Étude data center –
Data Hall et Locaux UPS.

Data centers : une révolution dans l'hébergement et la gestion des données

L'objectif des data centers : optimisation et résilience thermique

L'impact des panaches thermiques à l'extérieur du bâtiment est difficile à prévoir en raison des différentes variables que les ingénieurs de conception et les architectes ne sont pas en mesure de contrôler. Ces variables comprennent la vitesse du vent, la température de l'air, la direction du vent (analysée via la rose des vents locale) et la topologie des structures environnantes.

Cependant, ces phénomènes de recirculation (ou bouclage thermique) ont un impact direct sur les performances des équipements de refroidissement positionnés en toiture.

EOLIOS vous accompagne dans l'étude de l'impact de ces problématiques aérauliques pour assurer un fonctionnement optimal en toutes circonstances, même les plus extrêmes (scénarios de vents défavorables ou pannes).

Propriétés clés : haute densité, résilience et efficacité énergétique

Sur ce site, cela comprend l'utilisation de larges réseaux d'aérorefroidisseurs et l'optimisation de l'ingénierie hydraulique (ballons tampons), visant à garantir l'évacuation durable de la chaleur et à optimiser les coûts d'exploitation. La flexibilité et la sécurité sont au cœur de la conception.

Ces data centers sont conçus avec une infrastructure redondante (modes N+1 et N) pour maintenir le refroidissement face aux aléas. Ce cadre hautement sécurisé permet non seulement une maintenance simplifiée mais aussi un fonctionnement continu, même en cas de coupure de courant (Blackout), grâce à l'activation des groupes électrogènes de secours et des locaux UPS.

L'anticipation numérique joue un rôle crucial dans l'efficacité opérationnelle de ces data centers. Le jumeau numérique ultra-détaillé modélise les flux et gère virtuellement les opérations critiques, réduisant ainsi les risques de dysfonctionnements thermiques liés à l'environnement extérieur. Cette modélisation inclut l'analyse des cheminées de rejet, la dispersion des fumées et l'impact du bâti.

En somme, grâce à leur vaste capacité, leur efficacité de refroidissement en toiture, leur redondance électrique et l'utilisation intensive de la simulation CFD, les data centers offrent des solutions extrêmement robustes. En prévenant les surchauffes localisées, ces installations deviennent essentielles pour les entreprises cherchant à soutenir des services numériques mondiaux continus et fiables.

L'enjeu des études CFD : l'optimisation des data centers

La réalisation d'une étude CFD (Computational Fluid Dynamics) est cruciale pour les data centers afin d'optimiser l'aéraulique externe et le refroidissement, minimisant ainsi les risques de recirculation de l'air chaud tout en maximisant l'efficacité thermique.

• 01

  Refroidissement : les simulations CFD modélisent les panaches thermiques et les flux d'air extérieurs autour du data center. Cela aide à valider l'implantation des systèmes en toiture, la disposition des cheminées de rejet et des aérorefroidisseurs pour garantir un refroidissement efficace et éviter le bouclage thermique.

• 02

  Consommation d'énergie : en analysant les vents et la dispersion thermique externe, les études CFD identifient des points de vigilance pour préserver l'efficacité énergétique : rabattement de la chaleur face aux obstacles du bâti, prévention des surchauffes localisées en toiture.

• 03

  Gestion de la résilience : les modèles CFD valident le comportement des installations lors de phases critiques : optimisation des ballons tampons et analyse transitoire lors d'un Blackout, facilitant la continuité de service des ressources de refroidissement.

• 04

  Sécurité et secours : la CFD simule le mode dégradé en cas de panne du réseau électrique, en vérifiant la robustesse des systèmes de secours (modes N+1 et N). Elle valide notamment la bonne dispersion des fumées issues des groupes électrogènes.

En intégrant ces analyses CFD dès la conception, les data centers peuvent améliorer leur efficacité opérationnelle, anticiper l'impact de leur environnement météorologique direct et renforcer leur sécurité, en s'appuyant sur un jumeau numérique précis pour consolider les décisions d'aménagement.

Chez EOLIOS Ingénierie, nous avons pleinement saisi l'importance de ces simulations externes pour sécuriser des systèmes de refroidissement massifs. Grâce à notre expertise CFD, nous validons le fonctionnement global du site, réduisant les risques à long terme et contribuant à la durabilité des data centers.

Étude interne : réduction des risques de surchauffe grâce à la CFD

La CFD, un atout pour l'efficacité énergétique des data halls

L'optimisation des data halls dans les data centers est essentielle, et la simulation numérique CFD y joue un rôle majeur. En modélisant les flux d'air, la répartition de la température et l'interaction entre les équipements, la CFD permet de concevoir des systèmes de refroidissement plus performants. Elle identifie les points chauds, améliore la circulation de l'air et réduit les coûts énergétiques en ajustant précisément la climatisation et l'agencement des racks. Une utilisation stratégique de la CFD assure non seulement une meilleure performance opérationnelle et une fiabilité accrue des équipements, mais contribue également à réduire l'empreinte carbone des data centers.

Composition et fonctionnement d'un data hall : racks, refroidissement et distribution d'énergie

Un data hall est une zone dédiée à l'hébergement des équipements informatiques essentiels au traitement et au stockage des données. Il se compose principalement de racks contenant serveurs, unités de stockage et commutateurs réseau. Pour optimiser le refroidissement, les racks sont souvent disposés en allées chaudes et froides, séparant l'air chaud expulsé de l'air frais destiné à refroidir les équipements.

Les systèmes de refroidissement incluent des climatiseurs de précision ou des refroidisseurs à eau, conçus pour maintenir des températures stables malgré la chaleur générée par les serveurs. La distribution électrique repose sur des systèmes redondants, soutenus par des onduleurs (UPS) et des générateurs de secours, garantissant une alimentation continue en cas de coupure. Enfin, des capteurs intelligents surveillent en permanence la température, l'humidité et les performances des équipements.

Optimisation thermique interne : défis et solutions par EOLIOS Ingénierie

Dans cette étude, un problème de surchauffe a été identifié dans la partie gauche du data hall, zone cruciale pour le bon fonctionnement du data center. Cette surchauffe survient lorsque deux systèmes de refroidissement tombent simultanément en panne, et les racks concernés peuvent atteindre 35 °C, dépassant largement la limite maximale de 28 °C. Ces conditions compromettent la performance et la fiabilité des équipements, augmentant le risque de défaillances pouvant impacter l'intégrité des données et la continuité des services.

La configuration de la salle et l'installation de grilles anti-effraction accentuent le problème en créant une répartition inégale de la pression. Une surpression se forme dans les allées chaudes du côté gauche, empêchant l'évacuation efficace de l'air chaud et provoquant un phénomène de recirculation, où l'air chaud retourne dans le système, accélérant la montée des températures.

La répartition inégale des racks contribue également au problème, car les systèmes de refroidissement défaillants doivent gérer la charge thermique d'un îlot de racks éloigné, rendant ce secteur particulièrement vulnérable. Pour résoudre ce défi, les ingénieurs d'EOLIOS ont conçu plusieurs solutions innovantes. Grâce à un dialogue approfondi avec le client, ils ont évalué les options et sélectionné la stratégie la plus efficace, mise en œuvre en collaboration avec toutes les parties prenantes.

Étude externe : sécuriser le refroidissement en toiture

Optimisation des systèmes de refroidissement : efficacité et durabilité

L'optimisation des systèmes de refroidissement, tels que les groupes froids et les groupes électrogènes, est essentielle pour assurer la performance et la fiabilité des centres de données. Avec des densités élevées de serveurs, pouvant dépasser 10 kW par rack, la gestion thermique devient un défi majeur. Une surchauffe non maîtrisée peut provoquer des pannes matérielles, diminuer la disponibilité des services et accélérer l'usure des équipements.

Ainsi, l'optimisation thermique ne consiste pas seulement à maintenir une température stable : elle contribue à réduire les coûts énergétiques et l'empreinte carbone des installations. Les simulations numériques offrent une vision détaillée des températures et des flux thermiques pour différents scénarios opérationnels.

Modélisation 3D et gestion thermique des data centers

Une modélisation 3D précise des infrastructures, comme la toiture d'un data center hyperscale équipée de capots de ventilation, permet de visualiser l'ensemble des systèmes critiques et leur interaction. La structure modélisée inclut les modules de capotage, les réseaux de ventilation, les passerelles d'accès et la disposition optimisée des unités de refroidissement. Ces modèles constituent la base des simulations CFD, essentielles pour analyser et optimiser la performance thermique.

Fonctionnement des systèmes critiques : aérorefroidisseurs et groupes électrogènes

Les aérorefroidisseurs jouent un rôle central dans la dissipation de la chaleur générée par les serveurs. Échangeurs AIR-EAU utilisant l'air extérieur, ils extraient la chaleur des systèmes de refroidissement et assurent un flux constant d'air frais. Leur implantation en toiture et leur dimensionnement doivent être soigneusement étudiés afin d'éviter tout phénomène de recirculation d'air chaud, susceptible de dégrader les performances thermiques.

Les groupes électrogènes fournissent une alimentation électrique de secours en cas de coupure du réseau principal. Grâce à un démarrage automatique, ils prennent en charge la charge électrique des équipements et des systèmes de refroidissement, assurant la continuité des services et la protection des données. Leur fonctionnement coordonné avec les onduleurs (UPS) garantit un approvisionnement stable et une haute disponibilité du data center.

Création du jumeau numérique et précision des simulations

Pour chaque projet, EOLIOS Ingénierie développe un modèle 3D détaillé intégrant tous les systèmes influençant l'aéraulique, comme les aérorefroidisseurs et les groupes électrogènes. Les plans du site, les maquettes 3D et les fiches techniques des équipements permettent de déterminer les caractéristiques essentielles telles que les débits d'air et les puissances dissipées.

Ce jumeau numérique permet d'analyser avec précision le fonctionnement des systèmes de refroidissement et d'identifier les points d'amélioration potentiels. Grâce à leur expertise en maillage et en convergence, les ingénieurs d'EOLIOS garantissent des simulations CFD fiables et robustes. Un maillage fin et structuré capture précisément les variations de flux d'air et de température, assurant des résultats stables et représentatifs des conditions réelles.

Analyse CFD et intégration des conditions météorologiques

Pour simuler des conditions réalistes, une analyse météorologique basée sur les relevés de la station la plus proche a été intégrée aux simulations. La température extérieure, la vitesse du vent et l'orientation du vent sont des variables critiques qui influencent le comportement thermique des installations. Les scénarios étudiés incluent différentes orientations de vent principal et l'impact sur les groupes électrogènes. Deux modèles d'extraction ont été comparés :

• 1

  Rejet à hauteur du groupe électrogène.

• 2

  Rejet via une cheminée de 3 mètres pour limiter le bouclage de l'air chaud et améliorer l'efficacité du refroidissement.

Résultats : validation et recommandations

Vents dominants : maîtriser les phénomènes de bouclage entre aérorefroidisseurs

L'analyse météorologique intégrée au modèle numérique a permis d'étudier la dispersion thermique selon diverses orientations de vent, en s'appuyant sur une rose des vents annuelle pour identifier les configurations les plus représentatives et les plus contraignantes. Les résultats montrent que la dispersion de la chaleur s'effectue de manière satisfaisante dans la majorité des situations étudiées.

Toutefois, l'analyse a mis en évidence des zones localisées où des phénomènes de bouclage thermique peuvent apparaître, principalement liés à la forte densité des équipements techniques en toiture. Sous certaines configurations, le vent favorise le retour de l'air chaud vers les prises d'air des systèmes de refroidissement. Bien que ces élévations de température restent limitées, localisées et sans impact critique sur le fonctionnement global du site, elles constituent des points de vigilance importants dans une logique d'optimisation.

Mode dégradé : impact maîtrisé des groupes électrogènes

L'étude a également permis d'analyser l'impact des groupes électrogènes, des cheminées de rejet et des installations électriques associées lors de scénarios critiques. La vérification de la robustesse des installations en modes dégradés (N+1 et N) est essentielle, particulièrement lors d'une analyse transitoire de type Blackout ou Ride-Through.

Contrairement à des sites nécessitant de lourdes modifications physiques, les simulations 3D montrent que les panaches thermiques issus des groupes électrogènes ne perturbent pas significativement le fonctionnement des systèmes de refroidissement en toiture. L'implantation des cheminées et la conception globale permettent une évacuation efficace des flux chauds. Les résultats confirment qu'il n'y a pas de contamination notable de l'air aspiré par les équipements sensibles.

Puissance froide disponible et recommandations d'exploitation

Dans les data centers modernes, les systèmes de refroidissement jouent un rôle central, et l'air aspiré doit rester suffisamment frais pour garantir leur efficacité. Pour optimiser ces performances, l'étude thermo-aéraulique externe s'est également penchée sur l'ingénierie hydraulique, notamment l'optimisation des ballons tampons et les phénomènes de stratification.

L'analyse confirme que le comportement thermique global du site est maîtrisé. Cependant, en raison des phénomènes de recirculation identifiés en toiture, les ingénieurs d'EOLIOS recommandent une vigilance particulière vis-à-vis de certaines configurations de vent. En s'appuyant sur la cartographie des points chauds et le jumeau numérique (Cloud Viewer), le projet bénéficie d'une approche anticipative qui sécurise la fiabilité, la performance et la durabilité des installations.

L'expertise d'EOLIOS face aux enjeux thermo-aérauliques externes

Des recommandations stratégiques et adaptées à la densité du projet

Fort de son expertise en simulation numérique, et plus particulièrement en aéraulique externe de data centers, EOLIOS a pu valider les choix de conception et proposer des recommandations adaptées pour surveiller les phénomènes de bouclage thermique en toiture. Au lieu d'imposer des modifications structurelles coûteuses, l'étude a confirmé la pertinence et la cohérence globale de l'implantation actuelle, y compris pour les groupes électrogènes.

L'analyse des différentes configurations de vent a permis d'identifier les conditions spécifiques favorisant le rabattement de l'air chaud vers les prises d'air. Les solutions retenues s'orientent vers une vigilance accrue lors de ces scénarios météorologiques, rigoureusement simulés dans le modèle 3D. Ces observations confirment que les élévations de température restent limitées, localisées et sans impact critique sur le fonctionnement des systèmes.

Grâce à cette étude, EOLIOS a sécurisé la conception des systèmes aérauliques en toiture dès la phase de conception. Cette optimisation anticipative réduit les risques de dysfonctionnements thermiques et les pertes de performances liées aux conditions extérieures défavorables. L'utilisation continue du jumeau numérique, notamment via le Cloud Viewer, accompagnera les décideurs tout au long du cycle de vie du site.