CFD esterna e interna – Data Centre Hyperscale
La missione svolta da EOLIOS ingénierie: simulazione CFD e competenza in materia di raffreddamento
L’esperienza diEOLIOS nella simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) e nell’ottimizzazione dei sistemi di raffreddamento ha avuto un ruolo cruciale nel risolvere la sfida termica di un data center iperscala di diverse decine di megawatt. Il nostro know-how ci permette di migliorare l’efficienza energetica e garantire prestazioni ottimali, assicurando una gestione termica efficace e sostenibile per queste infrastrutture complesse.
CFD esterna e interna - Data Centre Hyperscale
Anno
2025
Cliente
NC
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Iperscale data center: una rivoluzione nell'hosting e nella gestione dei dati
L'obiettivo di un data center hyperscale: ottimizzazione e scalabilità
I data center hyperscale sono strutture appositamente progettate per soddisfare le esigenze di giganti della tecnologia comeAmazon, Google e Microsoft, che richiedono capacità di calcolo e di archiviazione su larga scala. Questi data center sono caratterizzati da un’immensa scala operativa, spesso in grado di ospitare da decine a centinaia di migliaia di server. Questa scala consente loro di gestire in modo efficiente enormi volumi di dati e di fornire servizi a milioni di utenti in tutto il mondo.
Proprietà chiave dei data center hyperscale: modularità, automazione ed efficienza energetica
Uno dei principali vantaggi dei data center hyperscale è la loro efficienza energetica. Essi incorporano sistemi di raffreddamento all’avanguardia e tecnologie di gestione dell’energia che riducono al minimo il consumo energetico massimizzando le prestazioni. Ciò include l’uso di sistemi di raffreddamento ad aria libera, pozzi geotermici o raffreddamento a liquido per ridurre l’impronta di carbonio e ottimizzare i costi operativi.
Flessibilità escalabilità sono alla base del concetto di hyperscale. Questi data center possono essere ampliati rapidamente e facilmente per soddisfare la crescita della domanda, grazie a un’infrastruttura modulare composta da componenti standardizzati. Questa struttura modulare consente non solo di semplificare la manutenzione, ma anche di effettuare aggiornamenti regolari senza alcun impatto sulle operazioni complessive.
L‘automazione gioca un ruolo fondamentale nell’efficienza operativa dei data center hyperscale. I sistemi automatizzati monitorano e gestiscono quasi ogni aspetto delle operazioni quotidiane, riducendo la necessità di un intervento umano costante e minimizzando il rischio dierrori umani. L’automazione comprende la gestione dei server, il monitoraggio dell’energia e la manutenzione preventiva.
In breve, grazie alla loro vasta capacità, all’efficienza energetica, alla flessibilità, alla scalabilità e all’ampio uso dell’automazione, i data center hyperscale offrono soluzioni estremamente efficienti e convenienti. Riducendo i costi unitari per servizio, queste strutture stanno diventando essenziali per le aziende che vogliono supportare i servizi digitali globali e soddisfare la crescente domanda di servizi cloud solidi e affidabili da parte degli utenti.
La sfida degli studi CFD per l'ottimizzazione dei data center hyperscale
Uno studio CFD (Computational Fluid Dynamics) è fondamentale per questi data center iperscalati al fine di ottimizzare la circolazione dell’aria e il raffreddamento, riducendo così al minimo il consumo energetico e massimizzando l’efficienza termica.
- Raffreddamento: Le simulazioni CFD possono essere utilizzate per modellare i flussi d’aria e di calore nei data center. Questo aiuta a ottimizzare il posizionamento dei server, la disposizione dei rack e i sistemi di ventilazione per garantire un raffreddamento efficiente e ridurre i costi energetici.
- Consumo energetico: analizzando il flusso d’aria e la distribuzione termica, gli studi CFD possono identificare le strategie per migliorare l’efficienza energetica. Ciò può includere l’ottimizzazione dei sistemi di raffreddamento esistenti o la progettazione di nuovi metodi più sostenibili.
- Gestione delle risorse: i modelli CFD aiutano a prevedere le prestazioni dei sistemi di climatizzazione e ad anticipare meglio i requisiti energetici e di raffreddamento, facilitando così una gestione efficiente delle risorse.
- Sicurezza: la CFD viene utilizzata per simulare e pianificare la gestione del rischio in caso di surriscaldamento o guasto del sistema, aiutando a progettare sistemi di emergenza, sistemi di estrazione del fumo e sistemi di soppressione degli incendi.
Integrando l’analisi CFD nella loro progettazione, i data center su larga scala possono migliorare l’efficienza operativa, ridurre l’impatto ambientale e migliorare la sicurezza, utilizzando dati e simulazioni accurate per consolidare le decisionirelative al clima e all’energia.
Noi di EOLIOS ingénierie comprendiamo appieno l’importanza di queste simulazioni nella progettazione di sistemi di raffreddamento efficienti. Grazie alla nostra esperienza nel campo della CFD, aiutiamo a garantire operazioni fluide ed efficienti, riducendo i costi e contribuendo alla sostenibilità ambientale dei data center su larga scala.
Studio interno: utilizzo della CFD per ridurre il rischio di surriscaldamento
La CFD, un alleato per l'efficienza energetica dei data hall
L’ottimizzazione delle sale dati nei data center è fondamentale e l’uso della simulazione computerizzata (CFD) svolge un ruolo chiave in questo senso. Analizzando i flussi d’aria, la distribuzione della temperatura e l’interazione tra le apparecchiature, la CFD consente di progettare sistemi di raffreddamento più efficienti. Aiuta a individuare i punti caldi, a ottimizzare la circolazione dell’aria e a ridurre i costi energetici grazie alla messa a punto del condizionamento e della disposizione dei rack. In questo modo, l’uso oculato della CFD non solo garantisce migliori prestazioni operative e una maggiore affidabilità del sistema, ma contribuisce anche a ridurre l’impronta di carbonio dei data center, in linea con i crescenti requisiti ambientali.
Composizione e funzionamento di una sala dati: rack, sistemi di raffreddamento e distribuzione dell'energia.
La sala dati di un data center è un’area dedicata all’alloggiamentodelle apparecchiature informatiche fondamentali per l’elaborazione e l’archiviazione dei dati. È costituita principalmente da rack che ospitano server, unità di archiviazione e switch per la gestione della rete.
I rack sono spesso disposti in file organizzate in corridoi caldi e freddi, una configurazione che ottimizza il flusso d’aria e il raffreddamento separando l’aria calda espulsa da quella fredda utilizzata per raffreddare le apparecchiature.
I sistemi di raffreddamento includono condizionatori di precisione o refrigeratori raffreddati ad acqua, progettati per mantenere temperature ottimali e stabili, nonostante il calore generato dal funzionamento dei server.
Per garantire un’alimentazione affidabile, la sala dati dispone di sistemi di distribuzione dell‘energia ridondanti, spesso supportati da generatori di emergenza e sistemi UPS per assicurare un’alimentazione continua in caso di interruzione.
I sensori intelligenti monitorano costantemente le condizioni ambientali, come la temperatura e l’umidità, e le prestazioni delle apparecchiature, consentendo agli amministratori di reagire rapidamente alle anomalie e di garantire un funzionamento ottimale.
Ottimizzazione termica interna dei data center: sfide e soluzioni di EOLIOS ingénierie
In questo studio approfondito è stato individuato un problema di surriscaldamento nella sezione sinistra della sala dati, fondamentale per il buon funzionamento dell’intero data center. Il surriscaldamento si verifica quando due sistemi di raffreddamento si guastano contemporaneamente. I rack in questa parte della sala possono raggiungere temperature di 35°C, ben al di sopra del limite massimo di 28°C. Queste condizioni compromettono non solo le prestazioni ma anche l’affidabilità delle apparecchiature, aumentando il rischio di guasti che potrebbero compromettere l’integrità dei dati e la continuità del servizio.
La situazione è ulteriormente complicata dall’installazione di grate antieffrazione e dalla configurazione spaziale della stanza, che generano una distribuzione non uniforme della pressione.
Mappa della temperatura e della pressione interna del data center in base a diversi scenari prima dell'ottimizzazione
Nei corridoi caldi sul lato sinistro del padiglione si forma una significativa area di sovrapressione che ostacola l’evacuazione efficiente dell’aria calda generata dai server. Questo squilibrio crea un fenomeno di ricircolo in cui l’aria calda viene reintrodotta nel sistema, aggravando il problema attraverso un processo di looping e aumentando il tasso di dispersione dalcorridoio caldo, accelerando così l’aumento della temperatura.
La distribuzione non uniforme dei rack è un altro fattore che contribuisce, poiché i sistemi di raffreddamento guasti devono gestire l’elevato carico termico dell’isola di rack più lontana, rendendo questo settore particolarmente vulnerabile.
Per affrontare questa complessa sfida, gli ingegneri di EOLIOS hanno sviluppato e proposto una serie di soluzioni innovative. Grazie a discussioni approfondite e a una comunicazione efficace con il cliente, sono stati in grado di analizzare le opzioni proposte e di determinare l’approccio migliore per mitigare il problema. Questa soluzione è stata implementata in accordo con tutte le parti interessate, garantendo una risposta ottimale e sostenibile ai problemi identificati nella sala dati.
Studio interno: utilizzo della CFD per ridurre il rischio di surriscaldamento
Ottimizzare i sistemi di raffreddamento: migliorare l'efficienza e la sostenibilità dei data center
L’ottimizzazione dei sistemi di raffreddamento, come i refrigeratori e i generatori, è essenziale per garantire le prestazioni dei data center. Con alte densità di server e apparecchiature elettroniche, che possono superare i 10 kW per rack, la gestione termica diventa una sfida importante. Un surriscaldamento incontrollato può portare a guasti dell’hardware, a una riduzione dell’affidabilità e della disponibilità del servizio e a un degrado prematuro delle apparecchiature.
Di conseguenza, l’ottimizzazione dei sistemi di raffreddamento non si limita a mantenere una temperatura stabile e adeguata, ma è anche fondamentale per ridurre i costi energetici, che rappresentano una parte significativa delle spese operative dei data center. Inoltre, riducendo al minimo il consumo energetico, l’ottimizzazione contribuisce a ridurre l’impronta di carbonio delle installazioni, in linea con i crescenti requisiti di sostenibilità ambientale del settore. Le simulazioni numeriche effettuate hanno fornito informazioni dettagliate sulle temperature del sistema per diversi scenari.
Composizione dei sistemi critici dei data center: raffreddatori ad aria e generatori
I data center, i centri nevralgici delle moderne infrastrutture digitali, richiedono una serie di apparecchiature sofisticate per funzionare in modo efficiente. Tra queste apparecchiature, i raffreddatori d’aria e i generatori giocano un ruolo fondamentale.
Lo scambiatore di calore raffreddato ad aria è un’apparecchiatura essenziale nei data center, progettata per dissipare il calore generato dal funzionamento delle apparecchiature IT. Si tratta di uno scambiatore di calore aria-acqua. Funziona utilizzando l’aria esterna per estrarre il calore dai sistemi di raffreddamento, evitando così un eccessivo accumulo di calore. Garantendo un flusso costante di aria fresca, i raffreddatori ad aria contribuiscono alla stabilità termica delle installazioni, preservando l’integrità delle apparecchiature e riducendo i costi energetici associati al condizionamento.
Anche i generatori sono dispositivi fondamentali nei data center, in quanto forniscono energia di riserva in caso di guasto alla rete principale. Il loro ruolo è quello di fornire una fonte di energia affidabile e continua per evitare qualsiasi interruzione delle operazioni, il che è fondamentale per la disponibilità dei servizi e la protezione dei dati. In caso di interruzione di corrente, i generatori si accendono automaticamente, assumendo il carico elettrico delle apparecchiature e dei sistemi di raffreddamento del data center. Grazie a questi generatori, i data center possono mantenere un’elevata disponibilità e resilienza di fronte ai rischi di alimentazione, garantendo la continuità del servizio che è essenziale per le moderne infrastrutture digitali.
Composizione dei sistemi critici dei data center: raffreddatori ad aria e generatori
Come parte di ogni studio, EOLIOS Ingénierie produce un modello 3D dettagliato, essenziale per le simulazioni CFD. Per questo progetto, il modello 3D integra tutti i sistemi e gli elementi che influenzano l’aeraulica, come i raffreddatori d’aria e i generatori.
Il modello viene costruito utilizzando i modelli 3D forniti, le piante del sito e le schede tecniche delle apparecchiature. Le schede tecniche vengono utilizzate per determinare le caratteristiche essenziali, come le portate d’aria e le perdite di potenza, assicurando che ogni componente del sistema sia accuratamente rappresentato nella simulazione. La creazione di questo gemello digitale consente un’analisi accurata e dettagliata delle condizioni operative dei sistemi di raffreddamento e facilita l’identificazione di potenziali punti di miglioramento.
Gli ingegneridi EOLIOS si distinguono per la loro profonda competenza in materia di mesh e convergenza, che sono essenziali per l’accuratezza e l’affidabilità delle simulazioni numeriche, in particolare in ambienti complessi come i data center. Una mesh di qualità è fondamentale perché determina la suddivisione dello spazio di simulazione in elementi discreti, con un impatto diretto sull’accuratezza dei risultati. Una mesh fine e ben strutturata permette di catturare con precisione le variazioni del flusso d’aria e i gradienti di temperatura, il che è essenziale per modellare correttamente i fenomeni aeraulici come il looping. Inoltre, una buona maglia favorisce una migliore convergenza dei calcoli, garantendo che i risultati ottenuti siano stabili e rappresentativi delle condizioni reali. Grazie al loro know-how, gli ingegneri di EOLIOS ottimizzano la mesh per garantire simulazioni robuste e affidabili, consentendo lo sviluppo di soluzioni accurate ed efficienti per il raffreddamento dei data center e di altri ambienti critici.
Analisi CFD e condizioni meteo
Per simulare condizioni operative realistiche, è stata effettuata un’analisi meteorologica approfondita utilizzando i dati della stazione meteo più vicina al sito. Questa analisi è stata utilizzata per determinare le variabili chiave, come la temperatura esterna e la velocità edirezione del vento, che hanno un’influenza significativa sul comportamento termico del data center. Incorporando questi dati nella simulazione CFD, EOLIOS è in grado di valutare con precisione le prestazioni dei sistemi di raffreddamento in scenari reali, assicurando che le soluzioni proposte siano adatte alle condizioni specifiche del sito.
Gli scenari sviluppati per questo progetto sono i seguenti:
- L’influenza delle diverse direzioni principali del vento.
Per la direzione del vento più sfavorevole, sono stati studiati due modelli di estrazione del generatore:
- Estrazione con scarico a livello del gruppo elettrogeno.
- Estrazione con camino di 3 metri per uno scarico più elevato. Lo scopo di questo condotto è quello di ridurre la necessità dei generatori di tornare su se stessi.
Risultati degli studi CFD: innovazioni e soluzioni sostenibili per ottimizzare il raffreddamento nei data center hyperscale
Studio dei venti prevalenti: strategia per ridurre il looping tra i raffreddatori d'aria
In seguito all’analisi meteorologica, sono stati identificati due venti prevalenti. I due venti prevalenti sono stati simulati. I risultati di questi studi hanno evidenziato vari fenomeni aeraulici che hanno un impatto sulle temperature e sull’apporto di aria ai sistemi. Sono stati identificati fenomeni di looping tra i sistemi, che portano a un aumento delle temperature di ingresso del raffreddatore ad aria. Le calorie evacuate vengono richiamate dagli stessi sistemi o dai sistemi circostanti.
Questi fenomeni sono stati individuati soprattutto nei primi raffreddatori ad aria esposti al vento. Il vento favorisce il ritorno dei pennacchi termici, amplificando i fenomeni di looping. Sul resto del tetto, il fenomeno è più piccolo e localizzato. In questo caso, è dovuto principalmente alla mancanza di aria, che porta al risucchio dei sistemi in alto.
Anche la densità degli impianti sul tetto favorisce questi fenomeni. In questo centro dati la potenza erogata per m2 è particolarmente elevata e contribuisce all’aumento generale della temperatura. Inoltre, l’aumento del numero di impianti sul tetto limita la circolazione dell’aria e favorisce la comparsa di zone a bassa velocità che favoriscono il ristagno delle calorie. Queste zone di ristagno sono state individuate in particolare intorno ai trasformatori. Le temperature intorno a questi impianti si aggirano intorno ai 50°C.
Al fine di ridurre il looping, è stato condotto uno studio per aggiungere un rivestimento ai sistemi. L’aggiunta di un rivestimento opaco elimina l’aspirazione dei sistemi nella parte superiore, che si carica di calore. Le temperature registrate con questo nuovo design si sono ridotte di quasi 2°C. Di conseguenza, si è ridotta anche la perdita di potenza di raffreddamento, migliorando l’efficienza complessiva dei sistemi di raffreddamento.
Studio di diversi modelli di estrazione per ottimizzare i sistemi di raffreddamento
Una delle direzioni del vento sul sito è particolarmente sfavorevole per i sistemi di raffreddamento. Questo vento dirige gli scarichi dei generatori, situati vicino all’edificio, direttamente sul tetto dove si trovano le unità raffreddate ad aria. Di conseguenza, i pennacchi di calore emessi dai generatori vengono aspirati dai refrigeratori, causando un aumento delle temperature di aspirazione e compromettendo le loro prestazioni. Inoltre, questa direzione del vento può anche far sì che i generatori si riavvolgano su se stessi, dando luogo a rischi simili a quelli osservati per i refrigeratori raffreddati ad aria. Per questo motivo è stato condotto uno studio specifico per analizzare la portata di questi fenomeni.
Nonostante la scarsa ricorrenza di questo vento sfavorevole, è necessario tenere conto di questa direzione del vento in considerazione dei rischi di un forte aumento della temperatura che potrebbe derivare dallo spegnimento dei generatori sui raffreddatori ad aria.
I risultati iniziali hanno evidenziato il fenomeno del looping dei generatori su se stessi. Sebbene l’aggiunta di un condotto di scarico di 3 metri abbia parzialmente ridotto questo fenomeno, esso è ancora presente a causa dell’insufficiente apporto di aria fresca all’ingresso dei sistemi, che aumenta l’ingresso di aria calda nella parte superiore.
Lo scarico dei generatori ha anche un impatto significativo sulle temperature di aspirazione dei refrigeratori d’aria sul tetto. I fumi dei generatori vengono aspirati dai refrigeratori. Oltre a questo fenomeno, è stato dimostrato che i refrigeratori si autoalimentano. La combinazione di questi due fenomeni porta a un aumento significativo della temperatura, con il rischio che i sistemi si guastino.
Per mitigare questi impatti, è stato effettuato anche uno studio che ha tenuto conto delle condizioni sfavorevoli del vento e dell’aggiunta di un cofano sui sistemi. Questa soluzione ha permesso di ridurre notevolmente le temperature medie di aspirazione dei refrigeratori, con una riduzione di quasi 4°C – 5°C. L’aggiunta del mantello ha eliminato la necessità di fare il looping tra i refrigeratori, migliorandone così l’efficienza. Tuttavia, le emissioni dei generatori hanno ancora un impatto sui refrigeratori sul tetto, anche se la perdita di potenza è stata ridotta grazie a questo progetto.
Analisi della potenza di raffreddamento disponibile per i data center hyperscale
I raffreddatori d’aria sono progettati per fornire la potenza di raffreddamento richiesta dai data hall, mantenendo le condizioni ottimali per il funzionamento delle apparecchiature IT. Questa potenza di raffreddamento è garantita per il funzionamento in condizioni “standard”, cioè per temperature di ingresso inferiori a una soglia predefinita. Quando questa soglia di temperatura viene superata, le prestazioni dei sistemi di raffreddamento diminuiscono e non sono più in grado di fornire tutta la potenza richiesta, il che può influire sull’affidabilità e sull’efficienza dell’intero sistema di raffreddamento.
Per ovviare a questo problema, EOLIOS ha condotto uno studio per quantificare la perdita di potenza a freddo in funzione delle letture della temperatura di aspirazione del sistema.
Queste simulazioni hanno permesso di valutare e confrontare le varie soluzioni possibili per ottimizzare le prestazioni dei raffreddatori ad aria in diverse condizioni.
La soluzione proposta da EOLIOS si è dimostrata particolarmente efficace, riducendo le perdite di potenza di un fattore 5 rispetto al progetto iniziale. Questo significativo miglioramento non solo garantisce una maggiore stabilità termica delle sale dati, ma ottimizza anche l’efficienza energetica degli impianti, riducendo i costi operativi e i rischi legati al surriscaldamento delle apparecchiature.
L'esperienza di EOLIOS ingénierie nella risoluzione di problemi termo-aerodinamici nei data center
Raccomandazioni personalizzate per ogni progetto
Grazie alla sua esperienza nella simulazione numerica, e più in particolare nella simulazione esterna dei data center, EOLIOS è stata in grado di proporre diverse soluzioni adatte al progetto per mitigare i fenomeni di looping. Sono state prese in considerazione soluzioni facili da immaginare e poco costose, come la ricollocazione dei sistemi o l’installazione di involucri. Sono state discusse anche soluzioni più costose, come la creazione diprese per l’evacuazione dei fumi verso un terreno più alto. Dopo aver consultato il nostro cliente, sono state selezionate alcune soluzioni per un nuovo studio CFD. Le soluzioni selezionate sono state simulate in modo rigoroso. Hanno permesso di ridurre in modo significativo le temperature di aspirazione dei sistemi, migliorandone l’efficienza. Alla luce dei risultati e dei costi di installazione, è stato scelto un progetto che prevede una nuova disposizione degli impianti e l’installazione di camicie sui refrigeratori.
L’analisi dettagliata della capacità di raffreddamento disponibile ha inoltre permesso di quantificare con precisione i vantaggi di ogni soluzione, fornendo una chiara valutazione dell’impatto sulle prestazioni del sistema di raffreddamento.
Grazie a questo studio, EOLIOS è stata in grado diottimizzare la progettazione dei sistemi su tetto. Questa ottimizzazione ridurrà il rischio di guasti al sistema e la perdita di energia a causa delle alte temperature. Inoltre, il progetto consentirà di ridurre i costi energetici legati al funzionamento dei sistemi di raffreddamento ogni anno. Uno studio più approfondito permetterebbe anche di quantificare irisparmi associati a questo progetto ottimizzato.
Video riassuntivo dello studio
Sintesi dello studio
Lo studio condotto da EOLIOS ingénierie si concentra sull’ottimizzazione termica dei data center hyperscale, utilizzando simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics). Questo approccio permette di migliorare la circolazione dell’aria e l’efficienza dei sistemi di raffreddamento, riducendo così il consumo energetico e l’impronta di carbonio. I data center su larga scala, utilizzati da giganti della tecnologia come Amazon e Google, richiedono soluzioni modulari, automatizzate e sostenibili. EOLIOS ha individuato problemi come il surriscaldamento e il looping e ha proposto soluzioni come l’installazione di cofani per mitigare questi fenomeni. L’integrazione di gemelli digitali per simulazioni accurate ha permesso di prevedere miglioramenti significativi. Lavorando a stretto contatto con i clienti, EOLIOS ha ottimizzato la configurazione dei sistemi di raffreddamento, aumentandone l’efficienza e riducendo i costi energetici. Questo studio dimostra l’impatto cruciale delle simulazioni CFD sulle prestazioni e sulla sostenibilità dei moderni data center.
Video riassuntivo della missione
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