenariuszy

Zestawienie jakościowe trzech zasymulowanych scenariuszy — EOLIOS Ingénierie.

Optymalizacja energetyczna chłodnic powietrznych metodą symulacji CFD

EOLIOS optymalizuje efektywność energetyczną chłodnic powietrznych w centrach danych, opierając się na symulacji numerycznej mechaniki płynów (CFD).

CFD pozwala nam tworzyć zaawansowane modele trójwymiarowe, które wiernie odtwarzają zachowanie cieplne i przepływ powietrza w układach chłodzenia. Analizując te modele, możemy dokładnie wskazać strefy przegrzewania i miejsca strat energii oraz zoptymalizować układ wymienników ciepła i wentylatorów.

W stronę opanowanego PUE

Podejście to pozwala nam dokładnie dostroić prędkość krążenia powietrza i kierunek strumieni do każdych zewnętrznych warunków klimatycznych, dzięki czemu rośnie efektywność energetyczna bez pogorszenia osiągów. Nasze rozwiązania pozwalają ponadto obniżyć Power Usage Effectiveness (PUE), kryterium rozstrzygające dla centrów danych, zapewniając bardziej racjonalne zużycie energii i ograniczając koszty eksploatacji naszych klientów. Podajemy w ten sposób zalecenia przemyślane co do wdrożenia układów zarządzania ciepłem odpornych i sprawnych.

Nowatorskie rozwiązania dla sprawnych dachów

Dach, prawdziwa „piąta elewacja”, odgrywa kluczową rolę: od niego zależy efektywność energetyczna centrów danych. W naszych rozwiązaniach wykorzystywane są nadbudowy dachowe, zaprojektowane tak, aby pasywnie poprawiać wentylację i optymalizować zarządzanie ciepłem. Dzięki symulacji CFD możemy odwzorować różne rozwiązania nadbudów dachowych i przeanalizować ich wpływ na naturalne krążenie powietrza. Pozwala to projektować konstrukcje, które w przemyślany sposób wykorzystują wiatry przeważające i różnice ciśnienia, aby uzyskać skuteczną wentylację przelotową, ograniczyć zależność od mechanicznych układów chłodzenia i ułatwić odprowadzanie nagromadzonego ciepła.

Dzięki zastosowaniu materiałów odbijających promieniowanie i nowatorskich technologii izolacyjnych nasze nadbudowy dachowe znacząco zmniejszają obciążenia cieplne. Nie tylko obniżamy więc ślad energetyczny centrów danych, ale dodajemy także warstwę odporności klimatycznej, niezbędną dla zapewnienia ciągłości działania w zmiennych warunkach meteorologicznych.

Analiza wewnętrzna: ograniczenie ryzyka przegrzania metodą CFD

Optymalizacja układów chłodzenia, takich jak agregaty chłodnicze i agregaty prądotwórcze, ma podstawowe znaczenie dla osiągów centrów danych. Przy wysokich gęstościach mocy serwerów i urządzeń elektronicznych, mogących przekraczać 10 kW na szafę, zarządzanie ciepłem staje się poważnym wyzwaniem. Niekontrolowane przegrzanie może prowadzić do awarii sprzętu, spadku niezawodności i dostępności usług oraz przedwczesnego zużycia urządzeń.

Poza temperaturą: koszty i trwałość

Optymalizacja układów chłodzenia nie sprowadza się więc do utrzymania stabilnej i właściwej temperatury; ma też kluczowe znaczenie dla obniżenia kosztów energii, które stanowią znaczną część wydatków eksploatacyjnych centrów danych. Ograniczając zużycie energii, optymalizacja ta pozwala ponadto zmniejszyć ślad węglowy obiektów, zgodnie z rosnącymi w branży wymaganiami środowiskowymi. Wykonane symulacje numeryczne pozwoliły dostarczyć szczegółowych informacji, w szczególności o temperaturach urządzeń w różnych scenariuszach.

Podejście oparte na współpracy i szyte na miarę

EOLIOS wyróżnia się umiejętnością uwzględniania szczególnych potrzeb firm na wszystkich etapach swoich analiz, budując prawdziwie partnerską współpracę. Opierając się na pogłębionym zrozumieniu oczekiwań i celów klientów, opracowujemy rozwiązania szyte na miarę, dopasowane do specyfiki każdego zlecenia.

Dzięki otwartej i stałej komunikacji firma dba o to, aby wszystkie strony miały wspólne rozumienie celów i etapów projektu. Zespoły EOLIOS pracują ramię w ramię z firmami, oferując nie tylko wiedzę techniczną, ale też umiejętność współpracy. Nasze podejście skupione na kliencie, w połączeniu z wysokimi kompetencjami, gwarantuje, że prowadzone analizy odpowiadają oczekiwaniom firm, przy najwyższej skuteczności i trafności proponowanych rozwiązań.

EOLIOS — biuro projektowe wyspecjalizowane w data center

W EOLIOS naszym zadaniem jest towarzyszyć Ci w projektowaniu i ocenie układów chłodzenia i wentylacji data center, zapewniając optymalną sprawność i wyższe bezpieczeństwo Twoich obiektów. Dzięki doświadczeniu w symulacji CFD analizujemy zjawiska termiczno-przepływowe, aby zoptymalizować zarządzanie ciepłem.

Dzięki opanowaniu symulacji numerycznych wskazujemy krytyczne strumienie powietrza oraz strefy, w których mogą powstać niepożądane obejścia. Włączając te analizy do naszego podejścia, zapewniamy optymalny rozdział powietrza, co zmniejsza ryzyko przegrzania w strefach wrażliwych i sprzyja sprawnej pracy Twoich układów. Prowadzimy staranne oceny, aby potwierdzić i zoptymalizować sprawność Twoich układów chłodzenia, uwzględniając scenariusze najbardziej niekorzystne, aby zapewnić trwałość i osiągi Twoich centrów danych.