CFD externe & interne – Data Center Hyperscale
La mission réalisée par EOLIOS ingénierie : expertise en simulation CFD et refroidissement
L’expertise d’EOLIOS en simulation CFD (Computational Fluid Dynamics) et en optimisation des systèmes de refroidissement a joué un rôle crucial dans la résolution du défi thermique d’un centre de données hyperscale de plusieurs dizaines de mégawatts. Notre savoir-faire nous permet d’améliorer l’efficacité énergétique et de garantir des performances optimales, en assurant une gestion thermique efficace et durable pour ces infrastructures complexes.
CFD externe & interne - Data Center Hyperscale
Année
2025
Client
NC
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Datacenters hyperscale : une révolution dans l'hébergement et la gestion des données
L'objectif d'un datacenter hyperscale : optimisation et évolutivité
Les datacenters hyperscale sont des installations spécialement conçues pour répondre aux besoins des géants de la technologie, tels qu’Amazon, Google et Microsoft, qui nécessitent une capacité de calcul et de stockage à très grande échelle. Ces datacenters se distinguent par leur immense échelle opérationnelle, souvent capables d’héberger des dizaines à des centaines de milliers de serveurs. Cette échelle leur permet de gérer efficacement des volumes massifs de données et de fournir des services à des millions d’utilisateurs dans le monde entier.
Propriétés clés des datacenters hyperscale : modularité, automatisation et efficacité énergétique
L’un des principaux atouts des datacenters hyperscale réside dans leur efficacité énergétique. Ils intègrent des systèmes de refroidissement de pointe et des technologies de gestion énergétique qui minimisent la consommation d’énergie tout en maximisant les performances. Cela comprend l’utilisation de systèmes de refroidissement par air libre, de puits géothermiques ou de refroidissement liquide, visant à réduire l’empreinte carbone et à optimiser les coûts d’exploitation.
La flexibilité et l’évolutivité sont au cœur du concept hyperscale. Ces datacenters peuvent être rapidement et facilement étendus pour répondre aux croissances de la demande, grâce à une infrastructure modulaire faite de composants standardisés. Ce cadre modulaire permet non seulement une maintenance simplifiée mais aussi des mises à niveau régulières sans impact majeur sur le fonctionnement global.
L’automatisation joue un rôle crucial dans l’efficacité opérationnelle des datacenters hyperscale. Des systèmes automatisés supervisent et gèrent presque toutes les facettes des opérations quotidiennes, réduisant ainsi la nécessité d’interventions humaines constantes et minimisant les risques d’erreurs humaines. Cette automatisation comprend la gestion des serveurs, le suivi de la consommation d’énergie et la maintenance préventive.
En somme, grâce à leur vaste capacité, leur efficacité énergétique, leur flexibilité, leur évolutivité et leur utilisation intensive de l’automatisation, les datacenters hyperscale offrent des solutions extrêmement efficaces et économiques. En réduisant les coûts unitaires par service, ces installations deviennent essentielles pour les entreprises cherchant à soutenir des services numériques mondiaux et à répondre aux demandes croissantes des utilisateurs pour des services cloud robustes et fiables.
L'enjeu des études CFD l’optimisation des datacenters hyperscale
La réalisation d’une étude CFD (Computational Fluid Dynamics) est cruciale pour ces datacenters hyperscale afin d’optimiser la circulation de l’air et le refroidissement, minimisant ainsi la consommation énergétique tout en maximisant l’efficacité thermique.
- Refroidissement : Les simulations CFD permettent de modéliser les flux d’air et de chaleur dans les datacenters. Cela aide à optimiser le placement des serveurs, la disposition des racks et les systèmes de ventilation pour garantir un refroidissement efficace et réduire les coûts énergétiques.
- Consommation d’énergie : En analysant les flux d’air et la distribution thermique, les études CFD peuvent identifier des stratégies pour améliorer l’efficacité énergétique. Cela peut inclure l’optimisation des systèmes de refroidissement existants ou la conception de nouvelles méthodes plus durables.
- Gestion des ressources : Les modèles CFD participent à prévoir les performances des systèmes de climatisation et aider à mieux anticiper les besoins en énergie et refroidissement, facilitant ainsi la gestion efficace des ressources.
- Sécurité : La CFD est utilisée pour simuler et planifier la gestion des risques en cas de surchauffe ou panne de système, en aidant à la conception de systèmes de secours, de désenfumage et de départs d’incendies.
En intégrant des analyses CFD à la conception, les datacenters hyperscales peuvent améliorer leur efficacité opérationnelle, réduire leur impact environnemental et renforcer leur sécurité, en s’appuyant sur des données précises et des simulations pour consolider les décisions liées au climat et à l’énergie.
Chez EOLIOS ingénierie, nous avons pleinement saisi l’importance de ces simulations pour concevoir des systèmes de refroidissement efficients. Grâce à notre expertise en CFD, nous aidons à garantir des opérations fluides et efficaces, réduisant les coûts et contribuant à la durabilité environnementale des datacenters hyperscales.
Étude interne : réduction des risques de surchauffe par l’utilisation de la CFD
La CFD, une alliée pour l'efficacité énergétique des data halls
L’optimisation des data halls dans les datacenters est cruciale, et l’utilisation de la simulation numérique (CFD) y joue un rôle clé. En analysant 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 efficaces. Elle aide à identifier les points chauds, optimiser la circulation de l’air et réduire les coûts énergétiques en ajustant précisément la climatisation et la disposition des racks. Ainsi, une utilisation judicieuse de la CFD garantit non seulement une meilleure performance opérationnelle et une fiabilité accrue des systèmes, mais elle contribue également à diminuer l’empreinte carbone des datacenters, répondant ainsi aux exigences environnementales croissantes.
Composition et fonctionnement d’un data hall : racks, systèmes de refroidissement et de distribution d’énergie
Un data hall de datacenter est une zone dédiée à l’hébergement d’équipements informatiques cruciaux pour le traitement et le stockage des données. Il est composé principalement de racks, qui abritent des serveurs, des unités de stockage et des commutateurs pour la gestion du réseau.
Les racks sont souvent disposés en rangées organisées en allées chaudes et froides, une configuration qui optimise le flux d’air et le refroidissement en 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 optimales et stables, malgré la chaleur générée par les serveurs en fonctionnement.
Pour garantir une alimentation électrique fiable, le data hall dispose de systèmes de distribution d’énergie redondants, souvent appuyés par des générateurs de secours et des onduleurs (UPS) qui assurent une alimentation continue en cas de coupure.
Des capteurs intelligents surveillent en permanence les conditions environnementales, comme la température et l’humidité, ainsi que les performances des équipements, permettant aux administrateurs de réagir rapidement aux anomalies et de garantir un fonctionnement optimal.
Optimisation thermique interne des data centers : défis et solutions par EOLIOS ingénierie
Dans cette étude approfondie, un problème de surchauffe a été identifié dans la section gauche du data hall, crucial pour le bon fonctionnement de l’ensemble du datacenter. Cette surchauffe se produit lorsque deux systèmes de refroidissement tombent simultanément en panne. Les racks situés dans cette portion du hall peuvent alors atteindre des températures de 35°C, bien au-delà de la consigne maximum de 28°C. Ces conditions compromettent non seulement la performance mais également la fiabilité des équipements, augmentant ainsi le risque de défaillances qui pourraient affecter l’intégrité des données et la continuité des services.
La situation est davantage complexifiée par l’installation de grilles anti-effraction et la configuration spatiale de la salle, qui génèrent une répartition inégale de la pression.
Plan des températures et pression interne du data center selon différents scénarios avant optimisation
Une zone de surpression notable se forme au niveau des allées chaudes du côté gauche du hall, entravant l’évacuation efficace de l’air chaud généré par les serveurs. Ce déséquilibre crée un phénomène de recirculation où l’air chaud est réintroduit dans le système, aggravant le problème par un processus de bouclage, et augmentant le débit de fuite de l’allée chaude, accélérant ainsi la montée des températures.
La répartition inégale des racks est un autre facteur contributif, puisque les systèmes de refroidissement défaillants sont censés traiter la charge thermique élevée de l’îlot de racks le plus éloigné, rendant ce secteur particulièrement vulnérable.
Pour aborder ce défi complexe, les ingénieurs d’EOLIOS ont élaboré et proposé une série de solutions innovantes. Grâce à des discussions approfondies et une communication efficace avec le client, ils ont pu analyser les options proposées et déterminer la meilleure approche pour atténuer ce problème. Cette solution a été mise en œuvre en accord avec toutes les parties prenantes, garantissant ainsi une réponse optimale et durable aux enjeux identifiés dans le data hall.
Étude interne : réduction des risques de surchauffe par l’utilisation de la CFD
Optimisation des systèmes de refroidissement : améliorer l'efficacité et la durabilité des datacenters
L’optimisation des systèmes de refroidissement, tels que les groupes froids et les groupes électrogènes, est essentielle pour garantir la performance des centres de données. Avec des densités élevées de serveurs et d’équipements électroniques, pouvant excéder 10 kW par rack, la gestion thermique devient un défi majeur. Une surchauffe non contrôlée peut entraîner des pannes matérielles, une baisse de la fiabilité et de la disponibilité des services, et une dégradation prématurée des équipements.
Par conséquent, l’optimisation des systèmes de refroidissement ne se limite pas à maintenir une température stable et appropriée ; elle est également cruciale pour réduire les coûts énergétiques, qui représentent une part importante des dépenses opérationnelles des data centers. De plus, en minimisant la consommation d’énergie, cette optimisation permet de réduire l’empreinte carbone des installations, ce qui est en ligne avec les exigences de durabilité environnementale croissantes dans le secteur. Les simulations numériques réalisées ont permis de fournir des informations détaillées notamment sur les températures des systèmes pour différents scénarios.
Composition des systèmes critiques d'un datacenter : aérorefroidisseurs et groupes électrogènes
Les data centers, véritables centres névralgiques des infrastructures numériques modernes, nécessitent un ensemble d’équipements sophistiqués pour fonctionner efficacement. Parmi ces équipements, les aérorefroidisseurs et les groupes électrogènes jouent un rôle crucial.
En effet, un aérorefroidisseur est un équipement essentiel dans les data centers, conçu pour dissiper la chaleur générée par les équipements informatiques en fonctionnement. C’est un échangeur de chaleur AIR-EAU. Il fonctionne en utilisant l’air extérieur pour extraire la chaleur des systèmes de refroidissement, évitant ainsi une accumulation excessive de chaleur. En assurant un flux constant d’air frais, les aérorefroidisseurs contribuent à la stabilité thermique des installations, permettant ainsi de préserver l’intégrité des équipements et de réduire les coûts énergétiques liés à la climatisation.
Les groupes électrogènes sont également des dispositifs critiques dans les data centers, assurant une alimentation électrique de secours en cas de panne du réseau principal. Leur rôle est de fournir une source d’énergie fiable et continue pour éviter toute interruption des opérations, ce qui est vital pour la disponibilité des services et la protection des données. En cas de coupure de courant, les groupes électrogènes se mettent en marche automatiquement, prenant en charge la charge électrique des équipements et des systèmes de refroidissement du data center. Grâce à ces groupes électrogènes, les data centers peuvent maintenir une haute disponibilité et résilience face aux aléas de l’alimentation électrique, garantissant ainsi une continuité de service indispensable aux infrastructures numériques modernes.
Composition des systèmes critiques d'un datacenter : aérorefroidisseurs et groupes électrogènes
Dans le cadre de chaque étude, EOLIOS Ingénierie réalise un modèle 3D détaillé, essentiel pour les simulations CFD. Pour ce projet, le modèle 3D intègre l’ensemble des systèmes ainsi que les éléments influençant l’aéraulique, telle que les aérorefroidisseurs et les groupes électrogènes.
Le modèle est élaboré à partir des maquettes 3D fournies, des plans du site, et des fiches techniques des équipements. Les fiches techniques permettent de déterminer les caractéristiques essentielles, comme les débits d’air et les puissances dissipées, garantissant que chaque composant du système est fidèlement représenté dans la simulation. La création de ce jumeau numérique permet une analyse précise et détaillée des conditions de fonctionnement des systèmes de refroidissement et facilite l’identification des points d’amélioration potentiels.
Les ingénieurs d’EOLIOS se distinguent par leur expertise approfondie en maillage et convergence, des éléments essentiels pour la précision et la fiabilité des simulations numériques, en particulier dans des environnements complexes comme les data centers. Un maillage de qualité est crucial, car il détermine la façon dont l’espace de simulation est subdivisé en éléments discrets, impactant directement la précision des résultats. Un maillage fin et bien structuré permet de capturer avec précision les variations de flux d’air et les gradients de température, ce qui est indispensable pour modéliser correctement les phénomènes aérauliques tels que les bouclages. De plus, un bon maillage favorise une meilleure convergence des calculs, assurant que les résultats obtenus sont stables et représentatifs des conditions réelles. Grâce à leur savoir-faire, les ingénieurs d’EOLIOS optimisent le maillage pour garantir des simulations robustes et fiables, permettant ainsi de développer des solutions précises et efficaces pour le refroidissement des data centers et autres environnements critiques.
Analyse CFD et conditions météorologiques
Pour simuler des conditions de fonctionnement réalistes, une analyse météorologique approfondie a été effectuée en se basant sur les relevés de la station météo la plus proche du site. Cette analyse permet de déterminer les variables clés telles que la température extérieure, la vitesse, et l’orientation du vent, qui influencent significativement le comportement thermique du data center. En intégrant ces données dans la simulation CFD, EOLIOS peut évaluer avec précision les performances des systèmes de refroidissement dans des scénarios réels, assurant ainsi que les solutions proposées sont adaptées aux conditions spécifiques du site.
Les scénarios élaborés lors de ce projet sont les suivants :
- L’influence de différentes orientations de vents principaux.
Pour l’orientation de vent la plus défavorable, deux modèles d’extraction des groupes électrogènes ont été étudiés :
- Extraction avec rejet à hauteur du groupe électrogène.
- Extraction avec une cheminée de 3 mètres permettant de rejeter plus haut. L’objectif de ce conduit est de réduire le bouclage des groupes électrogènes sur eux même.
Résultats des études CFD : innovations et solutions durables pour l’optimisation du refroidissement du datacenter hyperscale
Étude des vents dominants : stratégie pour réduire les phénomènes de bouclage entre les aérorefroidisseurs
Suite à l’analyse météorologique, deux vents dominants ont été identifiés. Les deux vents majoritaires ont été simulés. Les résultats de ces études ont mis en évidence différents phénomènes aérauliques impactant les températures et l’amenée d’air pour les systèmes. Des phénomènes de bouclages entre les systèmes ont été identifiés et entraînent une augmentation des températures en aspiration des aérorefroidisseurs. Les calories évacuées sont réaspirées par les mêmes systèmes ou les systèmes environnants.
Ces phénomènes ont principalement été identifiés sur les premiers aérorefroidisseurs exposés au vent. En effet, le vent favorise le rabattage des panaches thermiques, ce qui amplifie les phénomènes de bouclage. Sur le reste de la toiture, le phénomène est plus réduit et localisé. Il est dans ce cas principalement dû à un manque d’apport d’air entraînant une aspiration des systèmes en partie haute.
La densité de systèmes en toiture est également favorable à l’apparition de ces phénomènes. En effet, les puissances dégagées par m2 sont particulièrement importantes sur ce data center et contribuent à une hausse globale des températures. De plus, la multiplication des systèmes en toiture limite également la circulation de l’air et favorise l’apparition de zones de faibles vitesses propice à une stagnation de calorie. Ces zones de stagnation ont notamment été identifiées autour des transformateurs. Les températures autour de ces systèmes sont de l’ordre de 50°C.
Afin de réduire les phénomènes de bouclage, une étude avec l’ajout d’un capotage sur les systèmes a été réalisée. L’ajout d’un capotage opaque permet de supprimer l’aspiration des systèmes en partie haute chargée en calories. Les températures relevées avec cette nouvelle conception ont été réduites de près de 2°C. En conséquence la perte de puissance froide a également été diminuée, améliorant ainsi l’efficacité globale des systèmes de refroidissement.
Etude de différents modèles d’extraction pour l’optimisation des systèmes de refroidissement
L’une des orientations du vent sur le site s’avère particulièrement défavorable pour les systèmes de refroidissement. Ce vent dirige les rejets des groupes électrogènes, situés à proximité du bâtiment, directement vers la toiture où se trouvent les aérorefroidisseurs. En conséquence, les panaches de chaleur émis par les groupes électrogènes sont aspirés par les groupes froids, provoquant une élévation des températures d’aspiration et affectant leur performance. De plus, cette orientation de vent peut également entraîner un bouclage des groupes électrogènes sur eux-mêmes, engendrant des risques similaires à ceux observés pour les aérorefroidisseurs. Une étude spécifique a donc été réalisée pour analyser l’ampleur de ces phénomènes.
Malgré la faible récurrence de ce vent défavorable, il est nécessaire de prendre en compte cette orientation de vent aux vues des risques de forte hausse de température que pourrait entraîner un bouclage des groupes électrogènes sur les aérorefroidisseurs.
Les résultats initiaux ont mis en évidence un phénomène de bouclage des groupes électrogènes sur eux-mêmes. Bien que l’ajout d’un conduit d’évacuation de 3 mètres ait permis de réduire partiellement ce phénomène, il reste encore présent en raison d’un apport insuffisant d’air frais en aspiration des systèmes, ce qui accroît l’aspiration d’air chaud en partie haute.
Également, le rejet des groupes électrogènes impacte fortement les températures en aspiration des aérorefroidisseurs en toiture. En effet, les panaches des groupes électrogènes sont aspirés par les groupes froids. En plus de ce phénomène, un bouclage des groupes froids sur eux-mêmes a également été mis en évidence. Le cumul de ces deux phénomènes entraîne une augmentation notable de température, risquant de mettre les systèmes en défaut.
Pour atténuer ces impacts, une étude a également été menée en tenant compte du vent défavorable et de l’ajout d’un capotage sur les systèmes. Cette solution a permis de réduire considérablement les températures moyennes d’aspiration des groupes froids, avec une diminution de près de 4°C à 5°C. L’ajout du capotage a supprimé le bouclage entre les groupes froids, améliorant ainsi leur efficacité. Toutefois, les rejets des groupes électrogènes continuent d’impacter les groupes froids en toiture, bien que la perte de puissance ait été réduite grâce à cette conception.
Analyse de la puissance froide disponible pour le datacenter hyperscale
Les aérorefroidisseurs sont conçus pour fournir la puissance de refroidissement nécessaire aux salles data halls, en maintenant des conditions optimales pour le fonctionnement des équipements informatiques. Cette puissance froide est garantie pour un fonctionnement en conditions « standard », c’est-à-dire pour des températures d’aspiration inférieures à un seuil prédéfini. Lorsque ce seuil de température est dépassé, les performances des systèmes de refroidissement diminuent et ils ne sont plus capables de fournir la pleine puissance requise, ce qui peut affecter la fiabilité et l’efficacité du refroidissement global.
Pour remédier à ce problème, EOLIOS a mené une étude afin de quantifier la perte de puissance froide en fonction des relevés de température d’aspiration des systèmes.
Ces simulations ont permis d’évaluer et de comparer les différentes solutions envisageables pour optimiser les performances des aérorefroidisseurs dans des conditions variées.
La solution proposée par EOLIOS s’est révélée particulièrement efficace, permettant de diviser par 5 la perte de puissance par rapport à la conception initiale. Cette amélioration significative contribue non seulement à garantir une meilleure stabilité thermique dans les data halls, mais aussi à optimiser l’efficacité énergétique des installations, réduisant ainsi les coûts d’exploitation et les risques liés à la surchauffe des équipements.
Expertise d’EOLIOS ingénierie dans la résolution des problèmes thermo-aéraulique des datacenters
Des recommandations adaptées à chaque projet
Fort de son expertise en simulation numérique, et plus particulièrement en simulation externe de data centers, EOLIOS a pu proposer diverses solutions adaptées au projet pour atténuer les phénomènes de bouclage. Des solutions facilement envisageables et peu coûteuses comme une nouvelle implantation des systèmes ou l’installation de capotage ont été envisagées. Des solutions plus coûteuses ont également été évoquées telles que la création d’exutoires permettant d’évacuer les panaches en hauteur. Après consultation avec notre client, certaines solutions ont été retenues pour une nouvelle étude CFD. Les solutions retenues ont été rigoureusement simulées. Elles ont permis de réduire de manière significative les températures d’aspiration des systèmes, améliorant ainsi leur efficacité. Une conception avec une nouvelle implantation des systèmes et l’installation de capotage sur les groupes froids a été retenue aux vues des résultats et du coût de mise en place.
L’analyse détaillée de la puissance froide disponible a également permis de quantifier précisément les bénéfices de chaque solution, offrant une évaluation claire de l’impact sur la performance des systèmes de refroidissement.
Grâce à cette étude, EOLIOS a permis d’optimiser la conception des systèmes en toiture. Cette optimisation va permettre de réduire les risques de pannes des systèmes ainsi que la perte de puissance liée aux fortes chaleurs. De plus, la conception permettra de réduire chaque année les coûts liés à l’énergie pour le fonctionnement des systèmes de refroidissement. Une étude plus approfondie permettrait également de chiffrer l’économie liée à cette conception optimisée.
Synthèse vidéo de l'étude
Résumé de l'étude
L’étude menée par EOLIOS ingénierie se concentre sur l’optimisation thermique des datacenters hyperscale, en utilisant des simulations CFD (Computational Fluid Dynamics). Cette approche permet d’améliorer la circulation de l’air et l’efficacité des systèmes de refroidissement, ce qui réduit la consommation d’énergie et l’empreinte carbone. Les datacenters hyperscale, utilisés par des géants technologiques comme Amazon et Google, nécessitent des solutions modulaires, automatisées et durables. EOLIOS a identifié des problèmes comme la surchauffe et les bouclages, et a proposé des solutions telles que l’installation de capotages pour atténuer ces phénomènes. L’intégration de jumeaux numériques pour des simulations précises a permis d’envisager des améliorations significatives. En collaborant étroitement avec les clients, EOLIOS a optimisé la configuration des systèmes de refroidissement, augmentant leur efficacité tout en diminuant les coûts énergétiques. Cette étude démontre l’impact crucial des simulations CFD sur la performance et la durabilité des datacenters modernes.
Synthèse vidéo de la mission
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