CFD interna das salas de servidores.

Porquê simular o interior de uma sala de servidores?

A simulação CFD interna das salas de servidores é o núcleo histórico da EOLIOS: mais de 350 centros de dados estudados em 20 países. Trabalhamos para todo o tipo de sala, do data hall em hiperescala à sala de empresa ou de colocation, em conceção como nos centros existentes, que auditamos e modelamos. Porque a climatização de uma sala IT pode estar corretamente dimensionada em potência e, no entanto, falhar localmente: tudo se joga na distribuição do ar.

Os balanços térmicos globais garantem que a potência de frio instalada cobre a potência dissipada. Nada dizem sobre o essencial: a temperatura do ar que entra realmente em cada servidor. Entre a unidade de climatização e o bastidor, o ar mistura-se, contorna, recircula; dois bastidores vizinhos podem aspirar um ar com 10 °C de diferença. É esse trajeto invisível que a simulação CFD torna visível.

O que a simulação CFD interna protege

A aeráulica de uma sala de servidores

A organização de referência separa os fluxos em corredores frios, onde o ar novo é insuflado à frente das faces dianteiras dos bastidores, e em corredores quentes, que recolhem o ar rejeitado na retaguarda. O plénum de pavimento sobrelevado, as lajes perfuradas e as unidades CRAC/CRAH fecham o circuito.

Esta separação nunca é perfeita. Dois fenómenos a degradam, e são eles que a CFD quantifica com precisão.

A leitura térmica: bypass, recirculação e pontos quentes

A leitura em pressão: o diferencial corredor frio / corredor quente

Alguns pascal bastam para fazer bascular uma sala de um regime para outro, e é esse todo o objetivo da regulação: pouca pressão do lado frio e o ar quente reflui para as aspirações, demasiada pressão e o ar frio curto-circuita os servidores para regressar ao retorno. O indicador abaixo resume esta leitura, aquela que os nossos engenheiros aplicam logo no primeiro cálculo, unidade a unidade e laje a laje.

O que reconstitui o modelo CFD

O modelo reproduz a sala tal como é, ou tal como será: geometria, equipamentos e regimes de funcionamento. Resolve depois as equações da mecânica dos fluidos sobre milhões de células para restituir os campos de velocidade, de temperatura e de pressão em qualquer ponto.

A qualidade do resultado depende da fidelidade destas entradas. Numa sala existente, uma campanha de medições (temperaturas, caudais, termografia, ensaios de fumo) permite calibrar o modelo: o gémeo digital reproduz primeiro o estado observado, depois serve de banco de ensaio fiável para as modificações. Esta etapa não é de todo obrigatória: num projeto novo, o modelo trabalha diretamente a partir das plantas e dos dados do fabricante.

«O caudal de ar de uma grelha de pavimento técnico pode variar mais de 50 % consoante o seu posicionamento, a configuração da sala e o seu afastamento dos sistemas de climatização.»

ASHRAE, CAT, SIT: os critérios que contam

Uma sala não se avalia «em média». Os referenciais CFD dos grandes operadores de colocation e de hiperescala assentam em duas temperaturas normalizadas, que cada caso simulado deve respeitar.

Os limiares exatos variam de operador para operador e dependem do modo de arrefecimento: mais estritos para as arquiteturas com chillers, alargados para o free cooling e o arrefecimento evaporativo. Todos se inscrevem no quadro público ASHRAE TC 9.9: a gama recomendada de 18 a 27 °C, depois as gamas admissíveis das classes A1 a A4 que autorizam excursões controladas. Em todos os casos, a conformidade avalia-se com N unidades de frio, estando consumida a redundância, na humidade como na temperatura; em transitório aplica-se uma tolerância superior, mas rigorosamente cronometrada.

A restituição por escalões de SIT

O relatório não se limita a um mínimo e a um máximo: cada bastidor é classificado por escalão de SIT, caso a caso. Esta leitura mostra num relance quantos bastidores estão conformes, quantos vivem no limite e onde se concentram as ultrapassagens.

Cenários: a cascata dos casos, do nominal à pior avaria

O regime nominal

O primeiro cálculo estabelece a cartografia de referência: temperatura de entrada de ar de cada bastidor, caudais realmente entregues por cada laje, equilíbrio das pressões. Revela os pontos quentes existentes e hierarquiza as correções: regulação das lajes, obturação dos U livres, reequilíbrio dos caudais, confinamento, até às regulações finas como a implantação das grelhas, os pontos de referência dos CRAC/CRAH ou a temperatura de água gelada.

A cascata dos casos dos referenciais de hiperescala

Os cadernos de encargos CFD dos operadores de hiperescala e de colocation não deixam escolha dos cenários: impõem uma abordagem em cascata, em que cada caso herda do anterior e responde a uma questão precisa. Os nossos estudos seguem-na de forma nativa.

Os cenários de avaria

Uma sala conforme em regime nominal pode inverter-se em poucos minutos assim que um equipamento pára. A simulação avalia primeiro as avarias correntes de exploração: perda de um ou vários sistemas de climatização, paragem de uma unidade para manutenção, fecho de um registo. A procura do pior caso é sistemática: não se retira uma unidade ao acaso, resimulam-se várias combinações de paragens, incluindo as avarias elétricas, já que um só quadro pode desligar várias unidades ao mesmo tempo. Sobre o modelo calibrado, verifica-se que os climatizadores restantes suportam a carga sem que nenhum bastidor saia da gama admissível, identificam-se as filas mais expostas e valida-se concretamente a redundância anunciada (N+1, 2N) em vez de a supor garantida.

Os projetos de evolução

Densificação, chegada de bastidores IA ou HPC de forte potência, passagem ao confinamento, subida das referências para melhorar o PUE: cada variante é testada virtualmente sobre o modelo calibrado. Os arbítrios fazem-se sobre mapas de temperatura comparados, não sobre regras forfetárias. Uma campanha de evolução não pára aliás na sala IT: a carga suplementar repercute-se nos UPS, nos quadros de baixa tensão e nas baterias, cujo arrefecimento releva do estudo térmico das instalações técnicas. O mesmo modelo permite por fim sequenciar as obras: que bastidores deslocar primeiro, que unidades parar durante a migração, e por que ordem, sem nunca sair da gama admissível.

O estudo interno articula-se por fim com a simulação CFD externa do centro de dados: a reciclagem das plumas de ar quente em cobertura e as perdas de potência dos refrigeradores de ar em condições extremas condicionam diretamente a capacidade de arrefecimento disponível na sala. Os referenciais impõem-no aliás explicitamente: os casos internos simulam-se sob o pior cenário da CFD externa, integrando o declassamento dos equipamentos de produção de frio que daí decorre.

Falha de energia: os minutos que contam

O cenário mais crítico trata-se em regime transitório: o que acontece durante uma falha de energia no site? O cálculo segue a subida de temperatura minuto a minuto e quantifica o tempo disponível antes de atingir os limiares críticos dos servidores. Integra a inércia do circuito de água gelada, a sequência de comutação para os UPS e depois para os geradores e a reativação dos equipamentos de socorro, apontando os servidores mais desfavorecidos. Este prazo objetivo torna-se a entrada-chave dos procedimentos de exploração e do dimensionamento dos socorros.

Nada aqui é forfetário. Cada fonte de inércia térmica é justificada: volume do circuito de água gelada, volantes de armazenamento, massa da laje e dos bastidores. Os tempos de reativação dos chillers e dos geradores provêm dos ensaios em fábrica (FAT) quando tiveram lugar; na falta destes, a simulação é retomada assim que os ensaios entregam os tempos reais. E quando o site dispõe de um frio contínuo socorrido, o estudo transitório serve então para dimensionar a sua inércia em vez de demonstrar a sua necessidade. Estas reservas de frio são aliás objeto de estudos CFD de pleno direito: a estratificação dos depósitos de armazenamento térmico condiciona a energia realmente restituível no momento da falha, e o comportamento hidráulico do circuito de água gelada e das suas redes fixa a velocidade a que esse frio atinge as salas.

Um critério muitas vezes esquecido completa a análise: a temperatura atingida no corredor quente é comparada com o limiar de disparo das cabeças de sprinkler, para verificar que uma falha elétrica não pode degenerar num disparo intempestivo da extinção de incêndio por cima dos bastidores.

Confinamento, alta densidade e liquid cooling

O confinamento físico dos corredores é a alavanca mais estruturante para separar os fluxos. A escolha da configuração depende da sala, da sua altura, do seu modo de retorno de ar e das suas restrições de exploração: a CFD permite comparar as opções sobre a sua geometria real.

Em todos os casos, a eficácia real depende das fugas: painéis em falta, passagens de cabos, bastidores vazios. A simulação tem-nas em conta e evita sobrestimar o ganho de um confinamento teoricamente perfeito.

O confinamento é também uma alavanca financeira: pode dar direito aos certificados de economia de energia (CEE) ao abrigo da ficha dedicada ao confinamento de corredores em sala informática. Um estudo CFD documentado, com ganhos quantificados antes/depois, constitui uma peça sólida para instruir o pedido.

Acolher a alta densidade e o DLC numa sala existente

A integração de bastidores de alta densidade ou arrefecidos por líquido (DLC, Direct Liquid Cooling) abala as salas existentes e impõe uma reflexão em dois tempos. Primeiro um balanço de capacidade: a simulação projeta os recursos realmente disponíveis (potência elétrica, produção de frio, caudais), não os inventa. Depois as restrições físicas que o cálculo não aborda diretamente: resistência do pavimento, zonas de circulação, gestos de manutenção e rotação das máquinas. Estas verificações prévias condicionam o valor do estudo.

Vem então o arbítrio do «mix cooling»: fazer coabitar na mesma sala o arrefecimento por ar, o DLC e as portas frias. A CFD compara as repartições possíveis e revela os efeitos insuspeitos: vórtices e depressões locais, dissipação calorífica das barras condutoras, perdas de carga das redes hidráulicas.

Salas híbridas: o ar e o líquido coabitam

O liquid cooling não suprime a aeráulica, reconfigura-a. Uma parte do calor continua a ser rejeitada ao ar: eletrónica periférica dos bastidores DLC, alimentações, permutadores das CDU, e os bastidores clássicos que os referenciais impõem intercalar entre as posições líquidas. Os cadernos de encargos exigem assim manter um caudal de ar mínimo, fração do caudal nominal definida pelo referencial: a CFD verifica que esse caudal residual, entregue por menos unidades, ainda atinge cada bastidor que continua arrefecido por ar.

O modelo integra as CDU, as redes hidráulicas que passam no corredor quente por cima dos bastidores com os seus limites de carga por ramal, as unidades de frio por ar desativadas para libertar espaço, e a ocupação induzida no plénum. A repartição ar/líquido de cada fila arbitra-se sobre mapas de temperatura, posição a posição, incluindo para as implantações futuras que a sala terá de absorver.

O método EOLIOS

A EOLIOS é um gabinete de estudos de engenheiros especializados no design climático dos centros de dados. A CFD interna não é para nós um exercício de visualização: é uma ferramenta de conceção, apoiada numa prática diária das salas IT.

As nossas equipas concebem e fiabilizam salas de servidores para os atores da hiperescala, da colocation e das infraestruturas de empresa, em França e a nível internacional. Intervimos em todo o ciclo de vida: dimensionamento climático desde o esboço, urbanização dos corredores, validação da redundância em cenário extremo, colocação em funcionamento por bancos de carga, e depois acompanhamento da exploração através do gémeo digital. Esta dupla cultura, conceção e exploração, permite-nos traduzir cada simulação em planos de ação realistas, compatíveis com os gestos de exploração e a continuidade de serviço. Investidores, integradores e exploradores apoiam-se nos nossos estudos para arbitrar as suas escolhas de arquitetura climática e documentar os seus compromissos de disponibilidade.

Porque a ferramenta não faz tudo: sem leitura de explorador, uma simulação continua a ser uma imagem. Cada estudo desemboca em recomendações concretas e diretamente aplicáveis (estratégias de regulação, modos degradados, indicadores de acompanhamento), hierarquizadas segundo duas prioridades constantes: a continuidade de serviço e a eficiência energética.

Os nossos estudos respondem de forma nativa aos cadernos de encargos CFD dos operadores de hiperescala e de colocation: cascata de casos imposta, critérios CAT/SIT, conteúdos mínimos de relatório, entregáveis em inglês quando o referencial o exige. E porque um projeto não espera: a nossa potência de cálculo dedicada permite-nos assegurar simulações em urgência, com primeiros resultados em poucos dias quando a necessidade do cliente o exige.

Os resultados assumem a forma de imagens e animações 3D compreensíveis por todos os atores do projeto, do investidor ao explorador, utilizáveis em reunião como em dossiê técnico. Quando a confidencialidade o exige, os modelos só são legíveis através de um leitor dedicado fornecido pela EOLIOS.