Simulação e otimização de plumas térmicas – Centro de Dados
Simulation et optimisation des panaches thermiques - Data Center
Ano
2025
Cliente
NC
Localização
Paris
Tipologia
Data Center
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Otimização termo-aerodinâmica da área técnica de um centro de dados
Questões gerais e contexto termo-aerodinâmico
A área técnica no solo do centro de dados estudado pela EOLIOS inclui refrigeradores de ar, geradores e transformadores num ambiente urbano escondido, onde a recirculação térmica pode ocorrer devido ao enclausuramento e à interação entre a descarga e a sucção. O objetivo principal é estabilizar a temperatura do ar que entra nos permutadores ehomogeneizar os campos de velocidade na entrada, a fim de aumentar a robustez em condições severas (ventos desfavoráveis, cargas elevadas), limitando ao mesmo tempo o refluxo de plumas para as máquinas. A introdução de telas, tais como capotas, e de elementos filtrantes, tais como grelhas, é uma das alavancas estudadas para quebrar as malhas e orientar um fornecimento de ar mais favorável para os permutadores.
Para além do próprio equipamento, a morfologia do local e a presença de obstáculos nas proximidades (muros baixos, edifícios vizinhos, bastidores periféricos) desempenham um papel decisivo. Podem criar zonas de baixa velocidade, recirculação lateral ou vórtices de esteira que injectam localmente ar quente na proximidade das entradas de ar. O estudo coloca estes efeitos no contexto de uma leitura “ventos dominantes / ventos contrários”, a fim de qualificar a sensibilidade direcional do sistema e garantir que as soluções selecionadas permanecem eficazes numa gama realista de condições meteorológicas e de funcionamento.
A EOLIOS é líder na simulação externa CFD para Centros de Dados. Os nossos estudos baseiam-se no feedback de campanhas de medição em condições reais e numa centena de locais simulados em todo o mundo.
Início do processo EOLIOS: Auditoria do local para apoiar o CFD
Medições termográficas e hipóteses iniciais para o looping térmico
A auditoria no local revelou uma recirculação local em torno de alguns dos refrigeradores de ar, um desequilíbrio nas temperaturas medidas entre duas salas de equipamento e um refrigerador de ar de fluxo inferior.
Estes índices confirmam anatureza heterogénea da mistura e o valor do tratamento orientado de áreas sensíveis e de trajectórias de plumas. As campanhas de medição (anemometria, fumos, imagens térmicas) também apontam para o efeito dadesordem no solo e das máscaras na dispersão dos gases de escape quentes. Estes elementos foram utilizados para calibrar a modelização, para posicionar as secções transversais do CFD e para dar prioridade às medidas de atenuação susceptíveis de proporcionar o maior benefício com o menor impacto nas operações.
As leituras termográficas mostram claramente áreas de recirculação de ar quente (looping térmico) à volta de alguns refrigeradores de ar. As imagens de infravermelhos mostram halos quentes e línguas térmicas que se desenvolvem à volta das capotas transparentes, um sinal de redução da pluma e de re-sucção parcial pelos permutadores de calor vizinhos. Na vizinhança imediata das capotas e das carcaças dos refrigeradores de ar, a temperatura aparente aumenta e estende-se na direção do fluxo, indicando uma diluição insuficiente das emissões e a recirculação em trajectórias curtas. O fenómeno é amplificado quando o vento incidente atinge os painéis ou as paredes laterais, criando zonas de baixa velocidade e vórtices de esteira que retêm o ar quente nas entradas de ar.
Para além das emissões das próprias máquinas, a morfologia da área técnica no solo contribui para esta acumulação: ambientes desordenados, carenagens parciais que desviam os jactos sem os retirar da zona de aspiração, condutas de cabos e de redes que reduzem as secções livres e geram sombras aeraúlicas. Em certas condições de vento, estes obstáculos criam loops locais e efeitos de parede que atrasam a evacuação do calor, favorecem a coalescência das plumas e acentuam a subida de temperatura ao pé do aparelho. No seu conjunto, estes resultados explicam a sobretemperatura detectada pela termografia em torno dos refrigeradores de ar e justificam medidas específicas de deflexão e filtragem (capotas contínuas, grelhas orientadas) para quebrar os laços, abrir os fluxos e limpar o ar de admissão.
A termografia mostra um circuito térmico acentuado diretamente relacionado com a configuração fechada dos refrigeradores de ar. A presença de uma parede traseira actua como uma parede reflectora que limita a dispersão e atrai a pluma quente para montante. Sob o efeito do vento incidente, o jato é parcialmente pressionado contra a parede (efeito de parede), a camada limite torna-se mais espessa, as velocidades diminuem e surge uma inversão do fluxo na base das máquinas. Cria-se assim uma zona de baixa velocidade com vórtices em forma de cunha que aprisionam o ar aquecido; as isotérmicas apertam-se perto da parede e das capotas, indicando uma diluição insuficiente e um refluxo de calor para o escape.
Esta topologia explica as temperaturas aparentes mais elevadas registadas por imagens IR em torno destas unidades e a persistência de bolsas quentes apesar de uma taxa de ejeção nominal. Justifica medidas específicas de deflexão e de filtragem (capotas contínuas mais bem ligadas, grelhas orientadas, elevação ou mudança de fase dos exaustores), destinadas a quebrar o circuito de recirculação, a acelerar o assentamento da sala e a descorrelacionar as plumas das entradas de ar encostadas à parede.
As escolhas feitas pelas equipas EOLIOS na divisão do espaço para facilitar a comunicação com o cliente
O perímetro abrange a área técnica no terreno, dividida em três sectores funcionais – zona esquerda, zona central e zona direita – de modo a refletir as diferenças de exposição ao vento, a proximidade das paredes e a lógica de aspiração específica de cada unidade. O inventário inclui 11 chillers, 8 geradores e 10 transformadores; as caixas já estão instaladas no lado direito e a maioria das máquinas está equipada com bocais. A configuração das aberturas nos EG, posicionadas no exterior, foi concebida para desviar as plumas e evitar que sejam ingeridas pelos refrigeradores de ar vizinhos.
Esta estruturação do sítio, associada à inclusão dos acessórios existentes, garante uma representação fiel dos constrangimentos reais e permite comparar os cenários de forma pertinente: permite localizar com precisão as zonas mais sensíveis, hierarquizar as interações por ordem de importância (descarga/sucção/máscaras) e orientar os tratamentos para os locais onde são mais eficazes. Facilita igualmente o escalonamento das intervenções e a definição de pontos de controlo durante a exploração (qualidade do ar de entrada, homogeneidade da aspiração), para que as melhorias validadas durante o estudo possam ser implementadas e acompanhadas com um impacto mínimo na atividade da instalação.
Abordagem CFD e estrutura de análise para modelação CAD do local externo do centro de dados
Modelação 3D adaptada ao CFD do local
A abordagem baseia-se num CFD termo-aerodinâmico externo construído a partir de um modelo 3D detalhado da área técnica, incorporando a geometria real, os obstáculos e as protecções (revestimentos, ventiladores), os volumes de ar de retorno e de plenum, bem como as restrições periféricas (paredes, edifícios vizinhos, equipamentos auxiliares). O modelo é preparado para a simulação: limpeza do CAD, simplificação dos pormenores não influentes e refinamento local da malha nas entradas de ar, nas descargas e nas zonasde confinamento. O domínio de cálculo é alargado para captar as re-injecções de médio alcance e os efeitos de esteira; são aplicadas condições de vento representativas (incidência, intensidade, rugosidade do local) para reproduzir fielmente o ambiente urbano mascarado. Esta preparação garante uma base física consistente, mantendo-se compatível com tempos de cálculo razoáveis para a iteração das soluções.
O rendering favorece uma leitura qualitativa na entrada dos refrigeradores de ar, através de planos de velocidade, planos de temperatura, traços/linhas de corrente e iso-superfícies, o que permite identificar os mecanismos de looping e qualificar a qualidade do ar de entrada sem inflacionar os números. Os cortes transversais são posicionados ao nível da aspiração e junto ao solo para revelar zonas deestagnação do ar, enquanto a sementeira de partículas é injectada a partir de descargas e geradores para visualizar trajectórias e retornos de plumas. É dada especial atenção aos espaços entre equipamentos, aos bordos das capotas e às zonas de baixa velocidade, onde ocorre a maior parte da recirculação; a análise cruza depois a homogeneidade da aspiração, o nível de recirculação (baixo/médio/alto) e a estabilidade do fluxo para fornecer orientações operacionais sobre as opções de deflexão e filtragem a implementar.
Utiliza uma auditoria do sítio para modelar modelos com maior precisão
O modelo desenvolvido pela EOLIOS baseia-se fielmente na arquitetura observada durante a auditoria e incorpora as especificidades daimplantação no solo – carenagens parciais, bocais, orientação das grelhas no exterior da GE, alturas úteis, distâncias entre centros, ecrãs e obstáculos periféricos. Esta tradução do local real num modelo 3D para CFD é acompanhada pela preparação CAD e pela criação de malhas com refinamentos nas entradas de ar, descargas e zonas de confinamento, bem como uma calibração das condições de fronteira consistentes com o contexto local(rugosidade do local, impactos representativos do vento, níveisde emissões térmicas e regimes de funcionamento). O objetivo não é produzir um gémeo teórico, mas um modelo fisicamente credível capaz de reproduzir os mecanismosde fluxo e recirculação que determinam a qualidade do ar de entrada.
O ciclo auditoria ↔ modelo é então utilizado para comparar iterativamente os resultados termográficos eanemométricos do campo com os mapas CFD, para ajustar os pressupostos de entrada (condições de abertura, seletividade/perdas de carga das grelhas, coeficientes de descarga, rugosidade local, curvas do ventilador) e, em última análise, para qualificar o nível de confiança do modelo a fim de informar a decisão. Os desvios residuais são analisados através de testes de sensibilidade e, se necessário, corrigidos por ajustamentos específicos da malha ou dos parâmetros de funcionamento simulados até se obter uma convergência sólida das linhas de escoamento, dahomogeneidade de aspiração e dos níveis de recirculação. As vantagens são duas: ter uma representação ancorada na realidade e fornecer uma grelha de leitura operacional para as equipas, onde cada cenário é legível em termos deimpacto, prioridades de ação e facilidade de implementação.
Figura - Distribuição da temperatura e da pressão no interior de uma sala de centro de dados em hiperescala
Estuda diferentes cenários para encontrar a melhor solução possível
Visão geral dos cenários de estudo CFD
Foram estudadas quatro configurações representativas:
- A referência sem o capot,
- A instalação de caixas à esquerda,
- A combinação de capotas e grelhas entre a GE e os refrigeradores de ar,
- E otimização orientada da zona direita através do reequilíbrio das rejeições.
Esta progressão por etapas permite medir acontribuição incremental de cada alavanca – primeiro as capotas, depois as grelhas, finalmente a distribuição das descargas na zona reta – isolando o seu efeito específico e verificando as suas sinergias. Fornece uma leitura comparativa estável sob diferentes condições de vento e estados de carga, confirma a durabilidade dos ganhos (não se trata de uma simples deslocação do problema) e fornece um caminho claro para a tomada de decisões: tratar primeiro as zonas fechadas e a recirculação térmica mais estruturante, depois aperfeiçoar ahomogeneidade de aspiração e, por fim, suavizar os restantes gradientes através de uma otimização orientada. Desta forma, os benefícios são validados e mantidos em funcionamento, com uma boa relação efeito/complexidade e um impacto limitado nas operações actuais.
O as grelhas protegem as entradas de ar dos retornos diretos e elevam a trajetória das plumas, o que interrompe os atalhos de aspiração e reduz as bolsas de calor na base das unidades; as grelhas actuam como um tampão aeraúlico, filtrando as interações laterais entre a GE e os refrigeradores de ar e orientando o fornecimento de ar mais frio para os permutadores; optimizando a A linha da direita, distribuindo as descargas (alternando módulos mais e menos emissivos), visaequilibrar as cargas e dessincronizar os jactos para limitar a focalização local. Em conjunto, estes elementos formam uma cadeia coerente de acções sobre a área técnica no terreno, que melhora a qualidade do ar de entrada, reduz a sensibilidade aos ventos de retorno, reforça a resiliência do arrefecimento e facilita a manutenção graças a campos de fluxo mais legíveis.
Variante para equilibrar a produção de calor em refrigeradores de ar
Distribuição da produção de calor num chiller verde, 1/3 do calor é recuperado pelo ar, e no vermelho 2/3 da potência o que significa que a elevada produção de calor está concentrada perto da parede.
Uma forma de reduzir a recirculação de calor éalternar o posicionamento dos chillers paraotimizar a produção de calor.
Por conseguinte, este tipo de configuração será estudado posteriormente, quando as caixas estiverem posicionadas, e apenas na zona direita.
Resultados dos estudos CFD: inovações e soluções sustentáveis para otimizar o arrefecimento dos centros de dados
Zona esquerda - Estudo das temperaturas de aspiração do arrefecedor de ar
Na configuração de referência, o looping ao pé das unidades é claramente visível: oar quente expelido é empurrado para trás por obstáculos próximos, permanece em contacto com as unidades de aspiração e degrada a qualidade do ar que entra nos refrigeradores de ar. As linhas de fluxo mostram atalhos de aspiração e zonas de baixa velocidade que estabilizam as bolsas de calor ao nível das grelhas, especialmente sob certas condições de vento e junto às paredes. A adição de capotas reduz este confinamento e eleva a trajetória das plumas, limitando a recirculação imediata; no entanto, persistem sombras aeraúlicas no bordo do equipamento, onde o fluxo permanece insuficientemente energizado e mantém uma heterogeneidade residual.
Com acombinação de capotas e grelhas, a zona é muitomais limpa: as capotas proporcionam a principal deflexão da descarga, enquanto as grelhas actuam como um amortecedor aeraúlico, filtrando as interações laterais e canalizando um fornecimento de ar mais frio para as entradas de ar. Os mapas de temperatura e os traços de corrente mostram uma redução significativa da recirculação, uma descorrelação descarga/entrada e uma homogeneização das velocidades de aproximação na proximidade dos permutadores. A leitura qualitativa passa assim de um nível elevado de recirculação térmica para um nível baixo na maior parte do sector, com uma sensibilidade ainda percetível nos bordos livres – compatível com ofuncionamento e controlável por uma pilotagem cuidadosa durante os regimes de vento mais desfavoráveis.
Comparação dos planos de temperatura antes e depois da otimização EOLIOS
Zona central - Estudo da dissipação de calor dos geradores
A zona central é menos suscetível à recirculação térmica. A mistura induzida em torno dos geradores cria um volume de troca mais energético que desacopla efetivamente as descargas principais das sucções vizinhas e favorece a rápida diluição das plumas. Sob ventos dominantes, as linhas de corrente seguem a morfologia local – corredores de escoamento, folgas laterais, barracas – o que limita a formação de zonas persistentes de baixa velocidade. Assim, os mapas de velocidade do ar mostram trajectórias estáveis e legíveis, com gradientes controlados nas entradas de ar.
Nestas condições, a recirculação permanece moderada, confirmando que as prioridades de ação devem concentrar-se nas extremidades da área técnica, onde os efeitosda envolvente e das paredes geram retornos mais acentuados. Por conseguinte, convém adotar uma abordagem mais ligeira no centro: manter um fluxo de ar homogéneo, vigiar os bordos livres e efetuar controlos pontuais durante os ventos de viragem ou os regimes transitórios das máquinas. Esta calibração minimalista garante a coerência aerodinâmica do sector, preservando a flexibilidade de funcionamento e a facilidade de manutenção.
Zona direita - Estudo da distribuição de calor no lado de sucção dos refrigeradores de ar
Na configuração inicial, a zona da direita apresenta uma entrada heterogénea com retornos térmicos mais pronunciados, nomeadamente na proximidade de pontos duros (paredes, telas e mudanças de secção). As capotas proporcionam uma primeira vantagem ao baixar o fecho e ao elevar a trajetória das plumas, o que reduz os atalhos de aspiração para as entradas de ar. A otimização através do reequilíbrio das descargas – baseada naalternância de módulos mais e menos emissivos e na dessincronização dos jactos – equilibra a carga e estabiliza os campos de aspiração; a sensibilidade às variações daincidência do vento é reduzida e as linhas de fluxo tornam-se mais nítidas, com gradientes melhor distribuídos ao longo da linha.
De acordo com o sector, verificou-se uma redução significativa das zonas de recirculação térmica, embora ainda existam franjas nas extremidades que exigem vigilância em caso de ventos extremos. Estas áreas residuais podem ser tratadas através de um controlo cuidadoso (condições de abertura, sequências de arranque) e, se necessário, através de pequenos ajustes operacionais para evitar qualquer recirculação localizada. O resultado global é uma melhoria robusta e sustentável, conseguida sem aumentar a carga sobre as operações actuais: o sistema torna-se mais resistente, a qualidade do ar de entrada estabiliza e a manutenção é facilitada graças a campos de fluxo mais homogéneos e previsíveis.
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, na simulação externa de centros de dados, a EOLIOS pôde propor várias soluções adaptadas ao projeto para atenuar os fenómenos de looping. Foram consideradas soluções facilmente concebíveis e pouco dispendiosas, como a deslocação dos sistemas ou a instalação de caixas. Também foram 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.
Descobre mais sobre este assunto:
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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