Whitepaper · Die CFD-Simulation für Rechenzentren
Die CFD-Simulation für Rechenzentren
Dichte, Gänge, Plenen, Rückkühler, Brand, PUE: das gesamte thermisch-strömungstechnische Verhalten eines Rechenzentrums entscheidet sich an Luftströmungen. Methode, Regelwerke und Grenzen, in 21 Kapiteln.
Zwei Leser, zwei Wege
Dieses Whitepaper ist so geschrieben, dass es auf zwei Arten gelesen werden kann. Es gibt keine zurückgehaltenen Inhalte: alles Folgende ist auch frei zugänglich auf eolios.de veröffentlicht.
Die Zusammenfassung nennt die zehn strukturierenden Punkte. Kapitel 05 erklärt, wie ein Saal objektiv bewertet wird, Kapitel 18 den Ablauf und die Fristen einer Studie, Kapitel 21 die Fragen an einen Dienstleister.
Kontext und Regelwerke, dann die Physik und die Simulationsmethode, dann was tatsächlich simuliert wird: Messkampagne, Nennbetrieb, Ausfallszenarien, externe CFD, Brand und PUE.
Die CFD-Simulation rekonstruiert die Luftströmungen und die Temperaturen eines Rechenzentrums Rack für Rack. Sie dient drei Zwecken: nachzuweisen, dass eine Auslegung ihre Ansaugtemperaturen einhält, bestehende Hotspots zu diagnostizieren und Ausfallszenarien ohne Betriebsrisiko zu testen. Ihr Wert kommt nicht aus der Software, sondern aus dem gewählten Umfang, den Randbedingungen und der Validierung an Messwerten.
- Wer nutzt sie? Betreiber, Bauherren und Planungsbüros, in der Planung wie im Betrieb.
- Wann? Vor Baumaßnahmen zur Absicherung, nach einem Vorfall zum Verstehen, vor einer Verdichtung zur Entscheidung.
- Welcher Nachweis? Ansaugtemperaturen, RCI, RTI und Capture Index, im Nennbetrieb und in den Störfallszenarien.
Zehn Punkte, die vor dem Start einer Studie zählen
Dieses Whitepaper richtet sich an zwei Leser. Der Entscheider findet hier das Wesentliche in drei Minuten. Der Ingenieur findet in den folgenden 21 Kapiteln die Physik, die Annahmen, die Kennzahlen und die Protokolle: einschließlich dessen, was die CFD nicht leisten kann.
- 01Die thermische Fehlermarge ist zusammengebrochenDie Dichte pro Rack hat die Größenordnung gewechselt; die Auslegungsmethoden nicht.
- 02An Kälte fehlt es fast nieEin Data Hall überhitzt durch schlechte Verteilung der verfügbaren Kälte, nicht durch fehlende Leistung.
- 03Zwei Pathologien dominieren alles ÜbrigeDie Rezirkulation warmer Luft und der Bypass kalter Luft: zwei strömungstechnische Probleme.
- 04Überkühlen verdeckt nur das SymptomEin niedriger Sollwert verschlechtert den PUE ganzjährig, ohne das Risiko zu beseitigen.
- 05Ein Saal lässt sich objektiv bewertenRCI, RTI und Capture Index beziffern ein Vorher / Nachher, ohne Diskussion.
- 06Die CFD testet, was der Betrieb nicht testen kannAusfall der Kältemaschine, Netzausfall, Hitzewelle, Brand: ohne Risiko und ohne Produktionsstopp.
- 07Eine nicht validierte CFD ist nur eine HypotheseNetzunabhängigkeit, Residuen, geschlossene Bilanzen, Abgleich mit Messwerten.
- 08Die Hülle zählt so viel wie der SaalEine Abluftrezirkulation auf dem Dach schlägt unmittelbar auf die Kaltwassertemperatur durch.
- 09Der Brand verändert das KriteriumSimuliert wird nicht mehr der Komfort, sondern die Erträglichkeit für Evakuierung und Einsatz.
- 10Der Wert bemisst sich in Entscheidungen, nicht in BildernFreigegebene IT-Kapazität, zurückgewonnene Sollwertgrade, ausgeschlossene Risiken.
Die 21 Kapitel
- 01Die thermische Gleichung der Digitalisierung: was sich wirklich geändert hatKontext
- 02Vom Silizium bis zur Atmosphäre: die fünf Skalen der thermischen KetteAnatomie
- 03Der europäische Rechtsrahmen: ASHRAE, EN 50600, Uptime, F-GaseRegelwerke
- 04Die acht strömungstechnischen Pathologien eines Data HallPathologien
- 05Ingenieurkennzahlen: einen Saal objektiv bewertenKennzahlen
- 06Überblick der Kühltechnologien: von der Luft bis zur ImmersionTechnologien
- 07Was eine CFD-Simulation tatsächlich berechnetGrundlagen
- 08Physikalische Modellierung: Turbulenz, Auftrieb, poröse Medien, StrahlungModellierung
- 09Vernetzung: die Diskretisierung entscheidet, was man sehen wirdVernetzung
- 10Randbedingungen: dort wird die Realität des Standorts eingebrachtRandbedingungen
- 11Konvergenz, Verifizierung, Validierung, UnsicherheitenV&V
- 12Die Messkampagne vor Ort: was vor der Simulation gemessen wirdMessung
- 13Interne CFD des Data Hall: was betrachtet wird, und in welcher ReihenfolgeInterne CFD
- 14Ausfallszenarien: die Thermik der ersten MinutenAusfälle
- 15Externe CFD: Rückkühler, Kurzschlussströmung, Hitzewelle, WärmeinselExterne CFD
- 16Brand, Entrauchung und Gaslöschung: das Inakzeptable simulierenBrand
- 17PUE: wo die CFD wirklich wirkt, und wo nichtPUE
- 18Der Ablauf eines Projekts: Liefergegenstände, Fristen, ErgebnisformatProjekt
- 19Erfahrungen aus der Praxis: was wir vor Ort gelernt habenErfahrungen
- 20Typische Fehler im BetriebAnti-Patterns
- 21Grenzen der CFD und Fragen an den DienstleisterGrenzen
Kontext, Physik des Problems und Regelwerke
Was sich in den Sälen verändert hat, was die Regelwerke sagen, und das ingenieurtechnische Vokabular, um eine Pathologie eindeutig zu beschreiben.
- 01Die thermische Gleichung der Digitalisierung: was sich wirklich geändert hatKontext
- 02Vom Silizium bis zur Atmosphäre: die fünf Skalen der thermischen KetteAnatomie
- 03Der europäische Rechtsrahmen: ASHRAE, EN 50600, Uptime, F-GaseRegelwerke
- 04Die acht strömungstechnischen Pathologien eines Data HallPathologien
- 05Ingenieurkennzahlen: einen Saal objektiv bewertenKennzahlen
- 06Überblick der Kühltechnologien: von der Luft bis zur ImmersionTechnologien
Die thermische Gleichung der Digitalisierung: was sich wirklich geändert hat
Nahezu der gesamte Strom, der in ein Rechenzentrum eintritt, verlässt es als Wärme. Die Frage lautet daher nicht "Kälte erzeugen", sondern eine thermische Leistung abführen, die sich immer stärker in einem Volumen konzentriert, das selbst nicht gewachsen ist.
Der Bedarf an digitaler Infrastruktur hat die Größenordnung gewechselt. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur haben Rechenzentren 2024 rund 415 TWh verbraucht, also fast 1,5 % des weltweiten Stromverbrauchs, mit einem Wachstum von etwa 12 % pro Jahr seit 2017; das Referenzszenario führt sie auf 945 TWh im Jahr 2030, eine Verdopplung in sechs Jahren. Dieses Wachstum bedeutet nicht nur mehr Gebäude: es bedeutet mehr Watt pro Quadratmeter Fläche.
Bei 5 kW pro Rack verzeiht das Volumen des Saals Näherungen. Bei 40 kW verzeiht es nichts mehr: derselbe Verteilungsfehler kostet nicht mehr ein Grad, sondern fünf.
Kapitel 01 · die Wirkung der DichteGenau hier liegt der ingenieurtechnische Bruch. Ein Saal, der um 5 kW pro Rack herum geplant wurde, verträgt viele Näherungen: das Luftvolumen des Saals wirkt als Puffer, Verteilungsfehler verdünnen sich, und ein Ausfall der Klimatisierung lässt mehrere Dutzend Minuten Reserve. Bei 15, 30 oder 60 kW pro Rack erzeugt derselbe Verteilungsfehler von 10 % keine Abweichung von einem Grad mehr, sondern von fünf, die kleinste Warmluftleckage wird zum Hotspot, und die verfügbare Zeit bis zum Überschreiten der Herstellergrenzwerte zählt in Minuten, manchmal in Zehntelminuten.
Erhebungen vor Ort bestätigen, dass der reale Bestand langsamer vorankommt als die Ankündigungen: das Uptime Institute beobachtet einen stetigen, aber langsamen Anstieg der mittleren Dichten, mit einer zunehmenden Verbreitung des Bereichs 10–30 kW, einem Standort von acht, der Racks zwischen 30 und 59 kW meldet, und einigen wenigen Schränken jenseits von 100 kW, die weiterhin die Ausnahme sind. Genau diese Heterogenität ist das Problem: die meisten Betreiber müssen heute Inseln hoher Dichte in Säle einfügen, die für eine niedrige und gleichmäßige Dichte geplant wurden. Das ist der häufigste Anwendungsfall der CFD.
Der weltweite PUE bewegt sich nicht mehr
Das Uptime Institute misst einen durchschnittlichen PUE, der seit sechs Jahren in Folge bei etwa 1,54 verharrt, während die Hyperscaler 1,10 bis 1,15 angeben. Der Abstand beruht nicht auf einem technologischen Geheimnis: er beruht auf der Qualität der Luftverteilung und auf der Fähigkeit, mit hohen Sollwerten sicher zu arbeiten. Genau das ist das Spielfeld der Simulation.
Konkrete Folgen einer schlecht beherrschten Thermik
- Dauerhafte Betriebsmehrkosten Vorbeugendes Überkühlen wird in jeder Stunde des Jahres bezahlt, in Kälteerzeugungs- und Ventilatorenergie.
- Beschleunigte Alterung Thermische Zyklen und hohe Ansaugtemperaturen schädigen Elektronik, Lüfter und Batterien.
- Ausfallrisiko Jenseits der Grenzwerte reduzieren die Server ihre Taktfrequenz (Throttling) und schalten dann ab: oft mehrere Racks gleichzeitig, weil sie denselben strömungstechnischen Mangel teilen.
- Eingefrorene Kapazität Mangels thermischen Nachweises bleiben physisch verfügbare Stellplätze für Last gesperrt. Das ist ein unmittelbarer Ertragsverlust.
Die klassischen Methoden, also die globale Leistungsbilanz, die Regel vom "ausreichenden Gesamtvolumenstrom" oder die Lasttabelle je Saal, beantworten eine Frage der Menge. Sie beantworten nie die Frage des Ortes: wo kommt die kalte Luft tatsächlich an, mit welcher Temperatur tritt sie in genau dieses Rack ein, und was wird aus dieser Verteilung, wenn eine Einheit ausfällt. Nur eine räumlich aufgelöste Berechnung der Strömungen beantwortet diese drei Fragen.
Auf eolios.de Die Funktionsweise eines Rechenzentrums verstehen
Vom Silizium bis zur Atmosphäre: die fünf Skalen der thermischen Kette
Ein häufiger Fehler besteht darin, das Rechenzentrum als ein einziges Objekt zu behandeln. Tatsächlich durchquert die Wärme fünf aufeinanderfolgende thermische Barrieren, jede mit eigener Physik, eigenen Widerständen und eigenen Versagensarten. Eine CFD-Studie ist nur dann sinnvoll, wenn man weiß, auf welcher Skala die gestellte Frage liegt.
Die fünf aufeinanderfolgenden thermischen Barrieren, vom Millimeter bis zum Standort: auf jeder Skala eine dominierende Physik, eine kritische Größe und eine eigene Versagensart.
Die Skalen sind nicht unabhängig: sie pflanzen sich fort. Eine Abluftrezirkulation auf dem Dach (Skala 5) erhöht die Lufttemperatur am Ansaug der Rückkühler, damit die Kaltwassertemperatur, damit die Zulufttemperatur im Saal (Skala 3), damit die Ansaugtemperatur der Racks (Skala 2) und schließlich die Sperrschichttemperatur der Prozessoren (Skala 1). Ein Mangel auf Skala 5 wird auf Skala 1 sichtbar: und umgekehrt zeigt sich eine Verdichtung auf Skala 1 am Ende auf dem Dach.
Diese Lesart nach Skalen bestimmt auch den Modellierungsumfang. Einen ganzen Saal mit dem Detail der Kühlkörper zu simulieren wäre absurd: das Rack wird durch ein Ersatzmodell abgebildet (Volumenstrom, ΔT, Druckverluste). Umgekehrt ergibt es keinen Sinn, einen internen Hotspot zu untersuchen und dabei nur das Dach zu modellieren. Der richtige Reflex ist, die gröbste Skala zu wählen, die die Ursache des Problems noch enthält, und bei Bedarf eine Stufe tiefer zu gehen.
Auf eolios.de Thermische Untersuchung der Technikräume (USV, NSHV)
Der europäische Rechtsrahmen: ASHRAE, EN 50600, Uptime, F-Gase
Eine thermische Untersuchung hat nur Wert, wenn sie auf ein belastbares Kriterium bezogen wird. Ohne Regelwerk ist eine Temperaturkarte ein ästhetisches Objekt; mit Regelwerk wird sie zum Konformitätsnachweis oder zur Feststellung einer Abweichung. Dies sind die Texte, die die Praxis strukturieren.
Klassen A1 bis A4. Definiert die Temperatur- und Feuchtehülle am Eintritt des Geräts, empfohlener Bereich und zulässige Bereiche.
Thermisches KonformitätskriteriumEuropäische Anlagennorm. Regelt Planung, Bau und Betrieb, einschließlich Verfügbarkeitsklassifizierung und Energieeffizienz.
Europäischer NormenrahmenTopologie und Wartbarkeit, keine Temperatur. Bestimmt dagegen, welche Störfallszenarien die Studie nachweisen muss.
Legt die zu simulierenden Szenarien festASHRAE TC 9.9: das Regelwerk der Ansaugbedingungen
Die Thermal Guidelines for Data Processing Environments des technischen Komitees 9.9 der ASHRAE definieren für die in das Gerät eintretende Luft (und nicht für die Saalluft) einen empfohlenen Bereich und zulässige Bereiche je Geräteklasse. Der übliche empfohlene Bereich liegt bei 18 bis 27 °C, mit einer oberen Grenze der relativen Feuchte und einer Begrenzung des Taupunkts. Die zulässigen Bereiche erweitern sich dann je nach Klasse: etwa 15–32 °C (A1), 10–35 °C (A2), 5–40 °C (A3) und 5–45 °C (A4). Das Komitee hat seine Empfehlungen zudem auf flüssigkeitsgekühlte Geräte ausgeweitet, um Dichten über 40 kW pro Rack abzudecken, und damit anerkannt, dass der historisch luftzentrierte Rahmen nicht mehr ausreicht.
Die praktische Folge dieses Regelwerks ist für die Simulation grundlegend: das Erfolgskriterium bezieht sich nie auf einen Saalmittelwert, sondern auf die Lufttemperatur am Ansaug jedes Racks, an jedem Punkt der nutzbaren Höhe. Ein Saal mit 22 °C im Mittel kann sehr wohl Ansaugtemperaturen von 34 °C im oberen Rackbereich aufweisen: das ist eine Nichtkonformität, in einer Gesamtbilanz unsichtbar.
Ausgaben und genaue Werte ändern sich: für ein Projekt bezieht man sich stets auf die gültige Ausgabe und auf die Herstellerspezifikationen der installierten Geräte, die strenger sein können.
EN 50600: die europäische Anlagennorm
Die Normenreihe EN 50600 regelt Planung, Bau und Betrieb von Einrichtungen und Infrastrukturen von Rechenzentren: Verfügbarkeitsklassen, physischer Schutz, Stromverteilung, Umgebungskontrolle und Effizienzkennzahlen (darunter der PUE, auch auf ISO/IEC-Ebene normiert). Sie liefert das vertragliche Vokabular, das nützlich ist, wenn eine Studie ein Serviceniveau nachweisen muss und nicht nur thermischen Komfort.
Uptime Institute: die Redundanz-Tiers
Die Klassifizierung Tier I bis Tier IV spricht nicht von Temperatur, sondern von Topologie und Wartbarkeit. Sie betrifft die CFD unmittelbar, weil sie die nachzuweisenden Konfigurationen festlegt: beansprucht die Anlage eine gleichzeitige Wartbarkeit, dann muss das thermische Verhalten während der gewollten Nichtverfügbarkeit einer Komponente akzeptabel bleiben. Das weist man nicht im Nennbetrieb nach, sondern im Störfallszenario (Kapitel 14).
Umwelt- und Sicherheitsrahmen: die europäische Ebene, die nationalen Ausprägungen
Die strukturierenden Anforderungen sind heute europäisch; es sind ihre nationalen Umsetzungen, die sich von Land zu Land unterscheiden. Dasselbe Projekt in Frankreich, Deutschland, den Niederlanden oder Irland erfüllt dieselben physikalischen Ziele, aber vor unterschiedlichen Behörden und Genehmigungsverfahren.
- F-Gase-Verordnung (EU) Der schrittweise Ausstieg aus Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial lenkt die Wahl der Kältearchitektur und drängt zum Free Cooling, damit zu höheren Sollwerten, damit zu einer höheren Anforderung an die Luftverteilung.
- Energieeffizienzrichtlinie (EU) Rechenzentren oberhalb einer bestimmten installierten Leistungsschwelle melden ihre Leistungskennzahlen, darunter den PUE und die Abwärmenutzung. Ein thermischer Nachweis wird damit zum Argument in der Genehmigungsakte, nicht nur zu einem Betriebskomfort.
- Umweltgenehmigung Netzersatzanlagen und Brennstofflager, Kältemittel, Verdunstungskühlanlagen: je nach Leistungen und Mengen fällt der Standort unter ein Genehmigungs- oder Anzeigeverfahren, mit Anforderungen an die Ausbreitung der Abluft und an die Beherrschung des Gesundheitsrisikos. Die ICPE-Nomenklatur in Frankreich, das BImSchG-Verfahren in Deutschland oder die niederländische Umweltgenehmigung verfolgen dasselbe Ziel: die Ausbreitung nachzuweisen.
- Verdunstungskühlanlagen & Legionellen Wird eine Nasskühlung gewählt, verlangt die Beherrschung des Legionellenrisikos eine Risikoanalyse und einen Nachweis der Fahnenausbreitung, unabhängig von der Rechtsordnung.
- Brandschutz Die Einstufung des Gebäudes bestimmt das anwendbare Regelwerk und die Entrauchungsziele: nationale Vorschriften des Standortlands, in der Praxis ergänzt durch die Eurocodes für das Tragwerk und durch Versichererregelwerke (VdS, FM, CNPP) je nach Auftraggeber. Die automatische Gaslöschung folgt eigenen Auslegungsregeln (Kapitel 16).
Auf eolios.de Verdunstungskühlanlagen & Genehmigungsrahmen Legionellose & Verdunstungskühlanlagen
Die acht strömungstechnischen Pathologien eines Data Hall
In der Praxis lassen sich thermische Störungen fast immer auf eine kleine Zahl wiederkehrender Mechanismen zurückführen. Sie genau zu benennen ist der erste Schritt der Diagnose: jeder hat eine messbare Signatur und eine eigene Abhilfe. Sie zu verwechseln führt dazu, ein Symptom mit dem falschen Hebel zu behandeln: der Lehrbuchfall ist zusätzliche Kälteleistung als Ausgleich für eine Undichtigkeit.
1 · Recirculation
Die von den Servern abgegebene Warmluft kehrt in den Kaltgang zurück und hebt die Ansaugtemperatur an, meist im oberen Rackbereich. Signatur: starker vertikaler Ansauggradient, geringes Maschinen-ΔT.
- Ursachen: fehlende Blindpanels, nicht eingehauster Gang, unzureichender Volumenstrom.
2 · Bypass
Die kalte Luft kehrt zum Klimagerät zurück, ohne einen einzigen Server zu durchströmen. Sie kühlt nichts, verbraucht aber Ventilatorleistung und drückt das Rücklauf-ΔT.
- Ursachen: falsch platzierte Lochplatten, nicht gebürstete Kabeldurchlässe, Plenumleckagen.
3 · Point chaud localisé
Zone, in der die Ansaugtemperatur den Grenzwert überschreitet, obwohl der Saal insgesamt kalt ist. Es ist ein Verteilungsproblem, nie ein Kapazitätsproblem.
- Ursachen: eingefügte dichte Insel, Hindernis im Plenum, unterdimensioniertes Gitter.
4 · Déséquilibre de plénum
Unter dem Doppelboden ist der Druck nicht gleichmäßig: manche Platten blasen aus, andere saugen an. Eine Platte im Unterdruck ist ein thermischer Kurzschluss.
- Ursachen: zu geringe Höhe, Kabeltrassen, Strahlwirkung der CRAC-Geräte.
5 · Stratification
Bei großen Höhen oder geringer Durchmischung sammelt sich die Warmluft unter der Decke und fällt am Gangende wieder ab. Der Effekt wird bei hohen Dichten durch den Auftrieb verstärkt.
- Ursachen: schlecht positionierte hohe Absaugungen, zu geringer Gesamtvolumenstrom.
6 · Surrefroidissement
Die häufigste Antwort auf die fünf vorherigen Pathologien: den Sollwert senken. Der Hotspot weicht um einige Grad zurück, die Energiekosten steigen dauerhaft.
- Signatur: niedriger Sollwert, geringes ΔT, verschlechterter PUE, hartnäckige Hotspots.
7 · Interaction entre unités
Zwei benachbarte CRAH-Geräte streiten sich um die Rückluft oder blasen gegeneinander; der Gesamtvolumenstrom wird erreicht, die Verteilung ist schlecht. Häufig nach einer Erweiterung.
- Ursachen: nicht untersuchte Aufstellung, unabhängige Regelungen.
8 · Discontinuité du confinement
Eine durchbrochene Einhausung (offene Tür, fehlendes Panel, entferntes Rack) verliert einen großen Teil ihres Nutzens. Die Strömung ist sehr empfindlich gegenüber kleinen Öffnungen.
- Ursachen: Betrieb, Baumaßnahmen, nicht verschlossene freie Stellplätze.
Diese acht Mechanismen überlagern sich, und genau das macht die Diagnose ohne Simulation schwierig: dieselbe oben an einem Rack gemessene Temperatur kann aus einer Rezirkulation, aus einem Bypass, der das Plenum geleert hat, oder aus einer Wechselwirkung zwischen zwei Geräten in zehn Metern Entfernung resultieren. Die Fühler sagen, dass es ein Problem gibt; das berechnete Feld sagt, wo die Luft entlangströmt, also welche Abhilfe wirken wird.
Auf eolios.de Ursprung der Überhitzungen in Rechenzentren
Ingenieurkennzahlen: einen Saal objektiv bewerten
Um ein Vorher mit einem Nachher oder zwei Planungsvarianten zu vergleichen, braucht es Kennzahlen, die ein dreidimensionales Feld auf einige wenige, in einer Besprechung diskutierbare Zahlen verdichten. Die Branche hat dafür einen kleinen Satz normiert, alle nach demselben Prinzip gebaut: die reale Thermik mit der idealen Thermik vergleichen.
| Kennzahl | Was sie misst | Lesart | Üblicher Zielwert |
|---|---|---|---|
| RCIHI / RCILO Rack Cooling Index | Anteil der Ansaugtemperaturen innerhalb der empfohlenen Bereiche, gewichtet mit dem Ausmaß der Überschreitungen (oben und unten) | 100 % = kein Rack außerhalb des empfohlenen Bereichs | > 96 % |
| RTI Return Temperature Index | Verhältnis des von den Klimageräten gesehenen ΔT zum von der IT gesehenen ΔT | < 100 % → Bypass ; > 100 % → Rezirkulation | ≈ 100 % |
| SHI / RHI Supply / Return Heat Index | Anteil der Wärme, die von der kalten Luft aufgenommen wird, bevor sie die Server erreicht | Niedriger SHI = wenig parasitäre Durchmischung | SHI < 0,2 |
| Capture Index (Kaltgang) | Anteil der von einem Rack angesaugten Luft, der tatsächlich aus den Lochplatten oder der Einhausung stammt | Lokale Kennzahl, Rack für Rack | > 90 % |
| Capture Index (Warmgang) | Anteil der von einem Rack abgegebenen Luft, der tatsächlich von den Absaugungen erfasst wird | Der Rest geht in die Rezirkulation | > 90 % |
| Rack-ΔT | Differenz Server-Eintritt/Austritt, unmittelbares Abbild des durchströmenden Volumenstroms | Geringes ΔT = zu viel Luft oder interner Bypass | 10 bis 20 K |
| Volumenstromverhältnis | Von der Verteilung gelieferter Volumenstrom / von den Servern angeforderter Volumenstrom | < 1 → Rezirkulation garantiert | 1,05 bis 1,15 |
Der Nutzen dieser Kennzahlen ist zweifach. In der Diagnose weisen sie unmittelbar auf die richtige Familie von Abhilfen: ein RTI von 70 % bei korrekten Ansaugtemperaturen zeigt einen Volumenstromüberschuss und einen Bypass an, also ein Einsparpotenzial, kein Risiko. In der Planung erlauben sie, überprüfbare Ergebnisverpflichtungen im Modell und später bei der Abnahme festzulegen.
Der Luftvolumenstrom, die einzige wirklich auslegungsbestimmende Größe
Alles geht von einer elementaren Enthalpiebilanz aus. Die von einem Luftstrom abgeführte Leistung lautet:
In praktischer Form: V̇ [m³/h] ≈ 3 100 × P [kW] / ΔT [K], also etwa 260 m³/h pro kW bei einem ΔT von 12 K.
Diese Beziehung erklärt die meisten Abwägungen des Fachs. Ein höheres ΔT senkt den Volumenstrom proportional, damit die Ventilatorenergie (die näherungsweise mit der dritten Potenz des Volumenstroms geht): das ist der stärkste Einsparhebel. Ein hohes ΔT bedeutet aber wärmere Rückluft, also weit schwerere Folgen im Fall einer Rezirkulation. Die Einhausung ist keine Komfortoption: sie ist das, was ein hohes ΔT risikofrei nutzbar macht.
Die Einhausung ist keine Komfortoption. Sie ist die Bedingung dafür, dass ein hohes ΔT, und damit die Energieeinsparung, ohne Risiko nutzbar wird.
Kapitel 05 · Volumenstrom, ΔT und VentilatorenergieEine Größenordnung berechnen
Das folgende Werkzeug wendet diese Beziehung an und leitet daraus die zweite Zahl ab, die jeder Betreiber kennen sollte: die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs im Saal bei vollständigem Kühlungsausfall, ermittelt durch Division der abgegebenen Leistung durch die Wärmekapazität des Luftvolumens.
Auf eolios.de Leitfaden zur PUE-Berechnung eines Rechenzentrums
Überblick der Kühltechnologien: von der Luft bis zur Immersion
Die Wahl einer Kühlarchitektur richtet sich zuerst nach der Dichte pro Rack, dann nach den Standortzwängen (lichte Höhe, verfügbares Wasser, Klima, Vorschriften) und schließlich nach dem Betrieb. Die CFD kommt auf jeder Stufe zum Einsatz, aber mit anderen Fragen: bei Luft sucht man, wohin die Luft strömt; bei Flüssigkeit sucht man, was der Luft noch bleibt, denn ein Teil der Wärme wird weiterhin im Saal abgegeben.
| Architektur | Übliche Dichte | Prinzip | CFD-Aufmerksamkeitspunkt |
|---|---|---|---|
| Luft, offener Saal Doppelboden + Umluftgeräte am Rand | ≤ 5–8 kW | Plenum im Überdruck, Lochplatten, freie Rückluft | Druckgleichmäßigkeit im Plenum, Bypass, Ganglänge |
| Luft + Gangeinhausung kalt oder warm | 8–20 kW | Physische Trennung der Ströme; hohes ΔT nutzbar | Dichtheit, Blindpanels, Türen, Volumenstromverhältnis > 1 |
| In-row / In-rack | 15–35 kW | Wärmetauscher so nah wie möglich an der Last, kurzer Kreis | Wechselwirkung zwischen Modulen, Regelung, lokale Redundanz |
| Aktive Rear Door rear-door heat exchanger | 20–40 kW | Erfassung am Rackaustritt: der Saal bleibt neutral | Restvolumenstrom im Saal, Notbetrieb bei Wasserausfall |
| Direkte Flüssigkeitskühlung (DLC) Kaltplatten | 40–120 kW+ | Das Fluid nimmt 70 bis 90 % der Wärme am Bauteil auf | An die Luft abgegebener Restanteil, CDU, lokale Hotspots |
| Dielektrische Immersion | 50–200 kW | Server im Bad, ein- oder zweiphasig | Thermik des Beckens, Betrieb, Brand und Detektion |
Der Wechsel zur Flüssigkeit erspart die Luftuntersuchung nicht
Ein Rack mit direkter Flüssigkeitskühlung gibt weiterhin 10 bis 30 % seiner Leistung an die Saalluft ab: Netzteile, Speicher, Netzwerk, Verluste. Bei einem Rack mit 100 kW sind das 10 bis 30 kW, die über Luft abgeführt werden müssen, also die Dichte eines kompletten Racks der vorherigen Generation. Hybride Architekturen sind daher jene, in denen die CFD am nützlichsten bleibt, denn niemand hat eine Intuition für die Restthermik eines gemischten Saals.
Die Flüssigkeitskühlung schreitet dort schnell voran, wo Beschleunigerlasten es erzwingen: einige neuere Rechnerarchitekturen erreichen Schrankleistungen in der Größenordnung von 120 kW, außerhalb der Reichweite einer Luftkühlung bei Volllast. Der Bestand bleibt jedoch ganz überwiegend luftgekühlt: die eigentliche Herausforderung des Jahrzehnts ist weniger "Luft oder Flüssigkeit" als das Nebeneinander beider in denselben Sälen, mit unterschiedlichen Temperaturbereichen und Redundanzen.
Auf eolios.de Die Kühlsysteme der Rechenzentren Elektronikkühlung: vom Bauteil bis zur Kaltplatte
Die Physik und die Simulationsmethode
Was ein Solver tatsächlich löst, welche physikalischen Modelle in einem Saal legitim sind, und unter welchen Bedingungen ein Ergebnis Glauben verdient.
- 07Was eine CFD-Simulation tatsächlich berechnetGrundlagen
- 08Physikalische Modellierung: Turbulenz, Auftrieb, poröse Medien, StrahlungModellierung
- 09Vernetzung: die Diskretisierung entscheidet, was man sehen wirdVernetzung
- 10Randbedingungen: dort wird die Realität des Standorts eingebrachtRandbedingungen
- 11Konvergenz, Verifizierung, Validierung, UnsicherheitenV&V
Was eine CFD-Simulation tatsächlich berechnet
Die CFD (Computational Fluid Dynamics) löst die Erhaltungsgleichungen der Strömungsmechanik numerisch auf einem in Elementarvolumen zerlegten Gebiet. Sie "sagt" nichts "vorher": sie berechnet die Folgen der Annahmen, die man ihr gibt. Deshalb hängt die Qualität einer Studie zuerst an den Eingangsdaten und an der Wahl der Modelle.
Die gelösten Gleichungen
In einem Data Hall wird Luft als schwach kompressibles newtonsches Fluid behandelt. Drei Gleichungsfamilien werden gleichzeitig auf jedem Kontrollvolumen gelöst: die Massenerhaltung (Kontinuität), die Impulserhaltung (Navier-Stokes, einschließlich Auftriebsterm) und die Energieerhaltung (Enthalpietransport, mit Wärmeleitung und gegebenenfalls Strahlung). Hinzu kommen je nach Fall Transportgleichungen für die Turbulenz, die Feuchte, chemische Spezies (Rauch, Löschgas) oder Partikel.
Die Lösung erfolgt iterativ: ausgehend von einem Anfangsfeld korrigiert der Solver Druck und Geschwindigkeiten, bis die lokalen Ungleichgewichte (die Residuen) vernachlässigbar werden. Man unterscheidet stationäre Rechnungen (Suche nach dem Gleichgewichtszustand, Fall des Nennbetriebs) und transiente (Verfolgung der zeitlichen Entwicklung), wobei Letztere für einen Ausfall oder einen Brand unverzichtbar sind.
Was die CFD liefert, das keine andere Methode liefert
Le champ complet
- Temperatur, Geschwindigkeit, Druck und Luftalter an jedem Punkt, auch dort, wo kein Fühler angebracht werden könnte.
- Bahnlinien und Stromröhren: man sieht, woher die Luft kommt, die in ein bestimmtes Rack eintritt.
Les scénarios extrêmes
- Ausfall von Geräten, Netzausfall, Hitzewelle, Brand: testbar ohne Betriebsrisiko.
- Vergleich von Planungsvarianten vor jeder Bauverpflichtung.
La causalité
- Messungen stellen fest; die Berechnung erklärt und erlaubt, eine Abhilfe isoliert zu testen.
- Grundlage eines digitalen Zwillings, der bei jeder Lastentwicklung wiederverwendbar ist.
Auf eolios.de Dossier: Was ist eine CFD-Simulation?
Physikalische Modellierung: Turbulenz, Auftrieb, poröse Medien, Strahlung
Ein Data Hall ist ein Fall von Mischkonvektion: die Zuluftstrahlen erzwingen eine Dynamik, während die warmen Fahnen eine natürliche Dynamik aufprägen. Beide streiten um das Feld, und je nach Kräfteverhältnis kann sich derselbe Saal sehr unterschiedlich verhalten. Die Wahl der Modelle ist daher kein Softwaredetail: sie ist eine ingenieurtechnische Entscheidung, die im Bericht zu begründen ist.
Turbulenzmodelle
Die Turbulenz wird nicht direkt aufgelöst: das erforderte Netze außerhalb jeder Reichweite. Man löst gemittelte Gleichungen (RANS) und modelliert die Wirkung der Turbulenz auf das mittlere Feld.
| Modell | Verhalten | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| k-ε (Standard, Realizable) | Robust und sparsam, aber ungenau in Wandnähe und bei Ablösungen; neigt zu übermäßiger Diffusion | Große Volumen, erste Iterationen, Säle mit geringer Dichte |
| k-ω SST | Guter Kompromiss: zuverlässige Behandlung der Grenzschicht und ungünstiger Gradienten | Standardwahl, wenn Wandtemperaturen und Strahlen zählen |
| RSM / anisotrope Modelle | Aufwendiger, erfasst komplexe Rezirkulationen besser | Sonderfälle, detaillierte Untersuchung einer Zone |
| LES / hybride Modelle | Löst die großen instationären Strukturen auf; sehr hoher Aufwand | Forschung, stark instationäre Phänomene, lokale Skala |
Auftrieb: Boussinesq oder veränderliche Dichte
Bei den moderaten Temperaturdifferenzen eines Data Hall (10 bis 20 K) ist die Boussinesq-Näherung (konstante Dichte außer im Schwerkraftterm) legitim und numerisch bequem. Sie ist es nicht mehr, sobald die Differenzen groß werden: Fahnen von Rückkühlern, Abgase von Netzersatzanlagen und natürlich Brand, wo die Dichte als vollständig veränderlich mit der Temperatur behandelt werden muss. Boussinesq in einem Brandfall zu verwenden ist ein klassischer Modellierungsfehler.
Diese dimensionslose Zahl vergleicht die Auftriebskräfte (Temperaturdifferenz, charakteristische Höhe) mit den Trägheitskräften der Zuluft (Luftgeschwindigkeit). Sie sagt, welcher der beiden Antriebe die Strömung bestimmt.
Kleines Ri: die Zuluft gibt ihre Bahn vor, die Luft geht dorthin, wohin der Planer sie schickt. Großes Ri (hohe Dichte, kleiner Volumenstrom, große Höhe): der Auftrieb gewinnt die Oberhand und die Luft steigt, unabhängig von der Planungsabsicht. Das ist der Mechanismus hinter der Schichtung und hinter der Mehrzahl der Rezirkulationen im oberen Rackbereich.
Poröse Medien: abbilden, ohne zu vernetzen
Es wäre absurd, jede Perforation einer Bodenplatte, jeden Server und jedes Gitter zu vernetzen. Man bildet sie durch äquivalente poröse Medien ab, charakterisiert durch ein Druckverlustgesetz (viskoser und Trägheitsterm nach Darcy-Forchheimer), kalibriert an Herstellerdaten oder an Messungen. Dieser Ansatz gilt für Lochplatten (Perforationsgrad, vorhandene Drosselklappe), für Rackfronten, für Filter und Wärmetauscher und für Absauggitter. Die Qualität dieser Kalibrierung bestimmt unmittelbar die Genauigkeit der Volumenstromverteilung: dort, und nicht im Turbulenzmodell, geht die Genauigkeit meist verloren.
Modellierung der Racks und der Klimageräte
- Racks Modell mit aufgeprägtem Volumenstrom (der Serverlüfter regelt) oder mit aufgeprägtem ΔT (die Leistung ist bekannt). Die Wahl verändert das Verhalten im Störfallszenario: ein Modell mit aufgeprägtem Volumenstrom "sieht" das Hochlaufen der internen Lüfter nicht, wenn sich die eintretende Luft erwärmt.
- CRAC/CRAH Kennlinie des Ventilators statt festem Volumenstrom, sonst wird die Umverteilung der Volumenströme ignoriert, wenn ein Gerät ausfällt und das Netz seinen Betriebspunkt wechselt.
- Leckagen Kabeldurchlässe, Bodenfugen, nicht verschlossene Stellplätze. Ein realer Saal leckt; ein perfekt dichtes Modell ist systematisch optimistisch.
Die in der Rechenzentrumswelt eingesetzte Software
Die Landschaft teilt sich in zwei Familien. Auf der einen Seite die auf Rechenzentren spezialisierten Werkzeuge, die Objektbibliotheken mitbringen (Racks, CRAH, Lochplatten, Einhausungen) und die Branchenkennzahlen direkt berechnen. Auf der anderen Seite die universellen Solver, aufwendiger in der Umsetzung, aber ohne Begrenzung des Umfangs: das ist die einzig mögliche Wahl, sobald ein Dach, eine Abluftfahne, ein Brand oder eine Geometrie außerhalb des Katalogs zu behandeln ist.
Keines dieser Werkzeuge entscheidet über den Umfang, die Randbedingungen, das Turbulenzmodell oder das Konformitätskriterium: das sind die vier Entscheidungen, die den Wert der Studie ausmachen, und sie liegen vor dem Solver. Zwei Ingenieurbüros mit derselben Software können Ergebnisse liefern, die mehrere Grad auseinanderliegen. Die Frage an einen Dienstleister lautet daher nicht "welche Software setzen Sie ein?", sondern "wie haben Sie diese Berechnung verifiziert und validiert?" (Kapitel 11).
Strahlung
Zwischen Racks oft vernachlässigbar, wird die Strahlung in drei Situationen wieder wichtig: in kompakten Technikräumen mit hoher Flächendichte (USV, NSHV), bei solaren Lasten auf Hülle und Dach in externen Studien und im Brandfall, wo sie ein wesentlicher Übertragungsweg ist und die Ausbreitung auf benachbarte Racks bestimmt.
Auf eolios.de Was ist ein digitaler Zwilling eines Rechenzentrums?
Vernetzung: die Diskretisierung entscheidet, was man sehen wird
Die Simulation läuft darauf hinaus, ein System nichtlinearer partieller Differentialgleichungen auf einer endlichen Zahl von Zellen zu lösen. Das Netz ist diese Zerlegung. Es legt die räumliche Auflösung der Information fest: ein Phänomen, das kleiner als die Zelle ist, existiert im Ergebnis nicht. Für einen Data Hall bedeutet das, dass ein grobes Netz genau das glättet, was man sucht: die Ansauggradienten im oberen Rackbereich und die lokalen Leckagen.
Vernetzungsstrategie für einen Data Hall
- Hybrides Netz Überwiegend Hexaeder in den regelmäßigen Volumen (Gänge, Plenum), Tetraeder, Prismen und Pyramiden zum Anschluss komplexer Geometrien. So verbindet man die Genauigkeit strukturierter Netze mit der Flexibilität unstrukturierter.
- Gezielte Verfeinerung Rackfronten, Lochplatten, Zuluft- und Absaugöffnungen, Öffnungen der Einhausung, Singularitäten des Plenums. Das sind die Zonen mit starken Gradienten.
- Prismenschichten In Wandnähe, um Grenzschichten und Wärmeübergänge korrekt zu erfassen, wo sie zählen.
- Geometrische Qualität Schiefe, Streckungsverhältnis und Größensprünge zwischen benachbarten Zellen werden überwacht. Eine entartete Zelle verschlechtert die Konvergenz weit über ihre Umgebung hinaus.
Netzunabhängigkeit, nicht verhandelbar
Ein Ergebnis hat nur Wert, wenn es nicht mehr wesentlich von der Netzfeinheit abhängt. Der Nachweis ist einfach und gehört in den Bericht: derselbe Fall wird auf mindestens drei Netzen zunehmender Feinheit gerechnet (typischerweise mit Faktor 1,5 bis 2 auf die charakteristische Größe) und einige repräsentative Ausgabegrößen werden verfolgt: maximale Ansaugtemperatur, RCI, Volumenstrom einer kritischen Lochplatte. Sinkt die Abweichung zwischen zwei Stufen unter eine Schwelle (oft einige Zehntelgrad), gilt das Netz als ausreichend.
Ein Data Hall üblicher Größe wird gängig mit einigen Millionen bis einigen zehn Millionen Zellen modelliert, je nach Detaillierung der Racks und des Plenums. Nicht die Zahl der Zellen macht die Qualität, sondern ihre Platzierung: zehn Millionen schlecht verteilte Zellen sind weniger wert als zwei Millionen, die auf die relevanten Gradienten ausgerichtet sind.
Randbedingungen: dort wird die Realität des Standorts eingebracht
Die Randbedingungen beschreiben mathematisch die Wechselwirkung zwischen dem berechneten Gebiet und seiner Umgebung. Sie tragen den wesentlichen Teil der physikalischen Wahrheit des Standorts: über sie erfährt die Simulation, was die Anlage wirklich tut. Formal gibt man entweder einen Wert auf dem Rand vor (Dirichlet-Bedingung: Temperatur, Geschwindigkeit), oder einen Fluss oder Gradienten (Neumann-Bedingung: abgegebene Leistung, adiabate Wand), oder eine gemischte Beziehung (Wärmeübergangskoeffizient, Ventilatorkennlinie).
| Rand | Angesetzte Bedingung | Häufiger Fallstrick |
|---|---|---|
| CRAH-Zuluft | Volumenstrom-Druck-Kennlinie, Zulufttemperatur, Richtung und Ausbreitung des Strahls | Fester Volumenstrom und rein senkrechter Strahl: in Wirklichkeit gibt es einen Drallanteil und einen Regelbereich |
| Absaugung | Vorgegebener Druck oder ausgeglichener abgesaugter Volumenstrom | Idealisierte Absaugung, die "alles anzieht" und die reale Rezirkulation verdeckt |
| Lochplatten | Kalibriertes poröses Medium + eventuelle Drosselklappe | Nennperforationsgrad ≠ reale Durchlässigkeit bei teilweise geschlossener Klappe |
| Racks | Abgegebene Leistung + Volumenstrom oder ΔT, interne Druckverluste | Typenschildleistung statt tatsächlich aufgenommener Leistung: massive Überschätzung |
| Wände, Decke, Boden | Adiabat, isotherm oder Wärmeübergangskoeffizient; solare Lasten, wo relevant | Alles adiabat setzen: im Saal vertretbar, im Technikraum an der Fassade falsch |
| Leckagen & Öffnungen | Äquivalente Leckflächen, Türen der Einhausung | Vollständiges Weglassen: das Modell wird leistungsfähiger als der reale Saal |
| Außenluft | Temperatur, Feuchte, Wind (Profil der atmosphärischen Grenzschicht) | Einen Jahresmittelwert statt der auslegungsrelevanten Klimaszenarien verwenden |
Die Wahl der Klimaszenarien verdient besondere Aufmerksamkeit. Eine Anlage wird auf ungünstige Situationen ausgelegt: Hitzewelle im hohen Perzentil (und nicht Monatsmittel), für den Kurzschluss ungünstige Windrichtung, Winter für Fragen der Kondensation und des Free Cooling. In der Praxis wählt man einen reduzierten Satz auslegungsbestimmender Betriebspunkte, jeder begründet durch Klimadaten der repräsentativsten Wetterstation.
Die Genauigkeit einer CFD ist durch ihre schlechteste Eingangsgröße begrenzt
Eine auf ±30 % bekannte IT-Leistung macht jede Diskussion über das Turbulenzmodell illusorisch. Bevor man die Berechnung verfeinert, muss man die Eingangsdaten verfeinern: tatsächlich gemessene Leistungen, erfasste Volumenströme, festgestellte Positionen. Das ist der Sinn der Messkampagne vor Ort (Kapitel 12).
Konvergenz, Verifizierung, Validierung, Unsicherheiten
Eine Simulation erzeugt immer Bilder. Nichts garantiert, dass sie etwas beschreiben. Die Unterscheidung ist strukturierend: die Verifizierung fragt "lösen wir die Gleichungen korrekt?", die Validierung fragt "lösen wir die richtigen Gleichungen mit den richtigen Daten?". Beide sind notwendig und ersetzen einander nicht.
Konvergenzkriterien
Um mehrere Größenordnungen unter ihren Anfangswert stabilisiert: notwendige, nie hinreichende Bedingung.
Masse und Energie über das Gebiet auf weniger als 1 % erhalten. Eine Bilanz, die nicht schließt, macht die Berechnung ungültig, selbst bei schönen Residuen.
Die maximale Ansaugtemperatur und die kritischen Volumenströme ändern sich im Verlauf der Iterationen nicht mehr.
Ein realer Saal kann von Natur aus instationär sein (pendelnde Fahnen); dann ist auf transient umzustellen, statt eine falsche Konvergenz zu erzwingen.
Validierung: der Abgleich mit der Realität
Bei einer bestehenden Anlage besteht die Validierung darin, die Berechnung mit unabhängigen Messungen zu vergleichen: an mehreren Höhen erfasste Ansaugtemperaturen, Volumenströme der Lochplatten, Rücklufttemperaturen, gegebenenfalls Rauchversuche zur qualitativen Prüfung der Strömungswege. Dann werden die am wenigsten bekannten Parameter angepasst (Durchlässigkeiten, Leckagen, tatsächliche Leistungsverteilung), bis eine akzeptable Übereinstimmung erreicht ist. Das ist die Kalibrierung. Sie macht aus einem generischen Modell den digitalen Zwilling des Standorts, wiederverwendbar für alle späteren Studien.
Bei einem Neubauprojekt ist keine direkte Validierung möglich: es gibt nichts zu messen. Das Vertrauen ruht dann auf drei Säulen: an vergleichbaren Fällen validierte Modelle, ausdrücklich benannte konservative Annahmen und eine Sensitivitätsanalyse der unsicheren Parameter. Ein seriöser Bericht nennt sie und sagt, in welche Richtung sie das Ergebnis verschieben.
Sensitivitätsanalyse und Reserven
Statt einer einzigen Zahl liefert eine belastbare Studie eine Spanne. Die zweifelhaften Parameter werden innerhalb ihrer plausiblen Grenzen variiert (IT-Leistung ±10 %, Plenumleckagen, Öffnungsgrad der Klappen, Außentemperatur) und die Wirkung auf die Kennzahlen wird beobachtet. Damit lässt sich die einzige Frage beantworten, die in einer Projektbesprechung wirklich zählt: wie viel Reserve haben wir, bevor sich die Schlussfolgerung ändert?
Was auf einem Rechenzentrum tatsächlich simuliert wird
Von der Messkampagne bis zu den Ausfallszenarien, vom Saal bis zum Dach, vom Brand bis zum PUE: die sechs Studienfamilien, die wir durchführen.
- 12Die Messkampagne vor Ort: was vor der Simulation gemessen wirdMessung
- 13Interne CFD des Data Hall: was betrachtet wird, und in welcher ReihenfolgeInterne CFD
- 14Ausfallszenarien: die Thermik der ersten MinutenAusfälle
- 15Externe CFD: Rückkühler, Kurzschlussströmung, Hitzewelle, WärmeinselExterne CFD
- 16Brand, Entrauchung und Gaslöschung: das Inakzeptable simulierenBrand
- 17PUE: wo die CFD wirklich wirkt, und wo nichtPUE
Die Messkampagne vor Ort: was vor der Simulation gemessen wird
Bei einer bestehenden Anlage ist die rentabelste Phase einer Studie nicht die Berechnung: es ist die Messkampagne. Sie legt die obere Genauigkeitsgrenze für alles Folgende fest und deckt bereits für sich einen Teil der Störungen auf.
Der minimale Datensatz
- Reale Leistungen Erfassung über PDU oder Abgänge der NSHV, wenn möglich Rack für Rack. Nie Typenschildleistungen, die üblicherweise um 30 bis 100 % überschätzen.
- Ansaugtemperaturen Unten, mittig und oben am Rack, an einer repräsentativen Stichprobe; der vertikale Gradient zeigt die Rezirkulation an, nicht der Mittelwert.
- Zuluft- und Rücklufttemperaturen Jedes Geräts, mit Sollwert und Auslastungsgrad des Ventilators.
- Volumenströme der Lochplatten Mit der Volumenstromhaube: die aussagekräftigste Messung für ein unausgeglichenes Plenum, und die in den Unterlagen am häufigsten fehlende.
- Plenumdruck An mehreren Stellen, sowie die tatsächliche lichte Höhe unter dem Boden.
- Festgestellte Geometrie Aktuelle Pläne, tatsächliche Rackpositionen, freie Stellplätze, vorhandene oder fehlende Blindpanels, Kabeltrassen, Bürstendichtungen.
- Infrarot-Thermografie Schnelle Kartierung der Rackfronten, der Türen der Einhausung und der Technikräume; ein ausgezeichnetes Werkzeug zum Aufspüren von Leckagen.
- Rauchversuch Punktuell: direkte Sichtbarmachung der Strömungswege, unschlagbar zum Überzeugen und zur qualitativen Validierung des Modells.
- Momentaner PUE Und Historie aus der Gebäudeleittechnik: um das Einsparpotenzial einzuordnen und einen Vergleichspunkt nach der Maßnahme zu haben.
Die erste Prüfung eines Messsatzes ist eine Leistungsbilanz: die von den Geräten abgeführte Wärme (Volumenstrom × Rücklauf-ΔT) muss auf wenige Prozent genau der von der IT aufgenommenen elektrischen Leistung entsprechen. Übersteigt die Abweichung 15 %, ist nicht der Saal seltsam: dann ist eine Messung falsch. Das vor der Modellierung zu erkennen erspart Wochen der Analyse eines Artefakts.
Die aufschlussreichste Abweichung einer Messkampagne ist fast nie thermisch: sie ist dokumentarisch. Reale Leistungen je Rack, die nicht zur Akte passen, bei einem Eingriff entfernte und nie wieder eingesetzte Blindpanels, über die Jahre verschobene Lochplatten ohne Aktualisierung des Plans. Das Modell dient zuerst dazu, diese Abweichungen sichtbar zu machen, bevor überhaupt etwas berechnet wird.
Auf eolios.de Audit & Diagnose eines Rechenzentrums
Interne CFD des Data Hall: was betrachtet wird, und in welcher Reihenfolge
Im Nennbetrieb geht es nicht darum, eine schöne Karte zu erzeugen, sondern eine endliche Liste von Fragen zu beantworten, in einer Reihenfolge vom Globalen zum Lokalen. Diese Abfolge ist unser Standardraster für die Auswertung.
| # | Gestellte Frage | Genutztes Ergebnis | Zugehörige Entscheidung |
|---|---|---|---|
| 1 | Ist der Gesamtvolumenstrom ausreichend, und mit welcher Reserve? | Volumenstromverhältnis, RTI | Ventilatordrehzahl anpassen, teuren Überschuss aufdecken |
| 2 | Ist die Verteilung unter dem Boden gleichmäßig? | Druckfeld des Plenums, Volumenstrom je Lochplatte | Platten versetzen, verschließen, Plenum freiräumen |
| 3 | Welche Lufttemperatur tritt tatsächlich in jedes Rack ein? | Vertikale Ansaugprofile, RCI, Capture Index | ASHRAE-Konformität, Platzierung dichter Lasten |
| 4 | Woher kommt die Luft, die in die kritischen Racks eintritt? | Bahnlinien, Luftalter, Stromröhren | Rezirkulation, Bypass und Plenumfehler unterscheiden |
| 5 | Ist die Einhausung wirksam? | Leckvolumenströme an den Schnittstellen, Temperaturisolinien | Dichtheit nacharbeiten, freie Stellplätze verschließen |
| 6 | Wie weit lässt sich der Sollwert anheben? | Sollwertreihe, Reserve am kritischsten Grenzwert | Direkter PUE-Gewinn, Ausweitung des Free Cooling |
| 7 | Wo sollen die nächsten dichten Racks stehen? | Kartierung der Restkapazität je Stellplatz | Aufstellungsplan, freigegebene IT-Kapazität |
Die sechste Frage erzeugt den größten wirtschaftlichen Wert, und sie lässt sich ohne Simulation nicht stellen. Den Zuluftsollwert um 2 bis 3 °C anzuheben senkt den Verbrauch der Kälteerzeugung und erweitert die jährlichen Free-Cooling-Stunden erheblich: aber nur, wenn der Nachweis vorliegt, dass kein Rack seinen zulässigen Bereich verlässt, auch nicht oben am ungünstigsten Rack, auch nicht bei ausgefallenem Gerät. Genau diesen Nachweis liefert die CFD.
Die Technikräume, ein klassischer blinder Fleck
Die Serverräume ziehen die Aufmerksamkeit auf sich; die USV-, NSHV- und Transformatorräume ziehen die Zwischenfälle an. Sie vereinen hohe Flächendichte, kleines Volumen, eine oft rudimentäre Lüftung, einen Strahlungsanteil und strenge Herstellergrenzwerte für Batterien. Sie sind ausgezeichnete Kandidaten für eine eigene Untersuchung, meist schnell und mit hohem Nutzen.
Auf eolios.de CFD-Engineering für Rechenzentren Technikräume
Ausfallszenarien: die Thermik der ersten Minuten
Ein gut geplantes Rechenzentrum beurteilt man nicht im Nennbetrieb, in dem fast alles funktioniert, sondern an seiner Fähigkeit, einen Zwischenfall zu überstehen. Das ist das Feld, auf dem die CFD keine Konkurrenz hat: niemand akzeptiert, im laufenden Betrieb eine Kältemaschine abzuschalten, um zu sehen, was passiert.
Die zu untersuchenden Szenarien
- Ausfall eines Klimageräts Der Gesamtvolumenstrom sinkt, vor allem aber ändert sich die Verteilungskarte. Die benachbarten Geräte verteilen sich gemäß ihrer Kennlinie um, und die verlorene Versorgungszone ist nicht die vermutete. Einzelne Lochplatten können sich umkehren.
- N+1-Konfiguration in Wartung Wie zuvor, aber gewollt und über längere Zeit; das ist der Nachweis, den Ansprüche an gleichzeitige Wartbarkeit verlangen.
- Ausfall einer Kältemaschine oder eines Kreises Die Zulufttemperatur driftet, während der Volumenstrom nominal bleibt. Die Signatur unterscheidet sich stark von einem Volumenstromausfall.
- Netzausfall und Umschaltung auf Notstrom Für einige Sekunden bis einige zehn Sekunden stehen die Ventilatoren der Geräte still, während die IT über USV weiter Wärme abgibt. Das Plenum verliert sehr schnell seinen Druck, der Saal geht in ein reines Auftriebsregime über.
- Anhaltende Hitzewelle Die Kälteerzeugung verliert an Leistungszahl und Free Cooling steht nicht mehr zur Verfügung; die interne Studie muss dann mit der externen gekoppelt werden (Kapitel 15).
- Unterbrochene Einhausung während Bauarbeiten Offene Tür, entfernte Panels, Rack im Austausch. Ein banales Szenario, selten untersucht, oft Ursache von Alarmen.
Bei 200 kW in einem großen Volumen hat der Betreiber Zeit zu reagieren. Bei 800 kW wird die automatische Wiederanlaufsequenz der Ventilatoren zum einzigen Schutzwall: ihre Reaktionszeit ist mit der Zeit bis zur Grenzwertüberschreitung zu vergleichen, Rack für Rack.
Diese Größenordnungen genügen, um zu verstehen, warum sich das Thema mit der Dichte gewandelt hat: bei 200 kW in einem großen Volumen hat der Betreiber Zeit zu reagieren; bei 800 kW wird die automatische Wiederanlaufsequenz der Ventilatoren zum einzigen Schutzwall, und ihre Reaktionszeit ist mit der Zeit bis zur Grenzwertüberschreitung zu vergleichen. Genau das liefert eine transiente Simulation: keinen Mittelwert, sondern die Ansaugtemperaturkurve jedes Racks, Sekunde für Sekunde.
Ein Rechenzentrum beurteilt man nicht im Nennbetrieb, in dem fast alles funktioniert. Man beurteilt es an den ersten beiden Minuten eines Zwischenfalls.
Kapitel 14 · Ausfallszenarien
Eine wirksame Einhausung verringert das Puffervolumen
Die Gangeinhausung ist im Nennbetrieb ausgezeichnet: sie unterbindet die Durchmischung. Bei einem Kühlungsausfall schließt sie die Last jedoch in ein kleineres Luftvolumen ein: der Warmgang hat nicht mehr die Trägheit des ganzen Saals, um den Anstieg zu dämpfen. Die im Betrieb besten Säle können daher am schnellsten driften: ein gegenintuitives Ergebnis, das nur eine transiente Simulation sichtbar macht.
Externe CFD: Rückkühler, Kurzschlussströmung, Hitzewelle, Wärmeinsel
Die gesamte Kältekette hängt von einer einzigen physikalischen Größe ab: der Temperatur der Luft, die die äußeren Wärmetauscher tatsächlich ansaugen. Und diese Temperatur ist nicht die der Wetterstation. Sie ergibt sich aus dem Zusammenspiel der warmen Abluft der Anlage, der Geometrie von Dach und Standort und des Windes. Das ist der Gegenstand der externen CFD.
Die Kurzschlussströmung, zentraler Mechanismus
Wiederansaugen der gerade abgegebenen Warmluft durch einen Rückkühler oder eine Netzersatzanlage, ganz oder teilweise: direkt oder nach Reflexion an einem Hindernis, einer Attika oder einer Schallhaube. Das Ergebnis ist eine Erhöhung der Eintrittslufttemperatur, die die verfügbare Kälteleistung genau in dem Moment mindert, in dem sie am meisten gebraucht wird.
Die Kurzschlussströmung ist ein sich selbst verstärkender Mechanismus: die Maschine, deren Eintrittsluft sich erwärmt, verliert an Leistungszahl, nimmt mehr Leistung auf, gibt also mehr Wärme ab und nährt ihre eigene Abluftfahne. Die Risikokonfigurationen sind gut bekannt: zu eng stehende Maschinen, auf einen benachbarten Ansaug gerichtete Ausblasungen, hohe Attiken, die Warmluft einschließen, schlecht dimensionierte Schallhauben und Nachbargebäude, deren Nachlauf die Fahnen auf das Dach zurückdrückt.
Die extern behandelten Fragen
- Temperaturerhöhung am Ansaug Jeder Maschine, nach Windrichtung und -geschwindigkeit, unter Hitzewellenbedingungen.
- Aufstellung auf dem Dach Abstände, Ausblashöhe, Ausrichtung, Kanal oder Ausblasdüse, Schirme und Windschutz.
- Netzersatzanlagen Ausbreitung der heißen Abgase, Wechselwirkung mit den Frischluftansaugungen und den Rückkühlern, ein Szenario, in dem beide Systeme gleichzeitig laufen.
- Druckverluste Verursacht durch Schallhauben, Gitter, Lamellen und Photovoltaikmodule auf dem Dach.
- Wärmeinsel Wirkung der Abwärme auf Quartiers- oder Campusebene, ein in Genehmigungsverfahren zentral gewordenes Thema.
- Luftqualität und Akzeptanz Ausbreitung der Fahnen, Gesundheitsfrage bei nass arbeitenden Anlagen.
Die Verbindung zur internen Studie ist unmittelbar und bezifferbar: jedes am Maschinenansaug gewonnene Grad wird zu verfügbarer Kälteleistung, damit zu Kaltwassertemperatur, damit zu Reserve auf dem Zuluftsollwert. Deshalb bearbeiten wir beide Bereiche zunehmend in einem gekoppelten Projekt statt in getrennten Studien.
Eine Kurzschlussströmung auf dem Dach bleibt nicht auf dem Dach. Sie steigt zurück ins Kaltwasser, in den Zuluftsollwert, und landet an der Front des ungünstigsten Racks.
Kapitel 15 · Fortpflanzung zwischen den SkalenAuf eolios.de Externe CFD-Simulation eines Rechenzentrums Wirkung auf die Wärmeinsel
Brand, Entrauchung und Gaslöschung: das Inakzeptable simulieren
Das Brandrisiko eines Rechenzentrums hat eigene Merkmale: eine hohe Konzentration elektrischer Energie, Brandlasten, die dichten, toxischen und korrosiven Rauch erzeugen, und ein Schutzziel, das nicht nur den Menschen betrifft, sondern auch die Sachwerte: die Verbrennungsprodukte greifen die Elektronik weit über die Brandzone hinaus an. Die Simulation wechselt hier das Ziel: gesucht wird nicht mehr der Komfort, sondern die Erträglichkeit und die Beherrschung.
Was berechnet wird
- Brandentwicklung Und mögliche Ausbreitung auf benachbarte Racks, Strahlung eingeschlossen.
- Temperatur-, Sicht- und Toxizitätsfelder In Kopfhöhe, entlang der Flucht- und Angriffswege.
- Wirksamkeit der Entrauchung Absaugvolumenströme, Lage der Abzüge und der Zuluftöffnungen, raucharme Schichthöhe, Stagnationszonen.
- Wechselwirkung mit der Komfortlüftung Eine weiterlaufende Lüftungsanlage kann den Rauch durchmischen und die Schichtung zerstören, die die Entrauchung herstellen soll.
- Automatische Gaslöschung Ausbreitung und Gleichmäßigkeit der Löschmittelkonzentration, Haltezeit der Konzentration, strömungstechnische Wirkungen der Flutung und Überdruck.
- Brandabschnitte Tatsächliche Wirksamkeit der Trennungen und der Verschlusseinrichtungen.
Zwei Modellierungsanforderungen unterscheiden den Brand vom Rest: die Berechnung ist zwingend transient, über Zeiträume von mehreren zehn Minuten, und die Dichte muss als vollständig veränderlich behandelt werden: die Boussinesq-Näherung hat bei Differenzen von mehreren hundert Grad keinerlei Gültigkeit mehr. Die Strahlung wird zu einem Übertragungsweg erster Ordnung, und die Festlegung des Bemessungsbrands (Leistung, Anstiegskurve, Fläche, Rußbildung) ist gegenüber dem anwendbaren Regelwerk zu begründen.
Auf eolios.de Brandsimulation eines Rechenzentrums Automatische Gaslöschanlage
PUE: wo die CFD wirklich wirkt, und wo nicht
Der PUE setzt die Gesamtenergie des Standorts ins Verhältnis zur Nutzenergie der IT. Er ist einfach, unvollkommen, weltweit gebräuchlich. Und er stagniert: 1,54 im weltweiten Mittel, seit sechs Jahren in Folge unverändert, so das Uptime Institute, gegenüber 1,10 bis 1,15, die Hyperscaler angeben, und 1,58 bis 1,80 in Colocation und Unternehmen. Der Abstand ist nicht technologisch: er ist strömungstechnisch und betrieblich.
Die fünf Hebel, auf die die Simulation wirkt
| Hebel | Mechanismus | Nachzuweisende Bedingung |
|---|---|---|
| Den Zuluftsollwert anheben | Bessere Leistungszahl der Kälteerzeugung, mehr Free-Cooling-Stunden | Kein Rack-Ansaug außerhalb des Bereichs, auch im Störfall |
| Den Luftvolumenstrom senken | Die Ventilatorleistung geht näherungsweise mit der dritten Potenz des Volumenstroms | Volumenstromverhältnis weiterhin > 1, keine induzierte Rezirkulation |
| Das ΔT erhöhen | Weniger Volumenstrom bei gleicher Leistung, besserer Wärmeübergang | Dichte Einhausung, sonst nährt die warme Rückluft die Hotspots |
| Den Bypass beseitigen | Die erzeugte Kälte kühlt endlich; das Rücklauf-ΔT steigt wieder | Leckagen lokalisieren: Platten, Bürsten, Plenum |
| Redundante Geräte abschalten | Mit weniger, aber besser verteilten Geräten fahren | Akzeptables Verhalten beim Ausfall eines verbleibenden Geräts |
Der weltweite PUE stagniert nicht aus Mangel an Technologie bei 1,54. Er stagniert, weil niemand es wagt, einen Sollwert ohne Nachweis anzuheben.
Kapitel 17 · das reale PotenzialUmgekehrt muss klar sein, was die CFD nicht leistet: sie verbessert weder die Leistungszahl einer Kältemaschine noch die einer USV noch den Auslastungsgrad der IT. Ein durch sehr geringe Auslastung verschlechterter PUE wird nicht durch eine strömungstechnische Untersuchung korrigiert: er wird durch Konsolidierung korrigiert. Beide Situationen unterscheiden zu können bewahrt davor, die falsche Studie zu verkaufen und zu kaufen.
Auf eolios.de Leitfaden zur PUE-Berechnung Energetische Optimierung & PUE
Projekt, Erfahrungen und Grenzen
Wie eine Studie abläuft, was uns zehn Jahre Projekte gelehrt haben, und die Fragen, die vor der Unterschrift zu stellen sind.
- 18Der Ablauf eines Projekts: Liefergegenstände, Fristen, ErgebnisformatProjekt
- 19Erfahrungen aus der Praxis: was wir vor Ort gelernt habenErfahrungen
- 20Typische Fehler im BetriebAnti-Patterns
- 21Grenzen der CFD und Fragen an den DienstleisterGrenzen
Der Ablauf eines Projekts: Liefergegenstände, Fristen, Ergebnisformat
Unsere Referenzzusage für einen Data Hall sind vier Wochen, von der Abgrenzung bis zur Präsentation: und wir können schneller, wenn der Projektterminplan es verlangt.
Eine CFD-Studie ist keine isolierte Berechnung, sondern eine Abfolge von Entscheidungen, die mit Planung und Betrieb geteilt werden. Der folgende Ablauf ist der, den wir anwenden: ein Kalendermonat, mit teilweise parallel geführten Phasen. Unsere internen Rechenkapazitäten erlauben, diese Frist im beschleunigten Verfahren auf zwei oder drei Wochen zu verdichten: eine Entscheidung bei der Inbetriebnahme, eine dringende Aufstellungsfrage, ein zu untersuchender Zwischenfall. Nur zwei Situationen verlängern sie wirklich: eine sehr große Zahl transienter Szenarien und das Warten auf Eingangsdaten seitens des Betreibers.
Abgrenzung & Datenerhebung
Genaue Festlegung der Fragen, die die Studie beantworten soll, der gewählten Konformitätskriterien und der Szenarienliste. Beschaffung von Plänen, Datenblättern, Aufzeichnungen der Gebäudeleittechnik und realen Leistungen.
Messkampagne vor Ort (Bestand)
Messkampagne am Standort, an ein bis zwei Einsatztagen: Ansaugtemperaturen, Volumenströme der Lochplatten, Drücke, Thermografie, Rauchversuch, wo sinnvoll. Konsistenzprüfung der Leistungen unmittelbar im Anschluss.
Modellierung & Vernetzung
Aufbau des auswertbaren 3D-Modells: relevante Geometrie, kalibrierte poröse Medien, Randbedingungen. Hybride Vernetzung, Verfeinerung der Gradientenzonen, Unabhängigkeitsstudie.
Abgleich mit Messwerten
Bei bestehender Anlage: Anpassung der schlecht bekannten Parameter bis zur Übereinstimmung mit den Messungen. Das Modell wird zum digitalen Zwilling des Standorts: der Liefergegenstand, der die Studie überdauert.
Szenarien & Iterationen
Berechnung des Nennbetriebs und anschließend der Störfallszenarien, parallel auf unseren Rechenressourcen gestartet. Prüfung der vorgeschlagenen Abhilfen, eine nach der anderen, um die Wirkung jeder einzelnen zu isolieren.
Auswertung & Präsentation
Karten, Schnitte, Bahnlinien, Animationen, Kennzahlen (RCI, RTI, CI) und ein nach Wirkung/Kosten priorisierter Maßnahmenplan. Technische Abschlussbesprechung mit den Betriebsteams.
Leben des Modells im Betrieb
Der digitale Zwilling bleibt verfügbar: jede Verdichtung, jede Rackverschiebung oder Sollwertänderung lässt sich in wenigen Tagen am bestehenden Modell prüfen, ohne bei null zu beginnen. Das macht aus der CFD statt eines Projektliefergegenstands ein Betriebswerkzeug.
Erfahrungen aus der Praxis: was wir vor Ort gelernt haben
Sechs Projekte, sechs unterschiedliche Mechanismen. Die ausführlichen Projektblätter, mit Konfigurationen und Ergebnissen, sind auf dieser Website veröffentlicht.
Data Halls DC10 · DC17 · DC25
Reihen interner Studien an Sälen mit wachsender Last: Verteilung unter dem Boden, Rezirkulationseffekte und Verhalten beim Lastaufbau. Wiederkehrende Erkenntnis: die angekündigte Kapazität eines Saals wird fast immer durch sein schlechtestes Rack begrenzt, nicht durch seinen Mittelwert.
- DC10: intern
- DC17: intern
- DC25: intern
Data center hyperscale · interne + externe
Gekoppelte Untersuchung von Hülle und Saal an einem Standort hoher Dichte: die interne Leistung ließ sich nicht garantieren, ohne zuerst das Verhalten der Abluft auf dem Dach zu behandeln. Unmittelbare Veranschaulichung der Fortpflanzung zwischen den Skalen aus Kapitel 02.
- Externe & interne CFD, Hyperscale
Technikräume & UPS (Italie)
Data Hall und USV-Räume gemeinsam behandelt. Die Elektroräume, oft außerhalb des Studienumfangs, erweisen sich häufig als kritischer als der Serverraum selbst.
- Data Hall & USV-Räume, Italien
Rückkühler bei Hitzewelle
Kritische Untersuchung des Verhaltens während einer Hitzewelle: Nachweis von Wärmestaus und Kurzschlussströmungen an den Dachmaschinen, mit unmittelbarer Wirkung auf die verfügbare Kälteleistung.
- Rückkühler: kritische Untersuchung Hitzewelle
Commissioning & bancs de charge
Modellierung der Testphase: Lastbänke bilden weder die Geometrie noch die Strömungsverteilung der realen IT ab. Eine erfolgreiche Abnahme beweist daher keinen gesunden Betrieb: es sei denn, die Abweichung wurde simuliert.
- Commissioning: Lastbänke
Désenfumage de data hall
Brandszenarien, auf ein Rack begrenzt und anschließend mit Ausbreitung: Brandabschnitte und Strömungsführung bestimmen die Erträglichkeit für die Einsatzkräfte weit stärker als der reine Absaugvolumenstrom.
- Entrauchungsplanung
Auf eolios.de Alle unsere Rechenzentrumsprojekte
Typische Fehler im Betrieb
Diese Situationen kehren an fast allen auditierten Standorten wieder. Keine davon beruht auf einem anspruchsvollen Ingenieurfehler: es sind Betriebsdriften oder Planungsabkürzungen mit unverhältnismäßiger thermischer Wirkung.
Der Hotspot weicht um einige Grad zurück, die Rechnung steigt das ganze Jahr über und die strömungstechnische Ursache bleibt unangetastet. Bei der nächsten Lasterweiterung kehrt das Problem zurück: mit weniger Reserve als zuvor.
den Mechanismus (Rezirkulation, Bypass, Plenum) bestimmen, bevor man den Sollwert anfasstJede freie, nicht verschlossene HE ist ein direkter Kurzschluss zwischen Warm- und Kaltgang. Die Summenwirkung über eine Reihe übertrifft oft die eines ganzen Klimageräts.
durchgängig Blindpanels, auch in teilweise gefüllten RacksPlatten unmittelbar neben einem dichten Rack hinzuzufügen senkt den lokalen Plenumdruck und kann den Volumenstrom benachbarter Platten verschlechtern oder einzelne sogar umkehren.
das Druckfeld des Plenums prüfen, bevor eine Platte hinzugefügt wirdDas Plenum unter dem Boden ist ein Luftverteilnetz, kein Stauraum. Historisch gewachsene Kabelschichten bilden Hindernisse, die ganze Zonen von Luft abschneiden, oft weit entfernt von der Anhäufung.
die Verlegungen kartieren, die Hauptachsen freiräumen, aufgegebene Kabel entfernenEin Bodenausschnitt ohne Bürstendichtung lässt einen erheblichen Kaltluftstrom entweichen, an jedem Rack vorbei. Es ist der am günstigsten zu behebende Bypass und der am häufigsten übersehene.
Bürsten oder Dichtungen an allen Durchlässen, auch im WarmgangSämtliche Geräte, auch die redundanten, mit maximaler Drehzahl zu betreiben erhöht den Ventilatorverbrauch stark (der näherungsweise mit der dritten Potenz des Volumenstroms geht) und erzeugt Strahlinterferenzen, die die Verteilung verschlechtern statt sie zu verbessern. Die angestrebte Sicherheit ist illusorisch: sie wird nie am Szenario des Geräteausfalls nachgewiesen, dem einzigen Fall, in dem sie zählen würde.
die reduzierten Konfigurationen in der Simulation testen und bei jeder Laständerung am digitalen Zwilling erneut durchspielenEine GPU-Insel in einen für niedrige, gleichmäßige Dichte geplanten Saal einzufügen erzeugt einen sofortigen Hotspot, unabhängig von der insgesamt verfügbaren Kälteleistung.
vorherige strömungstechnische Requalifizierung und Wahl des Stellplatzes über die Kartierung der RestkapazitätDer teuerste Fall von allen: eine Studie geliefert, gelesen, umgesetzt, dann vergessen. Sechs Monate später hat der Saal seine Last verändert und niemand weiß mehr, ob die Schlussfolgerungen noch gelten. Dabei existierte das Modell, kalibriert und bereit, den Fall in wenigen Tagen erneut zu rechnen.
den digitalen Zwilling lebendig halten: Aktualisierung bei jeder Verdichtung und Aufstellungstest vor jeder RacklieferungNicht wieder eingesetztes Panel, offen blockierte Tür, entferntes Rack ohne Verschluss: die Einhausung verliert einen großen Teil ihres Nutzens, ohne Alarm und ohne Spur.
Checkliste zur Wiederherstellung nach jedem Eingriff, regelmäßige Kontrolle per ThermografieIn der Abschlussbesprechung lautet die Frage praktisch nie "wo sind die Hotspots?": der Betrieb kennt sie. Sie lautet "was kann ich am Montag tun, ohne die Produktion anzuhalten?". Deshalb ist der Maßnahmenplan nach Wirkung/Kosten priorisiert, und deshalb werden die Abhilfen einzeln im Modell geprüft: um sagen zu können, welche für sich allein genügt.
Grenzen der CFD und Fragen an den Dienstleister
Ein ehrliches Whitepaper muss sagen, wo das Werkzeug endet, das es vorstellt. Die CFD ist leistungsfähig; sie ist auch leicht falsch anzuwenden, und ein falsches Ergebnis unterscheidet sich optisch nicht von einem richtigen.
Was die CFD nicht leisten kann
- Schlechte Eingangsdaten ausgleichen. Eine ungefähre IT-Leistung oder eine veraltete Geometrie liefert ein ungefähres Ergebnis, unabhängig von der Feinheit der Berechnung.
- Das Verhalten einer nicht modellierten Regelung vorhersagen. Automatisierungssysteme reagieren auf Messwerte: ist die Regelstrategie nicht beschrieben, ist der berechnete Transient nur ein Szenario unter anderen.
- Die Messung ersetzen. Sie organisiert und interpretiert sie; sie ersetzt sie nicht, und an einem bestehenden Standort hängt sie von ihr ab.
- Nicht strömungstechnische Fragen entscheiden. Elektrische Zuverlässigkeit, Cybersicherheit, Wirkungsgrad der Maschinen: außerhalb des Feldes.
- Unbegrenzt gültig bleiben. Ein Modell beschreibt einen Anlagenzustand. Jede Last- oder Aufstellungsänderung erfordert eine Aktualisierung des digitalen Zwillings.
Acht Fragen vor der Beauftragung einer Studie
Welche Ausgabegrößen und welche Konformitätskriterien werden geliefert, und auf welches Regelwerk bezogen?
Welches Turbulenzmodell wird gewählt, und warum genau dieses?
Wird die Netzunabhängigkeit im Bericht nachgewiesen?
Werden die Massen- und Energiebilanzen geliefert?
An welchen Messwerten wird das Modell kalibriert, und welche Abweichungen Rechnung/Messung gelten als akzeptabel?
Wie werden die Ventilatoren (Kennlinie oder fester Volumenstrom) und die Leckagen abgebildet?
Welche Störfallszenarien sind enthalten, stationär oder transient?
Wird das Modell geliefert und ist es für künftige Änderungen wiederverwendbar, oder ist die Studie ein toter Liefergegenstand?
Interne und externe CFD-Studien, Ausfallszenarien, PUE, Brandschutz: unsere Ingenieure begleiten Sie von der Planung bis zum Betrieb.
Häufige Fragen
Anhang A · FAQWozu dient eine CFD-Studie in einem Rechenzentrum?
Sie rekonstruiert numerisch die Luftströmungen und die Temperaturen eines Data Hall, um zu prüfen, dass jedes Rack Luft mit der angestrebten Ansaugtemperatur erhält, auch in Störfallkonfiguration. Konkret dient sie dazu, eine Planung vor Baubeginn abzusichern, bestehende Hotspots zu diagnostizieren, Ausfallszenarien ohne Betriebsrisiko zu testen und IT-Kapazität ohne schwere Investition freizugeben.
Welche Dichte lässt sich maximal mit Luft kühlen?
Mit reiner Luft, Gangeinhausung und korrekt dimensioniertem Plenum liegt die praktische Grenze meist zwischen 15 und 25 kW pro Rack. Zwischen 25 und 40 kW werden In-row-Architekturen oder aktive Rear Doors erforderlich. Jenseits von 40 bis 50 kW wird die direkte Flüssigkeitskühlung zum einzigen realistischen Weg: die ASHRAE hat ihre Empfehlungen für diese Dichten im Übrigen auf flüssigkeitsgekühlte Geräte ausgeweitet.
Wie viele m³/h Luft braucht ein Rack zur Kühlung?
Etwa 3 100 m³/h pro abgegebenem kW, geteilt durch die Temperaturdifferenz über das Rack. Für ein Rack mit 10 kW und einem ΔT von 12 K: etwa 2 600 m³/h, also rund 260 m³/h pro kW. Ein höheres ΔT senkt Volumenstrom und Ventilatorenergie, macht aber Einhausung und Dichtheit der Gänge weit kritischer.
Was ist der Unterschied zwischen interner und externer CFD?
Die interne CFD behandelt den Data Hall und die Technikräume: Luftverteilung, Hotspots, Rezirkulationen, Einhausung, Ausfallszenarien, Brand. Die externe CFD behandelt Hülle und Dach: Ansaugung und Ausblasung der Rückkühler, Kurzschlussströmung, Wechselwirkung mit Wind und Nachbargebäuden, Hitzewelle, Wärmeinsel.
Beide bedingen einander: eine durch Kurzschlussströmung verschlechterte Außenlufttemperatur schlägt unmittelbar auf die Leistung der Kälteerzeugung und damit auf den Saal durch.
Wie lange dauert eine CFD-Studie für ein Rechenzentrum?
Unser Referenzablauf umfasst einen Monat: einige Tage Abgrenzung und Datenerhebung, eine Woche einschließlich Messkampagne vor Ort, eine Woche Modellierung und Vernetzung, eine Woche Berechnungen und Iterationen über die Szenarien, dann eine Woche Auswertung und Präsentation. Im beschleunigten Verfahren gehen wir auf zwei bis drei Wochen herunter. Nur eine sehr große Zahl transienter Szenarien oder eine ausgedehnte interne/externe Kopplung erfordert mehr Rechenzeit.
Ist eine CFD-Simulation zuverlässig?
Sie ist zuverlässig, wenn sie verifiziert und validiert ist: nachgewiesene Netzunabhängigkeit, konvergierte Residuen, geschlossene Energie- und Massenbilanzen und Abgleich mit Messungen vor Ort, sofern die Anlage besteht. Eine nicht validierte CFD bleibt eine Hypothese, kein Ergebnis: und optisch unterscheidet nichts die beiden.
Lässt sich mit CFD der PUE senken?
Indirekt, aber tatsächlich. Sie wirkt nicht auf den Wirkungsgrad der Maschinen: sie wirkt auf die strömungstechnischen Potenziale, den Sollwert anheben, ohne die Grenzwerte an den Racks zu überschreiten, das Überkühlen beseitigen, den Luftvolumenstrom senken, das ΔT erhöhen, das Free Cooling ausweiten. Das sind die Posten, die im Kühlanteil des PUE am schwersten wiegen, dessen weltweiter Mittelwert seit sechs Jahren bei etwa 1,54 stagniert.
Ist eine CFD bei einem Neubauprojekt ohne Messungen möglich?
Ja, und das ist in der Planung sogar der häufigste Fall. Das Vertrauen ruht dann auf an vergleichbaren Fällen validierten Modellen, ausdrücklich benannten konservativen Annahmen und einer Sensitivitätsanalyse der unsicheren Parameter. Bei der Inbetriebnahme erlaubt eine Messkampagne, das Modell abzugleichen und daraus den digitalen Zwilling des Standorts für seine gesamte Lebensdauer zu machen.
Quellen & Regelwerke
Anhang B · QuellenDie in diesem Whitepaper zitierten Marktdaten stammen aus öffentlichen, datierten und überprüfbaren Quellen. Technische Regelwerke sind stets in ihrer gültigen Ausgabe heranzuziehen: die hier wiedergegebenen Werte dienen der Orientierung.
- 01Internationale Energieagentur (IEA), Energy and AI, World Energy Outlook Special Report, April 2025: 415 TWh Verbrauch der Rechenzentren im Jahr 2024 (≈ 1,5 % des weltweiten Stroms), Wachstum ≈ 12 %/Jahr seit 2017, Prognose ≈ 945 TWh im Jahr 2030 im Referenzszenario. iea.org
- 02Uptime Institute, Global Rechenzentrum Survey 2025 (15. Ausgabe), Juli 2025: weltweiter durchschnittlicher PUE ≈ 1,54, im sechsten Jahr in Folge stabil; steigende Dichten im Bereich 10–30 kW, ein Standort von acht meldet Racks von 30 bis 59 kW. uptimeinstitute.com
- 03ASHRAE Technical Committee 9.9, Thermal Guidelines for Data Processing Environments: empfohlene und zulässige Bereiche der Ansaugluft, Klassen A1 bis A4, Ausweitung auf flüssigkeitsgekühlte Geräte für hohe Dichten.
- 04Normenreihe EN 50600 (und ISO/IEC 22237): Planung, Bau und Betrieb von Einrichtungen und Infrastrukturen von Rechenzentren; Kennzahlen der Energieeffizienz.
- 05Uptime Institute, Tier Standard: Topology & Operational Sustainability: Klassifizierung Tier I bis IV, gleichzeitige Wartbarkeit und Fehlertoleranz.
- 06Lawrence Berkeley National Laboratory, Bericht 2024 zum Stromverbrauch der US-Rechenzentren: 176 TWh im Jahr 2023, Prognose von 325 bis 580 TWh bis 2028.
- 07Europäischer Rechtsrahmen: Nomenklatur der umweltrechtlich genehmigungsbedürftigen Anlagen (ICPE) für Netzersatzanlagen, Kältemittel und Verdunstungskühlanlagen; europäische F-Gase-Verordnung über fluorierte Treibhausgase.
- 08Technische Veröffentlichungen von EOLIOS: sämtliche in diesem Whitepaper zitierten Dossiers und Projektblätter sind über unsere Ressourcen Rechenzentrum zugänglich.
Ausgabe 2026 des EOLIOS Whitepapers. Die in den Tabellen genannten ingenieurtechnischen Größenordnungen (Dichtebereiche, Kennzahlenziele, Projektdauern) spiegeln unsere Praxis wider und sind keine normativen Werte: jedes Projekt ist in seinem eigenen Kontext zu prüfen.
Die 44 in diesem Dokument verwendeten Begriffe
Die Begriffe sind in der Online-Version auch am Seitenrand definiert, dort wo sie gebraucht werden.
Ein Dokument des Teams, nicht eines einzelnen Autors
Wer dieses Whitepaper zeichnetBei EOLIOS ist eine Studie nie die Arbeit eines einzelnen Ingenieurs: sie wird von einem Fachbereich erstellt, nachgerechnet und geprüft. Dieses Whitepaper folgt derselben Regel: es ist vom Fachbereich Rechenzentrum gezeichnet, und dafür steht das Ingenieurbüro ein, keine Person, genau wie bei den Studien, die wir durchführen.
Der Inhalt stammt aus unseren eigenen Projekten: Messkampagnen vor Ort, an Messwerten abgeglichene Modelle, intern gerechnete Ausfallszenarien. Stammt eine Zahl aus einer externen Quelle, wird sie in Anhang C zitiert; stammt sie aus unserer Praxis, steht es im Text.
Vier Wochen, von der Abgrenzung bis zur Präsentation
Unsere Referenzzusage für einen Data Hall sind vier Wochen, Abgrenzung und Präsentation eingeschlossen: und wir können schneller, wenn der Bauzeitenplan es verlangt.
Ein einstündiges Gespräch genügt in der Regel, um zu sagen, ob eine CFD-Studie sinnvoll ist und in welchem Umfang. Wir antworten innerhalb von 48 Arbeitsstunden.
eolios.de/kontakt-2info@eolios.euLandshuter Allee 4-6, 80637 München+33 1 42 25 45 21Leitfaden zur PUE-Berechnung, digitaler Zwilling eines Rechenzentrums, Ursprung der Überhitzungen, externe CFD der Rückkühler, thermische Untersuchung der Technikräume und die ausführlichen Projektblätter.
eolios.de/rechenzentrumEOLIOS Ingenieurbüro, Ingenieurbüro für thermisch-strömungstechnische Simulation (CFD). Ausgabe Juli 2026 · v1.0. Öffentliches Dokument: die Wiedergabe kurzer Auszüge ist mit Quellenangabe gestattet. Die zitierten normativen Werte (ASHRAE TC 9.9, EN 50600, Uptime Institute, F-Gase-Verordnung) ändern sich: stets die gültige Ausgabe und die Herstellerspezifikationen der installierten Geräte heranziehen. Verbrauchs- und PUE-Daten auf dem Stand der Veröffentlichungen von IEA 2025 und Uptime Institute 2025.
Laufend aktualisierte Online-Version: eolios.de/rechenzentrum/whitepaper-nutzung-von-cfd-fuer-rechenzentren