Warum eine externe CFD-Simulation durchführen?
Die externe CFD-Simulation von Rechenzentren ist eine Expertise, die EOLIOS von Anfang bis Ende beherrscht: mehr als 350 Rechenzentren in 20 Ländern untersucht, vom Hyperscale-Campus bis zum am stärksten eingeschränkten Innenstadtstandort. Unsere Methoden, gestützt auf Messkampagnen unter realen Bedingungen, sind international eine Referenz.
Ein Rechenzentrum kann eine großzügige Kälteleistung und eine N+2-Redundanz aufbieten und dennoch im ungünstigsten Moment Kapazität verlieren. Der Grund ist einfach: die im Saal tatsächlich verfügbare Leistung hängt von der Temperatur der Luft ab, die die Außengeräte ansaugen. Wenn diese Luft durch die Abwärme der Nachbarmaschinen vorgewärmt wurde, sinkt die Leistung, genau in dem Moment, in dem der Bedarf am höchsten ist. Dieses Risiko steht auf keinem Plan: nur die CFD-Simulation macht es sichtbar, bevor es Megawatt kostet.
Was eine externe CFD-Simulation absichert
Diagnose
- Untersuchung der Wärmefahnen
- Reale Eintrittstemperatur jedes Geräts
- Quantifizierung der Warmluftrückführung
Analyse
- Kritische Ausfallszenarien
- Hitzewelle, ungünstiger Wind, Transienten
- Einfluss der Stromaggregate
Entwurf
- Validierung der Anordnung
- Einhausungen, Schirme & Überdächer getestet
- Eine validierte Lösung, nicht nur ein Befund
Ein Zwilling des Standorts und seiner Umgebung
Wir erstellen ein vollständiges digitales Modell des Standorts: die umliegenden Gebäude, alle Kühlvorrichtungen auf dem Dach und an den Fassaden, die Abluftauslässe, die Frischluftansaugungen und die Details, die die reale Strömung ausmachen (Windschutz, Wetterschutzgitter, Lamellen, Attiken, Einhausungen). Dieses Modell gibt Luftvolumenstrom, Temperatur und Feuchte an jedem Punkt wieder, für jeden Betriebsmodus (Normal, Wartung, Notfall) und jede Wetterbedingung (Temperatur, Windgeschwindigkeit und -richtung).
Die Kapazität Ihrer Säle entscheidet sich auf dem Dach
Ein für 35 °C Luft ausgelegtes Rückkühlwerk, das rückgeführte Luft mit 47 °C ansaugt, wird sofort herabgestuft. In der Kaskade sind es die Säle, die ihre Kühlleistung verlieren, ohne dass ein einziges Gerät ausfällt.
Die Außenaeraulik eines Rechenzentrums
Im Hof oder auf dem Dach teilen sich die mechanischen Wärmeabgabesysteme, Kühltürme, trockene Rückkühlwerke (DRY) und Kältemaschinen, eine begrenzte Fläche mit den Notstromaggregaten. Die Dichte der Schränke im Inneren erzwingt eine entsprechende Dichte der Geräte im Freien: jede Maschine stößt eine Warmluftfahne wenige Meter von den Ansaugungen ihrer Nachbarn aus.
Säule aus warmer Luft, weniger dicht als die Umgebungsluft, die über einem Auswurf aufsteigt. Ohne Wind steigt sie auf und verdünnt sich. Mit Wind legt sie sich, streckt sich und kann zu den unter ihrer Bahn liegenden Ansaugungen zurückgedrückt werden.
Einfluss von Wind und Wetter
Das Verhalten der Fahnen hängt von Variablen ab, die die Planer nicht beherrschen: Windgeschwindigkeit und -richtung, Lufttemperatur und -feuchte, Abwärme der Nachbaraktivitäten. Diese Phänomene haben einen direkten Einfluss auf die Leistung der Außengeräte und ändern sich von einer Stunde zur nächsten. Es geht nicht darum, das Wetter vorherzusagen, sondern zu prüfen, dass der Standort für alle plausiblen ungünstigen Kombinationen in seinem Betriebsbereich bleibt.
Warmluftrückführung und thermische Schleifen
Die Warmluftrückführung ist der zentrale Mechanismus, den die externe CFD quantifiziert. Sie tritt in vier Formen auf, oft an ein und demselben Standort kombiniert:
Vier aufzuspürende Mechanismen
- Die Selbstrückführung. Ein Gerät saugt seinen eigenen Auswurf wieder an, vom Wind zurückgedrückt oder von einer Attika eingeschlossen.
- Die Kreuzschleife. Die Fahne einer Maschine speist die Ansaugung ihrer Nachbarin; die Erwärmung breitet sich Schritt für Schritt bis zum kaskadierenden Ausfall aus.
- Der Nachlaufeffekt. Ein Dachaufbau, ein Schirm oder ein Nachbargebäude erzeugt eine Rezirkulationszone, die warme Luft auf Höhe der Ansaugungen einschließt.
- Die Campus-Ansammlung. Im Maßstab eines Standorts mit mehreren Gebäuden wärmt die Abwärme eines Rechenzentrums die Ansaugluft des nächsten vor, je nach Windrichtung.
Warum die Herstellerabstände nicht ausreichen
Die Herstellerunterlagen geben Mindestabstände und eine maximale Einsatztemperatur an. Diese pauschalen Regeln ignorieren den Wind, die bebaute Umgebung und die Wechselwirkung zwischen den Maschinen: eine den Datenblättern perfekt entsprechende Anordnung kann schwere Rückführungen erzeugen, die nur die Simulation sichtbar macht. Die Platzierung der Kühlsysteme wird in der realen Strömung validiert, nicht in einem Katalog.
„Ist Ihr Rechenzentrum gegen den Ausfall seiner Kühlsysteme während einer Hitzewelle geschützt?“
Im Maßstab eines Campus oder eines mit digitaler Infrastruktur dicht bebauten Viertels wird die warme Abwärme eines Rechenzentrums zur Ansaugluft seines Nachbarn. Diese wechselseitige thermische Verschmutzung, auf den Plänen jedes einzeln betrachteten Standorts unsichtbar, kann einem gut entworfenen Rechenzentrum mehrere Grad Reserve entziehen. Wir quantifizieren sie, indem wir sämtliche Gebäude und ihre Geräte modellieren, einschließlich derer der Nachbarstandorte.
Extrembedingungen: die Szenarien, die die Auslegung bestimmen
Eine ernsthafte Studie begnügt sich nicht mit dem Nennbetrieb bei ruhigem Wetter. Die Berechnungsbedingungen werden aus einer meteorologischen Analyse des Standorts aufgebaut (ASHRAE-Daten der nächstgelegenen Station, Windstatistiken), vor jeder Modellierung mit dem Kunden validiert: Extremtemperatur mit 50-jähriger Wiederkehrperiode, vorherrschende Windrichtungen mit ihrer koinzidenten Mediangeschwindigkeit. Die Fälle werden mit dem Standort bei 90 % IT-Last simuliert, Aggregate und Kühlsysteme entsprechend der realen Betriebssequenz gesteuert. Jedes Szenario beantwortet eine präzise Entwurfs- oder Betriebsfrage.
Die kanonischen Szenarien einer externen CFD
Das Validierungskriterium
Das Validierungskriterium ist eindeutig: jedes kritische Gerät muss die IT-Last in allen simulierten Fällen dauerhaft tragen, ohne seine Eintrittsgrenztemperatur zu überschreiten. Ist eine Abhilfemaßnahme nötig, wird sie modelliert und dann unter den ungünstigsten Windbedingungen erneut getestet, um ihren realen Gewinn zu quantifizieren.
Transienten: die entscheidenden Minuten
Die transienten Szenarien verfolgen die Entwicklung Minute für Minute: das Aufsteigen der Fahnen beim gleichzeitigen Start der Stromaggregate, das Umschalten der Kühlmodi, die Rückkehr zum Nennbetrieb. In diesen kurzen Phasen konzentrieren sich die Temperaturüberschreitungen, unsichtbar in einer stationären Berechnung.
Stromaggregate: heiße Fahnen und NOx-Emissionen
Die Stromaggregate bündeln zwei unterschiedliche Risiken. Das erste ist thermisch: ihre Abgasanlagen und ihre Rückkühler stoßen bei den regelmäßigen Tests wie im Notfall sehr heiße Fahnen aus, die die Ansaugungen der Kühlsysteme genau in dem Moment sättigen können, in dem der Standort im Notbetrieb läuft.
Das zweite ist gesundheitlich und regulatorisch: die mit Stickoxiden (NOx) beladenen Verbrennungsabgase dürfen weder von den Lüftungsgeräten der Büros noch von den Frischluftansaugungen angesaugt noch in die Nachbarschaft zurückgedrückt werden. Die Simulation prüft die Ausbreitung der Abgase für jede Windrichtung und leitet Höhe der Schornsteine, ihre Ausrichtung und die Austrittsgeschwindigkeit ab, in Abstimmung mit den Druckverlusten der Netze des Stromaggregats.
Konformität. Die Konzentrationen an den Frischluftansaugungen und an den Öffnungen der genutzten Räume werden mit den anwendbaren Grenzwerten verglichen (lokale Regelung und Kundenanforderungen); der Bericht dokumentiert jeden Kontrollpunkt, Windrichtung für Windrichtung.
Auch die monatlichen Tests simulieren
Die regelmäßigen Tests bilden ein eigenständiges Szenario: jeden Monat starten die Aggregate, während der Standort normal läuft. Die Simulation prüft, dass diese Tests bei den ungünstigen Windrichtungen weder die Leistung der Rückkühlwerke noch die Luftqualität an den Frischluftansaugungen beeinträchtigen, und erlaubt gegebenenfalls, das Zeitfenster oder die Abfolge der Tests anzupassen.
Wärmeinsel und städtebauliche Integration
Ein Rechenzentrum ist eine dauerhafte Wärmequelle in seinem Viertel. Im städtischen Maßstab charakterisiert die CFD die Ausbreitung der Fahnen je nach Gerätekonfiguration, Morphologie der Bebauung, Materialien und realem Wetter und beziffert den bei den Anwohnern verursachten Temperaturanstieg. Diese Analyse ist Gegenstand einer eigenen Expertise: die Studie zur Auswirkung der städtischen Wärmeinsel von Rechenzentren.
Sie speist die Umweltverträglichkeitsstudien und den Austausch mit den Kommunen: Vergleich von Standortvarianten, Vegetationsschirme, Rückkühlwerke mit variabler Drehzahl, Abwärmenutzung. Sie dokumentiert objektiv, was das Projekt verändert und was es nicht verändert.
Die EOLIOS-Methode: vom 3D-Modell zum bezifferten Urteil
Der Wert einer externen CFD liegt in der Genauigkeit des Modells und der Relevanz der Szenarien. Unser 3D-Modell integriert den gesamten Standort: Topografie, umliegende Gebäude, Fassaden mit ihren Wetterschutzgittern, Attiken und Dachaufbauten, jedes Gerät mit seinen realen Volumenstromkurven und Auswurftemperaturen, validiert durch die Herstellerdaten. Die Hindernisse für den Luftdurchgang (Wände, Attiken, Sichtschutz) werden mit ihrer dokumentierten freien Fläche modelliert, und die in Phasen gelieferten Gebäude werden in ihrer vollständigen Konfiguration simuliert.
Der Ablauf einer Studie
- Erhebung. Pläne, Datenblätter der Geräte, Betriebsregime, Klimadaten des Standorts.
- 3D-Modellierung. Standort, umliegende Bebauung, Geräte und aeraulische Details, mit einem um Auswürfe und Ansaugungen verfeinerten Netz.
- Szenarien. Nennbetrieb, Hitzewelle, ungünstige Winde, Wartung und Notfall, stationär wie transient.
- Analyse und Empfehlungen. Kartierungen, Quantifizierung der Rückführungen, im selben Modell getestete Lösungen.
Unsere Studien erfüllen von Haus aus die CFD-Lastenhefte der Hyperscale- und Colocation-Betreiber: vorgegebene Szenarien, Validierungskriterien, Mindestinhalte des Berichts. Und weil ein Projekt nicht warten kann: unsere dedizierte Rechenleistung erlaubt uns, Notfallsimulationen zu gewährleisten, mit ersten Ergebnissen in wenigen Tagen, wenn der Kundenbedarf es erfordert.
Konform mit den CFD-Referenzen der Hyperscaler
- Vorherige Wetteranalyse vor der Modellierung zur Validierung vorgelegt (nächstgelegene Station, Extreme N = 50 Jahre).
- Geschwindigkeits-, Temperatur- und Druckebenen in horizontalen und vertikalen Schnitten, auf halber Höhe und an der Oberseite jedes kritischen Geräts.
- Thermische Stromlinien von jedem Auswurf aus, Geschwindigkeitsvektoren zur Lokalisierung von Unterdruck, Gegendruck und Rezirkulationen.
- Erwärmungs- und Herabstufungstabelle je kritischem Gerät im ungünstigsten Szenario, Temperaturen aller Luftansaugungen des Gebäudes, beim ungünstigsten Wind erneut simulierte Abhilfemaßnahme.
Frankfurt: eine vor den Arbeiten erkannte Rückführung
Drei simulierte Szenarien (ohne Wind, ungünstiger Wind im N-Regime, ungünstiger Wind im kritischen N+X-Regime) an einem Standort mit 26 Stromaggregaten: eine Rückführung an den südwestlichen Wetterschutzgittern, verursacht durch die teilweise Verstopfung der Abluftkanäle, wurde erkannt und im Vorfeld korrigiert. Das Projekt ansehen.
Das Urteil wird Gerät für Gerät beziffert: Eintrittstemperatur im Vergleich zur Herstellergrenze, der Rückführung zuzuschreibende Erwärmung, Kapazitätsverlust je Szenario. Wenn ein Risiko auftritt, werden die korrigierenden Lösungen direkt im Modell getestet: Einhausungen und Überdächer, Schirme, Erhöhung der Auswürfe, Neuausrichtung der Maschinen, Drehzahlsequenzierung. Wir liefern kein Problem, wir liefern die validierte Lösung.
Von der Temperatur zur verfügbaren Kälteleistung
Die Kartierung ist kein Selbstzweck: sie übersetzt sich in Leistung. Für jedes Rückkühlwerk, jeden Dry oder jede Kältemaschine wird die berechnete Eintrittstemperatur mit der Leistungskurve des Herstellers gekreuzt, um die im untersuchten Szenario tatsächlich lieferbare Kälteleistung zu erhalten. Die Aggregation über alle Geräte ergibt den Abfall der verfügbaren Kälteleistung des Standorts, Szenario für Szenario, verglichen mit dem IT-Bedarf: man weiß, welche Maschinen herabstufen, um wie viel, und welche Reserve bleibt, bevor Säle verloren gehen.
PUE: eine selten erkannte Energiequelle
Die Warmluftrückführung bedroht nicht nur die Verfügbarkeit: sie belastet das ganze Jahr über die Stromrechnung. Eine Erwärmung von 3 bis 5 °C an der Ansaugung der Drys und der Kältemaschinen mindert ihren COP, in der Größenordnung von 2 bis 3 % je zusätzlichem Grad: zwischen 42 und 47 °C Ansaugluft sind das 10 bis 15 % verlorener Wirkungsgrad, und jedes Gerät verbraucht mehr, um dieselbe Kälte zu liefern, Stunde für Stunde, auch außerhalb einer Hitzewelle. Im Maßstab eines Rechenzentrums, in dem die Kühlung 30 bis 40 % des Stromverbrauchs ausmacht, kann dieser stille Mehrverbrauch in der Größenordnung von 4 bis 7 % des Standortverbrauchs liegen, eine PUE-Abweichung, die nur wenige Betreiber der Außenaeraulik zuzuschreiben wissen. Die Anordnung zu korrigieren oder die Geräte einzuhausen wird dann zu einem direkten Hebel der Energieoptimierung und des PUE.
Adiabatische Kühlung: die Feuchte geht in die Berechnung ein
Die Verdunstungskühlung beschränkt sich nicht auf Feuchtmedien und Sprühnebel: die Kühltürme und die adiabatischen Drys nutzen dasselbe Prinzip, und ihre Wirksamkeit ist durch die Feuchtkugeltemperatur der Ansaugluft begrenzt, nicht allein durch ihre Trockentemperatur. Unser Modell transportiert daher auch die Feuchte, behandelt als Massenanteil des Wasserdampfs mit ihrer Wirkung auf den Auftrieb der Fahnen: die feuchten Auswürfe, zu den benachbarten Ansaugungen rückgeführt, heben die lokale Feuchtkugeltemperatur an und schmälern genau das erwartete Kühlpotenzial. Die Simulation berechnet das Feuchtefeld um den Standort, prüft die reale Annäherung jedes Geräts im adiabatischen Modus und sichert die Auslegung ab, bis hin zum zugehörigen Wasserverbrauch. Die Besonderheiten der Kühltürme (Fahnen, ICPE-Regelung) sind Gegenstand eines eigenen Dossiers.
Was wir liefern
- 3D-Kartierungen von Temperatur und Geschwindigkeit auf dem Dach und in der Umgebung, je Szenario.
- Konformitätstabelle je Gerät: Eintrittstemperatur im Vergleich zur Herstellergrenze.
- Quantifizierung der Rückführung und der zugehörigen Kapazitätsverluste.
- Kurve der verfügbaren Kälteleistung je Szenario, die Eintrittstemperaturen und Herstellerkurven kreuzt.
- Konzentrationen von Schadstoffen (NOx) an den Luftansaugungen, verglichen mit den anwendbaren Grenzwerten.
- Priorisierte Anordnungsempfehlungen, bereits im Modell getestet.
Ingenieure, die in Ihre Planungsteams integriert sind
EOLIOS ist ein Ingenieurbüro von Ingenieuren, die auf den thermisch-aeraulischen Entwurf von Rechenzentren spezialisiert sind. Die externe CFD ist für uns keine isolierte Leistung: sie ist ein Entwurfswerkzeug im Dienst einer validierten Anordnung.
Eine kurze Schleife, vom Entwurf bis zur Ausführung
Wir arbeiten innerhalb der Planungsteams, an der Seite der Architekten, der TGA-Planungsbüros, der Bauunternehmen und der Betreiber. Schon in der Entwurfsphase steuern wir die Anordnung der Geräte und die Fassadenentscheidungen; in der Vorentwurfsphase wird jede Variante anhand von Simulationsergebnissen statt pauschaler Regeln entschieden; in der Ausführung wird der endgültige Entwurf in seinen Extrembedingungen validiert. Diese kurze Schleife vermeidet späte Änderungen, die teuersten.
Organisation der Campus und Anordnung der Geräte schon im Entwurf durch die Simulation gesteuert.
Der stärkste HebelStandortvarianten anhand von CFD-Ergebnissen entschieden, nicht anhand pauschaler Regeln.
Varianten verglichenEndgültiger Entwurf in seinen Extrembedingungen validiert: Hitzewelle, ungünstiger Wind, Notfall.
ValidierungAudit, Diagnose und Lösung der thermischen Problematiken der in Betrieb befindlichen Standorte.
Audit & LösungVon der externen CFD zum digitalen Zwilling
Die externe Studie verzahnt sich mit der internen CFD-Simulation der Serverräume: die Eintrittstemperatur der Rückkühlwerke bedingt direkt die im Saal verfügbare Kapazität. Sie setzt sich im Commissioning und dann im Betrieb über den digitalen Zwilling des Standorts fort.
Was wir dem Planungsteam bringen
- Antworten im Takt des Projekts. Standortvarianten in wenigen Tagen entschieden, nicht am Ende der Phase.
- Eine gemeinsame Sprache. 3D-Bilder und -Animationen, lesbar für Investor, Architekt und Betreiber.
- Objektivierte Reserven. Redundanz und Extrembedingungen durch Berechnung validiert, für die Verfügbarkeitszusagen dokumentiert.
- Eine Kontinuität. Dasselbe Modell dient vom Entwurf bis zum digitalen Zwilling des Betriebs.