CFD externo e interno – Centro de dados em hiperescala
A missão da EOLIOS ingénierie: simulação CFD e experiência em refrigeração
A experiência daEOLIOS na simulação CFD (Computational Fluid Dynamics) e na otimização do sistema de arrefecimento desempenhou um papel crucial na resolução do desafio térmico de um centro de dados em hiperescala de várias dezenas de megawatts. O nosso know-how permite-nos melhorara eficiência energética e garantir um desempenho ótimo, assegurando uma gestão térmica eficaz e sustentável para estas infra-estruturas complexas.
CFD externo e interno - Centro de dados em hiperescala
Ano
2025
Cliente
NC
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Centros de dados de hiperescala: uma revolução no alojamento e gestão de dados
O objetivo de um centro de dados em hiperescala: otimização e escalabilidade
Os centros de dados de hiperescala são instalações especialmente concebidas para satisfazer as necessidades dos gigantes da tecnologia, como aAmazon, a Google e a Microsoft, que exigem uma capacidade de computação e armazenamento em grande escala. Estes centros de dados caracterizam-se pela sua imensa escala operacional, muitas vezes capaz de alojar dezenas a centenas de milhares de servidores. Esta escala permite-lhes gerir eficientemente grandes volumes de dados e fornecer serviços a milhões de utilizadores em todo o mundo.
Propriedades-chave dos centros de dados em hiperescala: modularidade, automação e eficiência energética
Uma das principais vantagens dos centros de dados em hiperescala é a sua eficiência energética. Incorporam sistemas de arrefecimento e tecnologias de gestão de energia de última geração que minimizam o consumo de energia e maximizam o desempenho. Isto inclui a utilização de sistemas de refrigeração a ar livre, poços geotérmicos ou refrigeração líquida para reduzir apegada de carbono e otimizar os custos operacionais.
A flexibilidade ea escalabilidade estão no centro do conceito de hiperescala. Estes centros de dados podem ser rápida e facilmente expandidos para responder ao crescimento da procura, graças a uma infraestrutura modular composta por componentes normalizados. Esta estrutura modular permite não só uma manutenção simplificada, mas também actualizações regulares sem grande impacto nas operações globais.
A automatização desempenha um papel crucial na eficiência operacional dos centros de dados em hiperescala. Os sistemas automatizados monitorizam e gerem quase todas as facetas das operações diárias, reduzindo a necessidade de intervenção humana constante e minimizando o risco deerro humano. Esta automatização inclui a gestão de servidores, a monitorização de energia e a manutenção preventiva.
Em suma, graças à sua vasta capacidade, eficiência energética, flexibilidade, escalabilidade e utilização extensiva de automação, os centros de dados de hiperescala oferecem soluções extremamente eficientes e económicas. Ao reduzirem os custos unitários por serviço, estas instalações estão a tornar-se essenciais para as empresas que procuram suportar serviços digitais globais e satisfazer as crescentes exigências dos utilizadores por serviços cloud robustos e fiáveis.
O desafio dos estudos CFD na otimização de centros de dados em hiperescala
Um estudo CFD (Computational Fluid Dynamics) é crucial para estes centros de dados em hiperescala, de modo a otimizar a circulação do ar e a refrigeração, minimizando assim o consumo de energia e maximizando aeficiência térmica.
- Arrefecimento: As simulações CFD podem ser utilizadas para modelar os fluxos de ar e de calor nos centros de dados. Isto ajuda a otimizar a colocação dos servidores, a disposição das estantes e os sistemas de ventilação para garantir uma refrigeração eficiente e reduzir os custos de energia.
- Consumo de energia: Ao analisar o fluxo de ar e a distribuição térmica, os estudos CFD podem identificar estratégias para melhorara eficiência energética. Isto pode incluir a otimização dos sistemas de refrigeração existentes ou a conceção de métodos novos e mais sustentáveis.
- Gestão de recursos: os modelos CFD ajudam a prever o desempenho dos sistemas de ar condicionado e a antecipar melhor as necessidades de energia e refrigeração, facilitando assim uma gestão eficiente dos recursos.
- Segurança: O CFD é utilizado para simular e planear a gestão de riscos em caso de sobreaquecimento ou falha do sistema, ajudando a conceber sistemas de emergência, extração de fumo e sistemas de supressão de incêndios.
Ao integrar a análise CFD no seu design, os centros de dados em hiperescala podem melhorar a sua eficiência operacional, reduzir o seu impacto ambiental e aumentar a sua segurança, utilizando dados e simulações exactos para consolidar as decisõesrelacionadas com o clima ea energia.
Na EOLIOS ingénierie, compreendemos perfeitamente a importância destas simulações na conceção de sistemas de refrigeração eficientes. Com a nossa experiência em CFD, ajudamos a garantir um funcionamento suave e eficiente, reduzindo os custos e contribuindo para a sustentabilidade ambiental dos centros de dados em hiperescala.
Estudo interno: utilização de CFD para reduzir o risco de sobreaquecimento
CFD, um aliado para a eficiência energética das salas de dados
Aotimização das salas de dados nos centros de dados é crucial, e a utilização da simulação por computador (CFD) desempenha um papel fundamental neste contexto. Ao analisar os fluxos de ar, a distribuição da temperatura e a interação entre equipamentos, a CFD permite a conceção de sistemas de arrefecimento mais eficientes. Ajuda a identificar pontos quentes, a otimizar a circulação do ar e a reduzir os custos de energia através do ajuste fino do ar condicionado e da disposição dos bastidores. Desta forma, a utilização criteriosa da CFD não só garante um melhor desempenho operacional e uma maior fiabilidade do sistema, como também ajuda a reduzir apegada de carbono dos centros de dados, em conformidade com os crescentes requisitos ambientais.
Composição e funcionamento de uma sala de dados: racks, sistemas de refrigeração e de distribuição de energia
Uma sala de dados de um centro de dados é uma área dedicada a alojarequipamento informático crucial para o processamento e armazenamento de dados. É constituído principalmente por bastidores, que alojam servidores, unidades de armazenamento e comutadores para a gestão da rede.
As estantes estão frequentemente dispostas em filas organizadas em corredores quentes e frios, uma configuração que optimiza o fluxo de ar e o arrefecimento ao separar o ar quente expelido do ar frio utilizado para arrefecer o equipamento.
Os sistemas de arrefecimento incluem aparelhos de ar condicionado de precisão ou chillers arrefecidos a água, concebidos para manter temperaturas óptimas e estáveis, apesar do calor gerado pelos servidores em funcionamento.
Para garantir uma alimentação eléctrica fiável, o Data Hall dispõe de sistemas de distribuição deenergia redundantes, muitas vezes apoiados por geradores de emergência e sistemas UPS para garantir uma alimentação contínua em caso de falha de energia.
Os sensores inteligentes monitorizam constantemente as condições ambientais, como a temperatura e a humidade, bem como o desempenho do equipamento, permitindo aos administradores reagir rapidamente a anomalias e garantir um funcionamento ideal.
Otimização térmica interna dos centros de dados: desafios e soluções por EOLIOS ingénierie
Neste estudo aprofundado, foi identificado um problema de sobreaquecimento na secção esquerda da sala de dados, que é crucial para o bom funcionamento de todo o centro de dados. Este sobreaquecimento ocorre quando dois sistemas de refrigeração falham em simultâneo. Os bastidores nesta parte da sala podem então atingir temperaturas de 35°C, muito acima do ponto de regulação máximo de 28°C. Estas condições comprometem não só o desempenho, mas também a fiabilidade do equipamento, aumentando o risco de falhas que podem afetar a integridade dos dados e a continuidade do serviço.
A situação é ainda mais complicada devido à instalação de grelhas antirroubo e à configuração espacial da sala, que geram uma distribuição desigual da pressão.
Mapa da temperatura e pressão internas do centro de dados de acordo com diferentes cenários antes da otimização
Forma-se uma área significativa de sobrepressão nos corredores quentes do lado esquerdo da sala, dificultando a evacuação eficiente do ar quente gerado pelos servidores. Este desequilíbrio cria um fenómeno de recirculação em que o ar quente é reintroduzido no sistema, exacerbando o problema através de um processo de looping e aumentando a taxa de fuga docorredor quente, acelerando assim o aumento da temperatura.
A distribuição desigual das estantes é outro fator que contribui para isso, uma vez que se espera que os sistemas de arrefecimento falhados suportem a elevada carga térmica da ilha de estantes mais afastada, tornando este sector particularmente vulnerável.
Para fazer face a este desafio complexo, os engenheiros da EOLIOS desenvolveram e propuseram uma série de soluções inovadoras. Através de discussões aprofundadas e de uma comunicação eficaz com o cliente, foi possível analisar as opções propostas e determinar a melhor abordagem para mitigar o problema. Esta solução foi implementada de acordo com todas as partes interessadas, assegurando uma resposta óptima e sustentável aos problemas identificados no data hall.
Estudo interno: utilização de CFD para reduzir o risco de sobreaquecimento
Otimizar os sistemas de refrigeração: melhorar a eficiência e a sustentabilidade dos centros de dados
A otimização dos sistemas de refrigeração, como os chillers e os geradores, é essencial para garantir o desempenho dos centros de dados. Com elevadas densidades de servidores e equipamento eletrónico, que podem exceder 10 kW por bastidor, a gestão térmica torna-se um grande desafio. O sobreaquecimento descontrolado pode levar à falha do hardware, à redução da fiabilidade e disponibilidade do serviço e à degradação prematura do equipamento.
Consequentemente, a otimização dos sistemas de refrigeração não se limita a manter uma temperatura estável e adequada, sendo também crucial para a redução dos custos energéticos, que representam uma parte significativa das despesas operacionais dos centros de dados. Além disso, ao minimizar o consumo de energia, esta otimização ajuda a reduzir apegada de carbono das instalações, o que está em linha com os crescentes requisitos de sustentabilidade ambiental do sector. As simulações numéricas efectuadas forneceram informações detalhadas sobre as temperaturas do sistema para diferentes cenários.
Composição dos sistemas críticos dos centros de dados: refrigeradores de ar e geradores
Os centros de dados, os centros nevrálgicos das infra-estruturas digitais modernas, requerem uma série de equipamentos sofisticados para funcionarem eficientemente. Entre estes equipamentos, os refrigeradores de ar e os geradores desempenham um papel crucial.
Um permutador de calor arrefecido a ar é um equipamento essencial nos centros de dados, concebido para dissipar o calor gerado pelo equipamento de TI em funcionamento. É um permutador de calor AR-ÁGUA. Funciona utilizandoo ar exterior para extrair o calor dos sistemas de arrefecimento, evitando assim a acumulação excessiva de calor. Ao assegurar um fluxo constante de ar fresco, os refrigeradores de ar contribuem para a estabilidade térmica das instalações, preservando aintegridade do equipamento e reduzindo os custos de energia associados ao ar condicionado.
Os geradores são também dispositivos críticos nos centros de dados, fornecendo energia de reserva em caso de falha na rede principal. A sua função é fornecer uma fonte de energia fiável e contínua para evitar qualquer interrupção das operações, o que é vital para a disponibilidade dos serviços e a proteção dos dados. Em caso de corte de energia, os geradores ligam-se automaticamente, assumindo a carga eléctrica do equipamento e dos sistemas de refrigeração do centro de dados. Graças a estes geradores, os centros de dados podem manter uma elevada disponibilidade e resiliência face aos riscos de fornecimento de energia, garantindo a continuidade do serviço que é essencial para as infra-estruturas digitais modernas.
Composição dos sistemas críticos dos centros de dados: refrigeradores de ar e geradores
No âmbito de cada estudo, a EOLIOS Ingénierie produz um modelo 3D detalhado, essencial para as simulações CFD. Para este projeto, o modelo 3D integra todos os sistemas, bem como os elementos que influenciam a aerodinâmica, tais como os refrigeradores de ar e os geradores.
O modelo é construído utilizando os modelos 3D fornecidos, as plantas do local e as folhas de dados do equipamento. As fichas técnicas são utilizadas para determinar as caraterísticas essenciais, como os caudais de ar e as perdas de potência, garantindo que cada componente do sistema é representado com precisão na simulação. A criação deste gémeo digital permite uma análise precisa e detalhada das condições de funcionamento dos sistemas de refrigeração e facilita a identificação de potenciais pontos de melhoria.
Os engenheirosda EOLIOS destacam-se pela sua profunda experiência em malhas e convergência, que são essenciais para a precisão e fiabilidade das simulações numéricas, particularmente em ambientes complexos como os centros de dados. A qualidade da malha é crucial, pois determina a forma como o espaço de simulação é subdividido em elementos discretos, o que tem um impacto direto na precisão dos resultados. Uma malha fina e bem estruturada permite captar com precisão as variações do fluxo de ar e os gradientes de temperatura, o que é essencial para modelar corretamente os fenómenos aeroeléctricos, como o looping. Além disso, uma boa malha promove uma melhor convergência dos cálculos, garantindo que os resultados obtidos são estáveis e representativos das condições reais. Graças ao seu know-how, os engenheiros da EOLIOS optimizam a malha para garantir simulações robustas e fiáveis, permitindo o desenvolvimento de soluções precisas e eficientes para o arrefecimento de centros de dados e outros ambientes críticos.
Análise CFD e condições meteorológicas
De modo a simular condições de funcionamento realistas, foi efectuada uma análise meteorológica aprofundada utilizando dados da estação meteorológica mais próxima do local. Esta análise foi utilizada para determinar as variáveis chave, tais como a temperatura exterior e a velocidade edireção do vento, que têm uma influência significativa no comportamento térmico do centro de dados. Ao incorporar estes dados na simulação CFD, a EOLIOS pode avaliar com precisão o desempenho dos sistemas de arrefecimento em cenários reais, assegurando que as soluções propostas são adaptadas às condições específicas do local.
Os cenários desenvolvidos para este projeto são os seguintes:
- A influência de diferentes direcções do vento principal.
Para a direção de vento mais desfavorável, foram estudados dois modelos de extração do gerador:
- Extração com descarga ao nível do grupo gerador.
- Extração com uma chaminé de 3 metros para uma descarga mais elevada. O objetivo desta conduta é reduzir a necessidade de os geradores se voltarem a ligar a si próprios.
Resultados dos estudos CFD: inovações e soluções sustentáveis para otimizar a refrigeração em centros de dados de hiperescala
Estudo dos ventos dominantes: estratégia para reduzir o looping entre os refrigeradores de ar
Após a análise meteorológica, foram identificados dois ventos dominantes. Os dois ventos dominantes foram simulados. Os resultados destes estudos evidenciaram vários fenómenos aeroeléctricos com impacto nas temperaturas e nofornecimento de ar aos sistemas. Foram identificados fenómenos de looping entre os sistemas, que conduzem a um aumento das temperaturas de entrada do arrefecedor de ar. As calorias evacuadas são reconduzidas pelos mesmos sistemas ou pelos sistemas circundantes.
Estes fenómenos foram identificados principalmente nos primeiros refrigeradores de ar expostos ao vento. O vento favorece o recuo das plumas térmicas, o que amplifica os fenómenos de looping. No resto do telhado, o fenómeno é menor e mais localizado. Neste caso, deve-se principalmente a uma falta de fornecimento de ar, levando à sucção dos sistemas no topo.
A densidade dos sistemas no telhado é também propícia a estes fenómenos. A potência por m2 é particularmente elevada neste centro de dados, contribuindo para um aumento global da temperatura. Além disso, o aumento do número de sistemas no telhado também limita a circulação do ar e favorece o aparecimento de zonas de baixa velocidade propícias à estagnação de calorias. Estas zonas de estagnação foram identificadas, nomeadamente, em torno dos transformadores. As temperaturas à volta destes sistemas rondam os 50°C.
Para reduzir o looping, foi efectuado um estudo para acrescentar uma tampa aos sistemas. A adição de um revestimento opaco elimina a aspiração dos sistemas na parte superior, que está carregada de calor. As temperaturas registadas com esta nova conceção foram reduzidas em quase 2°C. Consequentemente, a perda de potência de refrigeração também foi reduzida, melhorando aeficiência global dos sistemas de refrigeração.
Estudo de diferentes modelos de extração para otimizar os sistemas de refrigeração
Uma das direcções do vento no local é particularmente desfavorável para os sistemas de arrefecimento. Este vento dirige os gases de escape dos geradores, situados perto do edifício, diretamente para o telhado onde se encontram as unidades arrefecidas a ar. Consequentemente, as plumas de calor emitidas pelos geradores são aspiradas pelos refrigeradores, provocando um aumento da temperatura de aspiração e afectando o seu desempenho. Além disso, esta direção do vento pode igualmente provocar o retorno dos geradores sobre si próprios, dando origem a riscos semelhantes aos observados para os chillers arrefecidos a ar. Por conseguinte, foi efectuado um estudo específico para analisar a amplitude destes fenómenos.
Apesar da baixa recorrência deste vento desfavorável, é necessário ter em conta esta direção do vento, tendo em conta os riscos de uma subida brusca da temperatura que poderia resultar da paragem dos geradores dos refrigeradores de ar.
Os primeiros resultados evidenciaram o fenómeno de retorno dos geradores sobre si próprios. Embora a adição de uma conduta de exaustão de 3 metros tenha reduzido parcialmente este fenómeno, ele ainda está presente devido a um fornecimento insuficiente de ar fresco na entrada dos sistemas, o que aumenta a entrada de ar quente no topo.
A descarga dos geradores também tem um impacto significativo nas temperaturas de aspiração dos refrigeradores de ar dos telhados. As plumas dos geradores são aspiradas pelos refrigeradores. Para além deste fenómeno, foi demonstrado que os chillers também se voltam a ligar a si próprios. A combinação destes dois fenómenos conduz a um aumento significativo da temperatura, com o risco de falha dos sistemas.
Para mitigar estes impactos, foi também efectuado um estudo, tendo em conta as condições desfavoráveis do vento e a adição de uma capota sobre os sistemas. Esta solução permitiu reduzir consideravelmente as temperaturas médias de aspiração dos chillers, com uma redução de quase 4°C a 5°C. A adição da cobertura eliminou a necessidade de fazer loops entre os chillers, melhorando assim a sua eficiência. No entanto, as emissões dos geradores continuam a ter um impacto nos chillers de telhado, embora a perda de energia tenha sido reduzida graças a esta conceção.
Análise da potência de arrefecimento disponível para centros de dados em hiperescala
Os refrigeradores de ar são concebidos para fornecer a potência de arrefecimento necessária às salas de dados, mantendo as condições ideais para o funcionamento do equipamento informático. Esta potência de arrefecimento é garantida para o funcionamento em condições “normais”, ou seja, para temperaturas de entrada inferiores a um limiar predefinido. Quando este limiar de temperatura é ultrapassado, o desempenho dos sistemas de refrigeração diminui e estes deixam de ser capazes de fornecer a potência total necessária, o que pode afetar a fiabilidade ea eficiência do sistema de refrigeração global.
Para resolver este problema, a EOLIOS realizou um estudo para quantificar a perda de potência a frio em função das leituras de temperatura de entrada do sistema.
Estas simulações permitiram avaliar e comparar as várias soluções possíveis para otimizar o desempenho dos refrigeradores de ar em diversas condições.
A solução proposta pela EOLIOS revelou-se particularmente eficaz, reduzindo as perdas de energia num fator de 5 em relação ao projeto inicial. Esta melhoria significativa não só garante uma maior estabilidade térmica nas salas de dados, como também optimiza aeficiência energética das instalações, reduzindo os custos de funcionamento e os riscos associados ao sobreaquecimento dos equipamentos.
A experiência da EOLIOS ingénierie na resolução de problemas termo-aerodinâmicos em centros de dados
Recomendações adaptadas a cada projeto
Graças à sua experiência em simulação numérica e, mais especificamente, em simulação externa de centros de dados, a EOLIOS pôde propor várias soluções adaptadas ao projeto para atenuar os fenómenos de looping. Foram consideradas soluções fáceis de prever e pouco dispendiosas, como a relocalização dos sistemas ou a instalação de caixas. Foram também discutidas soluções mais dispendiosas, como a criação desaídas para evacuar as plumas para terrenos mais elevados. Após consulta do nosso cliente, foram selecionadas algumas soluções para um novo estudo CFD. As soluções selecionadas foram rigorosamente simuladas. Estas permitiram reduzir significativamente as temperaturas de aspiração dos sistemas, melhorando assim o seu rendimento. Tendo em conta os resultados e o custo de instalação, optou-se por um projeto com uma nova disposição das instalações e a instalação de coberturas nos chillers.
A análise detalhada da capacidade de arrefecimento disponível também permitiu quantificar com precisão os benefícios de cada solução, fornecendo uma avaliação clara do impacto no desempenho do sistema de arrefecimento.
Graças a este estudo, a EOLIOS pôdeotimizar a conceção dos sistemas de cobertura. Esta otimização permitirá reduzir o risco de avarias do sistema e de perda de energia devido a temperaturas elevadas. Além disso, a conceção permitirá reduzir os custos energéticos do funcionamento anual dos sistemas de arrefecimento. Um estudo mais aprofundado permitiria igualmente quantificar aseconomias associadas a esta conceção optimizada.
Resumo em vídeo do estudo
Resumo do estudo
O estudo realizado pela EOLIOS ingénierie incide sobre aotimização térmica dos centros de dados em hiperescala, utilizando simulações CFD (Computational Fluid Dynamics). Esta abordagem permite melhorar a circulação do ar e aeficiência dos sistemas de refrigeração, reduzindo assim o consumo de energia e apegada de carbono. Os centros de dados em hiperescala, utilizados por gigantes tecnológicos como a Amazon e a Google, requerem soluções modulares, automatizadas e sustentáveis. A EOLIOS identificou problemas como o sobreaquecimento e o looping, e propôs soluções como a instalação de capotas para mitigar estes fenómenos. A integração de gémeos digitais para simulações precisas permitiu prever melhorias significativas. Ao trabalhar em estreita colaboração com os clientes, a EOLIOS optimizou a configuração dos sistemas de refrigeração, aumentando a sua eficiência e reduzindo os custos energéticos. Este estudo demonstra o impacto crucial das simulações CFD no desempenho e na sustentabilidade dos centros de dados modernos.
Resumo em vídeo da missão
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