CFD-Optimierung – Rechenzentrum.

Thermische und aeraulische Studie eines Rechenzentrums: CFD-Expertise

EOLIOS hat eine externe CFD-Simulation der Dachkühlung eines Rechenzentrums durchgeführt, um dessen Auslegung zu validieren und die thermischen Rezirkulationen zwischen Stromaggregaten und Rückkühlern vor der Inbetriebnahme zu beherrschen.

Die thermische Herausforderung der Rechenzentren

In einem Kontext, in dem sich Rechenzentren großen Maßstabs vervielfachen, wird die Verwaltung der Kühlsysteme entscheidend, bedingt durch die steigende Dichte der IT-Ausrüstung, oft über 10 kW pro Rack. Die zentrale Herausforderung besteht darin, die von dieser Hochdichte-Ausrüstung abgegebene Wärme wirksam abzuführen. Bei EOLIOS stellen wir unsere technische Expertise in Ihren Dienst, indem wir Studien der numerischen Strömungsmechanik (CFD) durchführen, um die thermischen und aeraulischen Austausche eines Rechenzentrums zu modellieren und zu optimieren.

Ziele und Umfang der Studie

Diese Analyse befasst sich speziell mit den externen Abluftfahnen der Rückkühler, der Stromaggregate und der übrigen Ausrüstung auf dem Dach. Ziel ist es zu prüfen, ob die Wärmeabgabe dieser Systeme die Zuluft durch Rezirkulationsschleifen kontaminieren könnte. Wir simulieren so das thermo-aeraulische Verhalten dieser Fahnen mit numerischen CFD-Berechnungen, um eine optimale Steuerung der Zulufttemperatur zu gewährleisten und jede Störung zu vermeiden.

Die Studie zielt darauf ab, die Auslegung des Gebäudes und die Anordnung der Systeme auf dem Dach zu validieren, indem geprüft wird, ob die Lufttemperaturen am Eintritt der Rückkühler ausreichend niedrig bleiben, und indem etwaige Rezirkulationsprobleme erkannt werden. Sie deckt verschiedene Betriebsszenarien ab: hohe Temperaturen, unterschiedliche Windrichtungen und das Anlaufen der Notstromaggregate. Wird ein Problem festgestellt, ermitteln wir dessen Ursache und schlagen geeignete Korrekturlösungen vor.

Das Wesentliche in Zahlen

ASHRAE-Klimadaten für die CFD

Nutzung der Normen für eine präzise und effiziente CFD-Simulation

Die richtige Einstellung der Außenbedingungen ist grundlegend, um die thermische Verwaltung der Rechenzentren durch CFD-Simulation zu optimieren. Die ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) stellt eine unverzichtbare internationale Referenz dar. Indem sie Normen festlegt und präzise Klimadaten bereitstellt, ermöglicht sie Ingenieuren und Planern, ihre Systeme für Heizung, Lüftung, Klimatisierung und Kältetechnik (HLK-K) an reale Umgebungen anzupassen. Die ASHRAE sammelt meteorologische Daten von Tausenden Stationen weltweit und gewährleistet Zuverlässigkeit und Präzision durch über Jahrzehnte gemessene Mittel- und Extremwerte.

Diese Daten sind für die angemessene Dimensionierung der Außensysteme unerlässlich. Durch Berücksichtigung der mittleren und extremen Temperaturen helfen sie, realistische Szenarien vorherzusehen, eine Überdimensionierung zu vermeiden und die Energieeffizienz zu optimieren. Für unsere Studie werden die örtlichen Klimabedingungen anhand der dem Standort nächstgelegenen Wetterstation definiert, die entscheidende Informationen liefert — etwa die Monatstemperaturen und die Windaufzeichnungen — maßgeblich für die Festlegung der Wetterbedingungen und der vorherrschenden Winde.

So können wir, gestützt auf zuverlässige und standardisierte Klimadaten, effiziente und langlebige Außensysteme dimensionieren, die auf die Anforderungen der verschiedenen Klimabedingungen abgestimmt sind.

3D-Modellierung eines Rechenzentrums für die thermo-aeraulische Simulation

EOLIOS erstellt einen digitalen Zwilling des Rechenzentrums und seiner unmittelbaren Umgebung, der die Geometrie des Bauwerks, der Dachausrüstung und der benachbarten Hindernisse, die den Luftstrom beeinflussen können, getreu wiedergibt. Dieses Modell ist die Grundlage sämtlicher Berechnungen.

Vom Klimadatum zur CFD-Berechnung

Die im Rahmen der externen Studie simulierten Szenarien sind die folgenden:

• Standard-Szenario — mit vorherrschendem Wind
• Standard-Szenario — mit ungünstigem Wind
• Kritisches Szenario — mit ungünstigem Wind

Eine Überdachung befindet sich an den Austritten der Luftkühler, um die Rezirkulationsphänomene zu minimieren. Dieser Bereich ist von Wänden begrenzt, die mit Akustikpaneelen ausgestattet sind, und an den unteren Teilen dieser Wände sind Lamellen vorhanden.

Die 26 Stromaggregate befinden sich überwiegend im Südwesten des Gebäudes, sowohl auf dem Dach als auch auf zwei Etagen im Inneren verteilt. Um die Wärmeabgabe der Stromaggregate abzuleiten, sind 5 Abluftkanäle in der Höhe installiert. Die Frischluftansaugung für die Stromaggregate erfolgt an der Südwestfassade des Gebäudes, die mit Lamellen ausgestattet ist.

Für diese 3 Studien sind die Stromaggregate eingeschaltet, um die ungünstigste Situation hinsichtlich der Wärmeabgabe zu berücksichtigen. Die Kühleinheiten, konzentriert im Nordosten des Gebäudes, umfassen 30 Rückkühler und 3 Dry-Cooler. Auch das Vorhandensein von Zusatzausrüstung auf dem Dach, etwa Lüftungsgeräte und Wärmepumpen, wurde berücksichtigt.

Ergebnisse der externen Simulation: Validierung der Auslegung

Die Studie analysierte die externe Auslegung des Rechenzentrums anhand von drei kritischen Szenarien, basierend auf den Variationen der Windrichtung und der Verwaltung der Kühlsysteme, bei gleichzeitiger Beibehaltung extremer Klimabedingungen gemäß den ASHRAE-Standards.

Szenario 1 — Vorherrschender Wind, Standard-Szenario (N)

Für dieses Szenario wurde kein nennenswertes Phänomen der Luftrezirkulation festgestellt. Die Simulationen zeigen, dass die an der Ansaugung der Kühleinheiten gemessene Temperatur nahe der Umgebungstemperatur bleibt, was von einer optimierten Auslegung des Lufteintritts zeugt. Struktur und Anordnung des Daches werden unter diesen Bedingungen als ausgezeichnet beurteilt und gewährleisten eine gute thermische Regelung.

Szenario 2 — Ungünstiger Wind, Standard-Szenario (N)

Die Studie hob eine leichte Luftrezirkulation an den Südwest-Lamellen hervor, hauptsächlich verursacht durch die teilweise Verdeckung durch die Abluftkanäle der Stromaggregate. Ein zentraler, von Ausrüstung freier Bereich bietet jedoch ausreichenden Zugang zu Frischluft, was zur Abschwächung dieses Phänomens beiträgt. Die Ansaugtemperatur zeigt Anstiege, insbesondere für die im Süden gelegenen Systeme, bleibt aber kontrolliert. Die Abluftkanäle der Stromaggregate gewährleisten eine wirksame Ableitung der kaloriengeladenen Luft und minimieren die potenziellen Wechselwirkungen mit den Rückkühlern.

Szenario 3 — Ungünstiger Wind, kritisches Szenario (N+X)

Die mit der Luftrezirkulation verbundenen Schwierigkeiten bleiben bestehen, verschärft durch die Verringerung der Zuluftgeschwindigkeiten bei voller Betriebskapazität. Dies erhöht die Neigung zur Luftrezirkulation, insbesondere um die stromabwärts gelegenen Lamellen. Die Ansaugtemperaturen zeigen erhebliche Anstiege, die im Wesentlichen die im Süden positionierten Einheiten betreffen. Trotz dieser Bedingungen bleibt die von den Stromaggregaten angesaugte Luft auf Umgebungstemperatur, dank einer geschickten Steuerung der Ableitung der warmen Luftmassen.

Vergleichende Zusammenfassung der Szenarien

Qualitative Zusammenfassung der drei simulierten Szenarien — EOLIOS Ingenieurbüro.

Energieoptimierung der Rückkühler durch CFD-Simulation

EOLIOS optimiert die Energieeffizienz der Rückkühler der Rechenzentren, gestützt auf die numerische Simulation der Strömungsmechanik (CFD).

Die CFD ermöglicht es uns, anspruchsvolle dreidimensionale Modelle zu erstellen, die das thermische Verhalten und den Luftstrom innerhalb der Kühlsysteme getreu wiedergeben. Durch die Analyse dieser Modelle können wir die Überhitzungszonen und die Punkte der Energieverluste präzise erkennen und die Konfiguration der Wärmetauscher und Ventilatoren optimieren.

Auf dem Weg zu einem beherrschten PUE

Dieser Ansatz erlaubt es uns, die Luftumwälzgeschwindigkeit und die Ausrichtung der Strömungen für jede äußere Klimabedingung fein abzustimmen und so die Energieeffizienz zu verbessern, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Darüber hinaus tragen unsere Lösungen dazu bei, den Power Usage Effectiveness (PUE) zu senken, ein für Rechenzentren entscheidendes Kriterium, indem sie einen rationelleren Energieverbrauch sicherstellen und die Betriebskosten für unsere Kunden minimieren. Wir liefern so strategische Empfehlungen für die Einrichtung robuster und effizienter thermischer Verwaltungssysteme.

Innovationen für die Gestaltung effizienter Dächer

Das Dach, die wahre „fünfte Fassade“, spielt eine entscheidende Rolle für die Energieeffizienz der Rechenzentren. Unsere Lösungen stützen sich auf Überdachungen, die darauf ausgelegt sind, die Belüftung passiv zu verbessern und die thermische Verwaltung zu optimieren. Mithilfe der CFD-Simulation können wir verschiedene Überdachungs-Konfigurationen modellieren und ihren Einfluss auf die natürliche Luftzirkulation analysieren. Dies ermöglicht es uns, Strukturen zu entwerfen, die die vorherrschenden Winde und die Druckschwankungen intelligent nutzen, um eine wirksame Querlüftung zu fördern, die Abhängigkeit von mechanischen Kühlsystemen zu verringern und die Abfuhr der angesammelten Wärme zu begünstigen.

Durch die Integration von reflektierenden Materialien und innovativen Dämmtechnologien tragen unsere Überdachungen zu einer erheblichen Verringerung der thermischen Lasten bei. So verringern wir nicht nur den Energie-Fußabdruck der Rechenzentren, sondern fügen auch eine Schicht klimatischer Resilienz hinzu, die wesentlich ist, um die Kontinuität des Betriebs bei wechselnden Wetterbedingungen zu gewährleisten.

Interne Studie: Verringerung der Überhitzungsrisiken mit der CFD

Die Optimierung der Kühlsysteme, etwa der Kältemaschinen und der Stromaggregate, ist wesentlich, um die Leistung der Rechenzentren zu gewährleisten. Bei hohen Dichten von Servern und elektronischen Geräten, die 10 kW pro Rack überschreiten können, wird die thermische Verwaltung zu einer großen Herausforderung. Eine unkontrollierte Überhitzung kann Hardwareausfälle, einen Rückgang der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Dienste sowie eine vorzeitige Verschlechterung der Geräte verursachen.

Über die Temperatur hinaus: Kosten und Nachhaltigkeit

Folglich beschränkt sich die Optimierung der Kühlsysteme nicht darauf, eine stabile und angemessene Temperatur zu halten; sie ist auch entscheidend, um die Energiekosten zu senken, die einen bedeutenden Anteil der Betriebsausgaben der Rechenzentren ausmachen. Zudem ermöglicht diese Optimierung durch Minimierung des Energieverbrauchs eine Verringerung des CO₂-Fußabdrucks der Anlagen, im Einklang mit den wachsenden Anforderungen an die ökologische Nachhaltigkeit der Branche. Die durchgeführten numerischen Simulationen lieferten detaillierte Informationen, insbesondere zu den Temperaturen der Systeme in den verschiedenen Szenarien.

Ein kollaborativer und maßgeschneiderter Ansatz

EOLIOS zeigt eine besondere Fähigkeit, die spezifischen Bedürfnisse der Unternehmen über seine gesamten Untersuchungsprozesse hinweg zu integrieren, und begründet so eine wahrhaft kollaborative Partnerschaft. Gestützt auf ein tiefes Verständnis der Erwartungen und Ziele der Kunden entwickeln wir maßgeschneiderte Lösungen, die auf die Besonderheiten jeder Anfrage abgestimmt sind.

Dank einer offenen und kontinuierlichen Kommunikation stellt das Unternehmen sicher, dass alle Beteiligten auf die Ziele und Etappen der Projekte abgestimmt sind. Die Teams von EOLIOS arbeiten Hand in Hand mit den Unternehmen und bieten nicht nur technische Expertise, sondern auch ein relationales Know-how. Unser kundenorientierter Ansatz, verbunden mit ausgeprägten Kompetenzen, gewährleistet, dass die durchgeführten Studien den Erwartungen der Unternehmen entsprechen und die Wirksamkeit und Relevanz der vorgeschlagenen Lösungen maximieren.

EOLIOS — Ingenieurbüro mit Expertise für Rechenzentren

Bei EOLIOS ist es unsere Aufgabe, Sie bei der Auslegung und Bewertung Ihrer Kühl- und Lüftungssysteme für Rechenzentren zu begleiten und eine optimale Effizienz sowie eine erhöhte Sicherheit für Ihre Infrastrukturen zu gewährleisten. Dank unserer Expertise in der CFD-Simulation analysieren wir die thermo-aeraulischen Dynamiken, um die thermische Verwaltung zu optimieren.

Dank unserer Beherrschung der numerischen Simulationen erkennen wir die kritischen Luftströme und die Zonen, die unerwünschte Bypässe erzeugen können. Indem wir diese Analysen in unseren Ansatz integrieren, gewährleisten wir eine optimale Verteilung der Luft, was das Überhitzungsrisiko in den empfindlichen Zonen verringert und die betriebliche Effizienz Ihrer Systeme begünstigt. Wir führen rigorose Bewertungen durch, um die Effizienz Ihrer Kühlsysteme unter Berücksichtigung der ungünstigsten Szenarien zu validieren und zu optimieren, um die Langlebigkeit und Leistung Ihrer Rechenzentren zu sichern.