Simulazione e ottimizzazione dei pennacchi termici – Centro dati
Simulation et optimisation des panaches thermiques - Data Center
Anno
2025
Cliente
NC
Posizione
Paris
Tipologia
Data Center
Hai bisogno del parere di un esperto?
Ottimizzazione termo-aerodinamica dell'area tecnica di un data center
Questioni generali e contesto termo-aerodinamico
L’area tecnica a terra del centro dati studiata da EOLIOS comprende raffreddatori d’aria, generatori e trasformatori in un ambiente urbano nascosto dove può verificarsi un ricircolo termico a causa dell’involucro e dell’interazione tra mandata e aspirazione. L’obiettivo primario è quello di stabilizzare la temperatura dell’aria in ingresso agli scambiatori e diomogeneizzare i campi di velocità all’ingresso per aumentare la robustezza in condizioni difficili (venti sfavorevoli, carichi elevati) e limitare il riflusso del pennacchio verso le macchine. L’introduzione di schermi come i cofani e di elementi filtranti come le feritoie è una delle leve studiate per spezzare i loop e guidare un apporto d’aria più favorevole verso gli scambiatori.
Oltre alle apparecchiature stesse, la morfologia del sito e la presenza di ostacoli nelle vicinanze (muri bassi, edifici vicini, rack periferici) giocano un ruolo decisivo. Possono creare aree a bassa velocità, ricircolo laterale o vortici di scia che iniettano localmente aria calda nelle vicinanze delle prese d’aria. Lo studio colloca questi effetti nel contesto di una lettura “venti prevalenti / venti di rovesciamento”, al fine di qualificare la sensibilità direzionale del sistema e garantire che le soluzioni selezionate rimangano efficaci in una gamma realistica di condizioni meteorologiche e operative.
EOLIOS è leader nella simulazione CFD esterna per i Data Center. I nostri studi si basano sul feedback di campagne di misurazione in condizioni reali e su un centinaio di siti simulati in tutto il mondo.
Inizio del processo EOLIOS: verifica del sito per la CFD
Misure termografiche e ipotesi iniziali per il looping termico
L’audit in loco ha rivelato un ricircolo locale intorno ad alcuni raffreddatori d’aria, uno squilibrio nelle temperature misurate tra due sale apparecchiature e un raffreddatore d’aria sottotraccia.
Questi indici confermano lanatura eterogenea della miscelazione e il valore di un trattamento mirato delle aree sensibili e delle traiettorie dei pennacchi. Le campagne di misurazione (anemometria, fumo, immagini termiche) evidenziano anche l’effetto dell’ingombro al suolo e delle maschere sulla dispersione dei gas di scarico caldi. Questi elementi sono stati utilizzati per calibrare la modellazione, per posizionare le sezioni trasversali CFD e per dare priorità alle mitigazioni in grado di fornire i maggiori benefici con il minor impatto sulle operazioni.
Le letture termografiche mostrano chiaramente aree di ricircolo dell’aria calda (looping termico) intorno ad alcuni scambiatori d’aria. Le immagini IR mostrano aloni caldi e lingue termiche che si sviluppano intorno ai cofani trasparenti, segno di un’attenuazione del pennacchio e di una parziale riaspirazione da parte degli scambiatori di calore vicini. Nelle immediate vicinanze dei cofani e degli involucri dei raffreddatori d’aria, la temperatura apparente aumenta e si estende nella direzione del flusso, indicando un’insufficiente diluizione delle emissioni e un ricircolo su brevi traiettorie. Il fenomeno si amplifica quando il vento incidente colpisce gli schermi o le pareti laterali, creando zone a bassa velocità e vortici di scia che intrappolano l’aria calda nelle prese d’aria.
Oltre alle emissioni delle macchine stesse, la morfologia dell’area tecnica a terra contribuisce a questo accumulo: ambienti ingombrati, cappottature parziali che deviano i getti senza sollevarli dall’area di aspirazione, condotti di cavi e reti che riducono le sezioni libere e generano ombre aerauliche. In determinate condizioni di vento, questi ostacoli creano anelli locali ed effetti muro che ritardano l’evacuazione del calore, favoriscono la coalescenza dei pennacchi e accentuano l’aumento della temperatura ai piedi dell’unità. Nel complesso, questi risultati spiegano la sovratemperatura rilevata dalla termografia intorno ai raffreddatori d’aria e giustificano misure di deviazione e filtraggio mirate (cofani continui, lamelle orientate) per interrompere i loop, aprire i flussi e pulire l’aria di aspirazione.
La termografia mostra un ciclo termico accentuato direttamente collegato alla configurazione chiusa dei raffreddatori ad aria. La presenza di una parete posteriore agisce come una parete riflettente che limita la dispersione e attira il getto caldo a monte. Sotto l’effetto del vento incidente, il getto viene parzialmente premuto contro la parete (effetto muro), lo strato limite si ispessisce, la velocità diminuisce e si verifica un’inversione di flusso ai piedi delle macchine. Si crea una zona a bassa velocità con vortici a forma di cuneo che intrappolano l’aria riscaldata; le isoterme si restringono in prossimità della parete e delle cappottature, indicando una diluizione insufficiente e un riflusso di calore verso lo scarico.
Questa topologia spiega le temperature apparenti più elevate registrate dalle immagini IR intorno a queste unità e la persistenza di sacche calde nonostante un tasso di espulsione nominale. Giustifica misure di deviazione e filtraggio mirate (cofani continui meglio collegati, feritoie orientate, innalzamento o sfasamento degli scarichi), progettate per interrompere il ciclo di ricircolo, accelerare l’ assestamento dell’ambiente e decorare i pennacchi provenienti dalle prese d’aria appoggiate alla parete.
Le scelte fatte dai team di EOLIOS nel suddividere l'area per facilitare la comunicazione con i clienti
Il perimetro copre l’area tecnica a terra, suddivisa in tre settori funzionali – zona sinistra, zona centrale e zona destra – per riflettere le differenze di esposizione al vento, la vicinanza delle pareti e la logica di aspirazione specifica di ogni unità. L’inventario comprende 11 refrigeratori, 8 generatori e 10 trasformatori; le coperture sono già presenti sul lato destro e la maggior parte delle macchine è dotata di bocchette. La configurazione delle bocchette sui GE, posizionate all’esterno, è stata progettata per deviare i pennacchi ed evitare che vengano ingeriti dai refrigeratori d’aria vicini.
Questa strutturazione del sito, unita all’inclusione degli accessori esistenti, garantisce una rappresentazione fedele dei vincoli reali e consente di confrontare gli scenari in modo pertinente: permette di localizzare con precisione le aree più sensibili, di classificare le interazioni in ordine di importanza (scarico/aspirazione/maschere) e di indirizzare i trattamenti dove sono più efficaci. Inoltre, facilita la scansione degli interventi e la definizione di punti di controllo durante il funzionamento (qualità dell’aria in ingresso, omogeneità dell’aspirazione), in modo che i miglioramenti convalidati durante lo studio possano essere implementati e monitorati con un impatto minimo sull’attività del sito.
Approccio e struttura di analisi CFD per la modellazione CAD del sito esterno del data center
Modellazione 3D adattata alla CFD del sito
L’approccio si basa su una CFD termo-aerodinamica esterna costruita a partire da un modello 3D dettagliato dell’area tecnica, che incorpora la geometria reale, gli ostacoli e le protezioni (rivestimenti, feritoie), i volumi del plenum e dell’aria di ritorno, nonché i vincoli periferici (pareti, edifici vicini, apparecchiature ausiliarie). Il modello viene preparato per la simulazione: pulizia del CAD, semplificazione dei dettagli non influenti e affinamento locale della maglia in corrispondenza delle prese d’aria, degli scarichi e delle zonedi copertura. Il dominio di calcolo viene esteso per catturare le re-iniezioni a medio raggio e gli effetti di scia; vengono applicate condizioni di vento rappresentative (incidenza, intensità, rugosità del sito) per riprodurre fedelmente l’ambiente urbano mascherato. Questa preparazione garantisce una base fisica coerente, pur rimanendo compatibile con tempi di calcolo ragionevoli per l’iterazione delle soluzioni.
Il rendering favorisce una lettura qualitativa all’ingresso dei raffreddatori d’aria, attraverso piani di velocità, piani di temperatura, tracce/linee di corrente e iso-superfici, che permettono di identificare i meccanismi di looping e di qualificare la qualità dell’aria in ingresso senza gonfiare le cifre. Le sezioni trasversali sono posizionate a livello dell’aspirazione e vicino al suolo per rivelare le aree diristagno dell’aria, mentre la semina di particelle viene iniettata dagli scarichi e dai generatori per visualizzare le traiettorie e i ritorni dei pennacchi. Particolare attenzione viene prestata agli spazi vuoti tra le apparecchiature, ai bordi delle cappottature e alle zone a bassa velocità, dove si verifica la maggior parte del ricircolo; l’analisi incrocia poi l’omogeneità dell’aspirazione, il livello di ricircolo (basso/medio/alto) e la stabilità del flusso per fornire indicazioni operative sulle opzioni di deviazione e filtraggio da implementare.
Utilizzo di un audit del sito per modellare i modelli in modo più accurato
Il modello sviluppato da EOLIOS si basa fedelmente sull’architettura osservata durante l’audit e incorpora le caratteristiche specifiche dellayout del terreno – cappottature parziali, ugelli, orientamento delle feritoie all’esterno del GE, altezze utili, distanze centrali, schermi e ostacoli periferici. Questa traduzione del sito reale in un modello 3D per la CFD è accompagnata da una preparazione CAD e da una retinatura con affinamenti in corrispondenza delle prese d’aria, degli scarichi e delle zone di recinzione, oltre che da una calibrazione delle condizioni al contorno coerente con il contesto locale(rugosità del sito, impatti rappresentativi del vento, livellidi emissione termica e regimi operativi). L’obiettivo non è quello di produrre un gemello teorico, ma un modello fisicamente credibile in grado di riprodurre i meccanismi diflusso e ricircolo che determinano la qualità dell’aria in ingresso.
L’audit ↔ model loop viene quindi utilizzato per confrontare iterativamente i risultati termografici eanemometrici ottenuti sul campo con le mappe CFD, per regolare le ipotesi di input (condizioni di apertura, selettività/perdite di carico delle griglie, coefficienti di scarico, rugosità locale, curve dei ventilatori) e, infine, per qualificare il livello di fiducia del modello al fine di informare la decisione. Le deviazioni residue vengono analizzate con test di sensibilità e, se necessario, corrette con aggiustamenti mirati della maglia o dei parametri operativi simulati fino a raggiungere una solida convergenza sulle linee di corrente, sull’omogeneità dell’aspirazione e sui livelli di ricircolo. I vantaggi sono due: avere una rappresentazione ancorata alla realtà e fornire una griglia di lettura operativa per i team, dove ogni scenario è leggibile in termini diimpatto, priorità d’azione e facilità di attuazione.
Figura - Distribuzione della temperatura e della pressione all'interno di una stanza di un data center hyperscale
Diversi scenari studiati per trovare la migliore soluzione possibile
Panoramica degli scenari di studio CFD
Sono state studiate quattro configurazioni rappresentative:
- Il punto di riferimento senza il cofano,
- L’installazione delle custodie a sinistra,
- La combinazione di cofani e feritoie tra GE e raffreddatori d’aria,
- E ottimizzazione mirata della zona destra attraverso il riequilibrio degli scarti.
Questa progressione graduale permette di misurare ilcontributo incrementale di ogni leva – prima le carenature, poi le feritoie, infine la distribuzione degli scarichi sulla zona rettilinea – isolandone l’effetto specifico e verificandone le sinergie. Ciò fornisce una lettura comparativa stabile in diverse condizioni di vento e di carico, conferma la durata dei guadagni (non si tratta di un semplice spostamento del problema) e fornisce un chiaro percorso decisionale: prima trattare le zone chiuse e il ricircolo termico più strutturante, poi perfezionare l’omogeneità dell’aspirazione e, infine, appianare i restanti gradienti attraverso un’ottimizzazione mirata. In questo modo, i benefici vengono convalidati e mantenuti in esercizio, con un buon rapporto effetto/complessità e un impatto limitato sulle operazioni correnti.
Il I cofani proteggono le prese d’aria dai ritorni diretti e innalzano la traiettoria dei pennacchi, interrompendo le scorciatoie di aspirazione e riducendo le sacche calde ai piedi delle unità; le feritoie fungono da cuscinetto aeraulico, filtrando le interazioni laterali tra GE e i raffreddatori d’aria e guidando un apporto di aria più fredda verso gli scambiatori; anche l’ottimizzazione del flusso d’aria verso gli scambiatori è una priorità. La fila di destra, distribuendo gli scarichi (alternando moduli più e meno emissivi), mira auniformare i carichi e a desincronizzare i getti per limitare la concentrazione locale. Insieme, questi elementi formano una catena coerente di azioni sull’area tecnica a terra, che migliora la qualità dell’aria in ingresso, riduce la sensibilità ai venti di rovesciamento, rafforza la resistenza del raffreddamento e facilita la manutenzione grazie a campi di flusso più leggibili.
Variante per il bilanciamento della generazione di calore nei raffreddatori ad aria
Distribuzione della generazione di calore in un refrigeratore verde, 1/3 del calore viene recuperato dall’aria, mentre in quello rosso 2/3 della potenza il che significa che l’elevata produzione di calore è concentrata vicino alla parete.
Un modo per ridurre il ricircolo di calore è quello dialternare il posizionamento dei refrigeratori perottimizzare la produzione di calore.
Questo tipo di configurazione sarà quindi studiata in un secondo momento, quando le coperture saranno posizionate, e solo nella zona destra.
Risultati degli studi CFD: innovazioni e soluzioni sostenibili per ottimizzare il raffreddamento dei data center
Zona sinistra - Studio delle temperature di aspirazione del raffreddatore d'aria
Nella configurazione di riferimento, il looping ai piedi delle unità è chiaramente visibile: l’aria calda espulsa viene respinta dagli ostacoli vicini, rimane a contatto con le unità di aspirazione e degrada la qualità dell’aria che entra nei raffreddatori d’aria. Le linee di flusso mostrano scorciatoie di aspirazione e zone a bassa velocità che stabilizzano le sacche calde all’altezza delle griglie, soprattutto in determinate condizioni di vento e in prossimità delle pareti. L’aggiunta di cofani riduce questo involucro e innalza la traiettoria dei pennacchi, limitando il ricircolo immediato; tuttavia, le ombre aerauliche persistono ai bordi dell’apparecchiatura, dove il flusso non è sufficientemente energizzato e conserva un’eterogeneità residua.
Con lacombinazione di cofani e feritoie, la zona è moltopiù pulita: i cofani forniscono la principale deviazione dello scarico, mentre le feritoie fungono da cuscinetto aeraulico, filtrando le interazioni laterali e incanalando un apporto di aria più fredda verso le prese d’aria. Le mappe di temperatura e i tracciati di corrente mostrano una riduzione significativa del ricircolo, una decorrelazione tra mandata e aspirazione e un’omogeneizzazione delle velocità di avvicinamento in prossimità degli scambiatori. La lettura qualitativa passa quindi da un alto livello di ricircolo termico a un basso livello sulla maggior parte del settore, con una sensibilità ancora percepibile sui bordi liberi – compatibile con ilfunzionamento e controllabile con un pilotaggio attento durante i regimi di vento più sfavorevoli.
Confronto dei piani di temperatura prima e dopo l'ottimizzazione di EOLIOS
Zona centrale - Studio della dissipazione del calore dei generatori
La zona centrale è meno soggetta al ricircolo termico. La miscelazione indotta intorno ai gruppi elettrogeni crea un volume di scambio più energetico che disaccoppia efficacemente gli scarichi principali dalle aspirazioni vicine e favorisce una rapida diluizione dei pennacchi. In presenza di venti prevalenti, le linee di flusso seguono la morfologia locale – corridoi di flusso, spazi laterali, stalli – che limita la formazione di zone persistenti a bassa velocità. Di conseguenza, le mappe di velocità dell’aria mostrano traiettorie stabili e leggibili, con gradienti controllati alle prese d’aria.
In queste condizioni, il ricircolo rimane moderato, confermando che le priorità d’intervento devono essere concentrate alle estremità dell’area tecnica, dove gli effetti dell’involucro e delle pareti generano ritorni più marcati. Al centro è quindi opportuno adottare un approccio più leggero: mantenere un flusso d’aria omogeneo, tenere d’occhio i bordi liberi e fare controlli a campione durante i venti di rovesciamento o i regimi transitori della macchina. Questa calibrazione minimalista garantisce la coerenza aeraulica del settore, preservando la flessibilità operativa e la facilità di manutenzione.
Zona destra - Studio della distribuzione del calore nel lato di aspirazione dei raffreddatori d'aria
Nella configurazione iniziale, la zona destra presenta un’aspirazione eterogenea con ritorni termici più pronunciati, soprattutto in prossimità di punti difficili (pareti, schermi e cambi di sezione). Le cappottature forniscono un vantaggio iniziale abbassando la chiusura e aumentando la traiettoria dei pennacchi, riducendo così le scorciatoie di aspirazione verso le prese d’aria. L‘ottimizzazione attraverso il ribilanciamento degli scarichi – basata sull’alternanza di moduli più e meno emissivi e sulla desincronizzazione dei getti – uniforma il carico e stabilizza i campi di aspirazione; la sensibilità alle variazioni diincidenza del vento si riduce e le linee di flusso diventano più chiare, con gradienti meglio distribuiti lungo la linea.
A seconda del settore, si è verificata una riduzione significativa delle aree di ricircolo termico, anche se ci sono ancora frange ai bordi che richiedono attenzione in caso di eventi ventosi estremi. Queste aree residue possono essere gestite con un controllo accurato (condizioni di apertura, sequenze di avvio) e, se necessario, con piccoli aggiustamenti operativi per evitare qualsiasi ricircolo localizzato. Il risultato complessivo è un miglioramento robusto e sostenibile, ottenuto senza aumentare l’onere delle operazioni correnti: il sistema diventa più resistente, la qualità dell’aria in ingresso si stabilizza e la manutenzione è più semplice grazie a campi di flusso più omogenei e prevedibili.
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 facilmente immaginabili e poco costose, come la ricollocazione dei sistemi o l’installazione di involucri. Sono state discusse anche soluzioni più costose, come la creazione disbocchi per evacuare i pennacchi 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.
Scopri di più su questo argomento:
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
Scopri altri progetti di data center
Simulazione e ottimizzazione dei pennacchi termici – Centro dati
Ingegneria dell’estrazione del fumo in un centro dati
CFD esterna e interna – Data Centre Hyperscale
Ottimizzazione CFD – Centro dati
Centro dati – DC28 – Interno
Studio delle perdite di pressione – Generatore – Centro dati
Centro dati – PA 22 – Esterno
Locali tecnici – Centro dati
Ottimizzazione del raffreddamento – Centro dati
Centri dati – DC15.1 e DC15.2 – Esterno
Centro dati – Parigi
Centro dati – GAZ NOVEC
Centro dati – DC17 – Interno
Centro dati – DC25 – Interno
Centro dati – DC25 e DC26 – Esterno
Centro dati – D14 – Esterno
Centro dati – DC10 – Interno
DC23 – Esterno
Centro dati – DC17 – Esterno
