Optimisation CFD – Data Center.

Étude thermique et aéraulique d'un data center : expertise CFD

EOLIOS a réalisé une simulation CFD externe du refroidissement en toiture d'un data center, afin de valider sa conception et de maîtriser les bouclages thermiques entre groupes électrogènes et aérorefroidisseurs avant la mise en service.

Le défi thermique des data centers

Dans un contexte où les data centers à grande échelle se multiplient, la gestion des systèmes de refroidissement devient cruciale, en raison de l'augmentation de la densité des équipements informatiques, souvent supérieure à 10 kW par rack. L'enjeu principal est d'évacuer efficacement la chaleur dégagée par ces équipements haute densité. Chez EOLIOS, nous mettons notre expertise technique à votre service en réalisant des études de dynamique des fluides numérique (CFD) afin de modéliser et d'optimiser les échanges thermiques et aérauliques d'un data center.

Objectifs et périmètre de l'étude

Cette analyse s'intéresse spécifiquement aux panaches externes d'échappement des aérorefroidisseurs, des groupes électrogènes et des autres équipements situés en toiture. L'objectif est de vérifier si l'évacuation des rejets thermiques de ces systèmes risque de contaminer l'air d'alimentation par des boucles de recirculation. Nous simulons ainsi le comportement thermoaéraulique de ces panaches grâce à des calculs numériques CFD, afin d'assurer une gestion optimale de la température de l'air d'entrée et de prévenir tout problème d'interférence.

L'étude vise à valider la conception du bâtiment et l'emplacement des systèmes sur le toit, en vérifiant que les températures de l'air en entrée des refroidisseurs restent suffisamment basses et en identifiant les éventuels problèmes de recirculation. Elle couvre différents scénarios d'exploitation : températures élevées, directions de vent variées et démarrage des groupes électrogènes de secours. En cas de problème décelé, nous en identifions la cause et proposons des solutions correctives adaptées.

L'essentiel en chiffres

Données climatiques ASHRAE pour la CFD

Utilisation des normes pour une simulation CFD précise et efficace

Le bon paramétrage des conditions extérieures est fondamental pour optimiser la gestion thermique des data centers par simulation CFD. L'ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) constitue une référence internationale incontournable. En établissant des normes et en fournissant des données climatiques précises, elle permet aux ingénieurs et concepteurs d'adapter leurs systèmes de chauffage, ventilation, climatisation et réfrigération (HVAC-R) aux environnements réels. L'ASHRAE récolte des données météorologiques provenant de milliers de stations à travers le monde, garantissant fiabilité et précision grâce à des valeurs moyennes et extrêmes mesurées sur des décennies.

Ces données sont essentielles pour le dimensionnement adéquat des systèmes extérieurs. En prenant en compte les températures moyennes et extrêmes, elles aident à prévoir des scénarios réalistes, évitant ainsi le surdimensionnement et optimisant l'efficacité énergétique. Pour notre étude, les conditions climatiques locales sont définies grâce à la station météorologique la plus proche du site, qui fournit des informations cruciales — telles que les températures mensuelles et les relevés de vent — déterminantes pour établir les conditions météorologiques et les vents dominants.

Ainsi, en s'appuyant sur des données climatiques fiables et standardisées, nous pouvons dimensionner des systèmes extérieurs efficaces et durables, adaptés aux exigences des différentes conditions climatiques.

Modélisation 3D d'un data center pour la simulation thermoaéraulique

EOLIOS construit un jumeau numérique du data center et de son environnement immédiat, reproduisant fidèlement la géométrie du bâti, des équipements en toiture et des obstacles voisins susceptibles d'influencer l'écoulement de l'air. Ce modèle sert de support à l'ensemble des calculs.

De la donnée climatique au calcul CFD

Les scénarios simulés dans le cadre de l'étude externe sont les suivants :

• Scénario standard — avec vent majoritaire
• Scénario standard — avec vent défavorable
• Scénario critique — avec vent défavorable

Une surtoiture est présente aux sorties des refroidisseurs d'air pour minimiser les phénomènes de recirculation. Cette zone est délimitée par des parois équipées de panneaux acoustiques, et des ventelles sont présentes sur les parties basses de ces parois.

Les 26 groupes électrogènes se trouvent majoritairement au sud-ouest du bâtiment, à la fois sur le toit et répartis sur deux étages à l'intérieur. Afin de détourner les rejets thermiques des groupes électrogènes, 5 conduits de rejet sont installés en hauteur. L'admission de l'air frais pour les groupes électrogènes se fait au niveau de la façade sud-ouest du bâtiment, équipée de ventelles.

Pour ces 3 études, les groupes électrogènes sont activés afin de prendre en compte la situation la plus défavorable en termes de rejets calorifiques. Les unités de refroidissement, concentrées au nord-est du bâtiment, comprennent 30 refroidisseurs et 3 dry-coolers. La présence d'équipements auxiliaires sur le toit, tels que les unités de traitement d'air et les pompes à chaleur, a également été prise en compte.

Résultats de la simulation externe : validation de la conception

L'étude a analysé la conception extérieure du data center à travers trois scénarios critiques, fondés sur les variations de la direction du vent et la gestion des systèmes de refroidissement, tout en maintenant des conditions climatiques extrêmes selon les standards de l'ASHRAE.

Scénario 1 — Vent majoritaire, scénario standard (N)

Aucun phénomène marquant de recirculation d'air n'a été détecté pour ce scénario. Les simulations révèlent que la température mesurée à l'aspiration des unités de refroidissement reste proche de la température environnante, ce qui témoigne d'une conception optimisée de l'entrée d'air. La structure et la disposition du toit sont jugées excellentes dans ces conditions, garantissant une bonne régulation thermique.

Scénario 2 — Vent défavorable, scénario standard (N)

L'étude a mis en lumière une légère recirculation d'air au niveau des ventelles sud-ouest, principalement causée par l'obstruction partielle due aux gaines d'extraction des groupes électrogènes. Cependant, une zone centrale dégagée d'équipements offre un accès suffisant à l'air frais, ce qui contribue à atténuer ce phénomène. La température d'aspiration montre des hausses, notamment pour les systèmes situés au sud, mais demeure contrôlée. Les gaines d'extraction des groupes électrogènes assurent une déviation efficace de l'air chargé en calories, minimisant les interactions potentielles avec les aérorefroidisseurs.

Scénario 3 — Vent défavorable, scénario critique (N+X)

Les difficultés liées à la recirculation de l'air persistent, exacerbées par la réduction des vitesses de soufflage liée à la pleine capacité de fonctionnement. Cela accroît la propension à la recirculation d'air, particulièrement autour des ventelles en aval. Les températures d'aspiration affichent des augmentations significatives, touchant essentiellement les unités positionnées au sud. Malgré ces conditions, l'air aspiré par les groupes électrogènes reste à température ambiante, grâce à une gestion habile de la déviation des masses d'air chaudes.

Synthèse comparative des scénarios

Synthèse qualitative des trois scénarios simulés — EOLIOS Ingénierie.

Optimisation énergétique des aérorefroidisseurs par simulation CFD

EOLIOS optimise l'efficacité énergétique des aérorefroidisseurs des data centers en s'appuyant sur la simulation numérique de dynamique des fluides (CFD).

La CFD nous permet de créer des modèles tridimensionnels sophistiqués qui reproduisent fidèlement le comportement thermique et l'écoulement de l'air au sein des systèmes de refroidissement. En analysant ces modèles, nous pouvons identifier précisément les zones de surchauffe et les points de déperdition d'énergie, et optimiser la configuration des échangeurs de chaleur et des ventilateurs.

Vers un PUE maîtrisé

Cette approche nous permet d'ajuster finement la vitesse de circulation de l'air et l'orientation des flux pour chaque condition climatique extérieure, améliorant ainsi l'efficacité énergétique sans compromettre les performances. En outre, nos solutions permettent de réduire le Power Usage Effectiveness (PUE), critère déterminant pour les data centers, en assurant une consommation d'énergie plus rationnelle et en minimisant les coûts opérationnels pour nos clients. Nous fournissons ainsi des recommandations stratégiques pour la mise en place de systèmes de gestion thermique robustes et efficaces.

Innovations pour la conception de toitures efficientes

La toiture, véritable « cinquième façade », joue un rôle crucial dans l'efficacité énergétique des data centers. Nos solutions s'appuient sur des surtoitures conçues pour améliorer passivement la ventilation et optimiser la gestion thermique. Grâce à la simulation CFD, nous pouvons modéliser différentes conceptions de surtoitures et analyser leur impact sur la circulation naturelle de l'air. Cela nous permet de concevoir des structures qui exploitent intelligemment les vents dominants et les variations de pression pour promouvoir une ventilation transversale efficace, réduisant la dépendance envers les systèmes de refroidissement mécaniques et favorisant l'évacuation de la chaleur accumulée.

En intégrant des matériaux réfléchissants et des technologies d'isolation innovantes, nos surtoitures contribuent à une réduction significative des charges thermiques. Ainsi, non seulement nous réduisons l'empreinte énergétique des data centers, mais nous ajoutons également une couche de résilience climatique, essentielle pour garantir la continuité des opérations dans des conditions météorologiques variées.

Étude interne : réduction des risques de surchauffe par la CFD

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.

Au-delà de la température : coûts et durabilité

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, 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.

Une approche collaborative et sur mesure

EOLIOS démontre une capacité particulière à intégrer les besoins spécifiques des entreprises tout au long de ses processus d'étude, établissant ainsi un partenariat véritablement collaboratif. En s'appuyant sur une compréhension approfondie des attentes et des objectifs des clients, nous développons des solutions sur mesure, adaptées aux particularités de chaque demande.

Grâce à une communication ouverte et continue, l'entreprise s'assure que toutes les parties prenantes sont alignées sur les objectifs et les étapes des projets. Les équipes d'EOLIOS travaillent main dans la main avec les entreprises, offrant non seulement des expertises techniques mais aussi un savoir-faire relationnel. Notre approche centrée sur le client, alliée à des compétences pointues, garantit que les études menées répondent aux attentes des entreprises, en maximisant l'efficacité et la pertinence des solutions proposées.

EOLIOS — bureau d'étude expert en data center

Chez EOLIOS, notre mission est de vous accompagner dans la conception et l'évaluation de vos systèmes de refroidissement et de ventilation pour data center, garantissant une efficacité optimale et une sécurité renforcée pour vos infrastructures. Forts de notre expertise en simulation CFD, nous analysons les dynamiques thermoaérauliques pour optimiser la gestion thermique.

Grâce à notre maîtrise des simulations numériques, nous identifions les flux d'air critiques et les zones susceptibles de créer des bypass non désirés. En intégrant ces analyses dans notre approche, nous assurons une distribution optimale de l'air, ce qui diminue le risque de surchauffe dans les zones sensibles et favorise l'efficacité opérationnelle de vos systèmes. Nous menons des évaluations rigoureuses pour valider et optimiser l'efficacité de vos systèmes de refroidissement en tenant compte des scénarios les plus défavorables, afin d'assurer la pérennité et la performance de vos data centers.