Otimização CFD – Centro de dados.

Estudo térmico e aeráulico de um centro de dados: especialidade CFD

A EOLIOS realizou uma simulação CFD externa da refrigeração em cobertura de um centro de dados, a fim de validar a sua conceção e controlar os circuitos térmicos fechados entre grupos electrogéneos e refrigeradores de ar antes da entrada em serviço.

O desafio térmico dos centros de dados

Num contexto em que os centros de dados de grande escala se multiplicam, a gestão dos sistemas de refrigeração torna-se crucial, devido ao aumento da densidade dos equipamentos informáticos, muitas vezes superior a 10 kW por rack. O desafio principal é evacuar eficazmente o calor libertado por estes equipamentos de alta densidade. Na EOLIOS, colocamos a nossa especialidade técnica ao seu serviço realizando estudos de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) para modelar e otimizar as trocas térmicas e aeráulicas de um centro de dados.

Objetivos e perímetro do estudo

Esta análise interessa-se especificamente pelas plumas externas de escape dos refrigeradores de ar, dos grupos electrogéneos e dos outros equipamentos situados em cobertura. O objetivo é verificar se a evacuação das rejeições térmicas destes sistemas corre o risco de contaminar o ar de alimentação por ansas de recirculação. Simulamos assim o comportamento termo-aeráulico destas plumas graças a cálculos numéricos CFD, a fim de assegurar uma gestão ótima da temperatura do ar de entrada e prevenir qualquer problema de interferência.

O estudo visa validar a conceção do edifício e a localização dos sistemas no telhado, verificando que as temperaturas do ar à entrada dos refrigeradores se mantêm suficientemente baixas e identificando os eventuais problemas de recirculação. Cobre diferentes cenários de exploração: temperaturas elevadas, direções de vento variadas e arranque dos grupos electrogéneos de emergência. Em caso de problema detetado, identificamos a sua causa e propomos soluções corretivas adaptadas.

O essencial em números

Dados climáticos ASHRAE para a CFD

Utilização das normas para uma simulação CFD precisa e eficaz

A boa parametrização das condições exteriores é fundamental para otimizar a gestão térmica dos centros de dados por simulação CFD. A ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) constitui uma referência internacional incontornável. Ao estabelecer normas e fornecer dados climáticos precisos, permite aos engenheiros e projetistas adaptar os seus sistemas de aquecimento, ventilação, climatização e refrigeração (AVAC-R) aos ambientes reais. A ASHRAE recolhe dados meteorológicos provenientes de milhares de estações por todo o mundo, garantindo fiabilidade e precisão graças a valores médios e extremos medidos ao longo de décadas.

Estes dados são essenciais para o dimensionamento adequado dos sistemas exteriores. Ao ter em conta as temperaturas médias e extremas, ajudam a prever cenários realistas, evitando assim o sobredimensionamento e otimizando a eficiência energética. No nosso estudo, as condições climáticas locais são definidas graças à estação meteorológica mais próxima do local, que fornece informações cruciais, como as temperaturas mensais e os registos de vento, determinantes para estabelecer as condições meteorológicas e os ventos dominantes.

Assim, apoiando-nos em dados climáticos fiáveis e normalizados, podemos dimensionar sistemas exteriores eficazes e duráveis, adaptados às exigências das diferentes condições climáticas.

Modelação 3D de um centro de dados para a simulação termo-aeráulica

A EOLIOS constrói um gémeo digital do centro de dados e do seu ambiente imediato, reproduzindo fielmente a geometria do edificado, dos equipamentos em cobertura e dos obstáculos vizinhos suscetíveis de influenciar o escoamento do ar. Este modelo serve de suporte ao conjunto dos cálculos.

Do dado climático ao cálculo CFD

Os cenários simulados no âmbito do estudo externo são os seguintes:

• Cenário padrão, com vento maioritário
• Cenário padrão, com vento desfavorável
• Cenário crítico, com vento desfavorável

Uma sobrecobertura está presente nas saídas dos refrigeradores de ar para minimizar os fenómenos de recirculação. Esta zona é delimitada por paredes equipadas com painéis acústicos, e grelhas estão presentes nas partes baixas dessas paredes.

Os 26 grupos electrogéneos encontram-se maioritariamente a sudoeste do edifício, tanto no telhado como distribuídos por dois pisos no interior. A fim de desviar as rejeições térmicas dos grupos electrogéneos, 5 condutas de rejeição estão instaladas em altura. A admissão do ar fresco para os grupos electrogéneos faz-se ao nível da fachada sudoeste do edifício, equipada com grelhas.

Para estes 3 estudos, os grupos electrogéneos estão ativados a fim de ter em conta a situação mais desfavorável em termos de rejeições caloríficas. As unidades de refrigeração, concentradas a nordeste do edifício, compreendem 30 refrigeradores e 3 dry-coolers. A presença de equipamentos auxiliares no telhado, tais como as unidades de tratamento de ar e as bombas de calor, foi igualmente tida em conta.

Resultados da simulação externa: validação da conceção

O estudo analisou a conceção exterior do centro de dados através de três cenários críticos, baseados nas variações da direção do vento e na gestão dos sistemas de refrigeração, mantendo condições climáticas extremas segundo os padrões da ASHRAE.

Cenário 1 — Vento maioritário, cenário padrão (N)

Nenhum fenómeno marcante de recirculação de ar foi detetado neste cenário. As simulações revelam que a temperatura medida na aspiração das unidades de refrigeração se mantém próxima da temperatura ambiente, o que testemunha uma conceção otimizada da entrada de ar. A estrutura e a disposição do telhado são consideradas excelentes nestas condições, garantindo uma boa regulação térmica.

Cenário 2 — Vento desfavorável, cenário padrão (N)

O estudo evidenciou uma ligeira recirculação de ar ao nível das grelhas sudoeste, principalmente causada pela obstrução parcial devida às condutas de extração dos grupos electrogéneos. No entanto, uma zona central livre de equipamentos oferece um acesso suficiente ao ar fresco, o que contribui para atenuar este fenómeno. A temperatura de aspiração mostra subidas, nomeadamente nos sistemas situados a sul, mas mantém-se controlada. As condutas de extração dos grupos electrogéneos asseguram um desvio eficaz do ar carregado de calorias, minimizando as interações potenciais com os refrigeradores de ar.

Cenário 3 — Vento desfavorável, cenário crítico (N+X)

As dificuldades ligadas à recirculação do ar persistem, agravadas pela redução das velocidades de insuflação ligada ao funcionamento a plena capacidade. Isto aumenta a propensão à recirculação de ar, particularmente à volta das grelhas a jusante. As temperaturas de aspiração apresentam aumentos significativos, atingindo essencialmente as unidades posicionadas a sul. Apesar destas condições, o ar aspirado pelos grupos electrogéneos mantém-se à temperatura ambiente, graças a uma gestão hábil do desvio das massas de ar quentes.

Síntese comparativa dos cenários

Síntese qualitativa dos três cenários simulados — EOLIOS Engenharia.

Otimização energética dos refrigeradores de ar por simulação CFD

A EOLIOS otimiza a eficiência energética dos refrigeradores de ar dos centros de dados apoiando-se na simulação numérica de dinâmica dos fluidos (CFD).

A CFD permite-nos criar modelos tridimensionais sofisticados que reproduzem fielmente o comportamento térmico e o escoamento do ar no seio dos sistemas de refrigeração. Ao analisar estes modelos, podemos identificar com precisão as zonas de sobreaquecimento e os pontos de perda de energia, e otimizar a configuração dos permutadores de calor e dos ventiladores.

Rumo a um PUE controlado

Esta abordagem permite-nos ajustar finamente a velocidade de circulação do ar e a orientação dos fluxos para cada condição climática exterior, melhorando assim a eficiência energética sem comprometer os desempenhos. Além disso, as nossas soluções permitem reduzir o Power Usage Effectiveness (PUE), critério determinante para os centros de dados, assegurando um consumo de energia mais racional e minimizando os custos operacionais dos nossos clientes. Fornecemos assim recomendações estratégicas para a implementação de sistemas de gestão térmica robustos e eficazes.

Inovações para a conceção de coberturas eficientes

A cobertura, verdadeira «quinta fachada», desempenha um papel crucial na eficiência energética dos centros de dados. As nossas soluções apoiam-se em sobrecoberturas concebidas para melhorar passivamente a ventilação e otimizar a gestão térmica. Graças à simulação CFD, podemos modelar diferentes conceções de sobrecoberturas e analisar o seu impacto na circulação natural do ar. Isto permite-nos conceber estruturas que exploram inteligentemente os ventos dominantes e as variações de pressão para promover uma ventilação transversal eficaz, reduzindo a dependência dos sistemas de refrigeração mecânicos e favorecendo a evacuação do calor acumulado.

Ao integrar materiais refletores e tecnologias de isolamento inovadoras, as nossas sobrecoberturas contribuem para uma redução significativa das cargas térmicas. Assim, não só reduzimos a pegada energética dos centros de dados, como também acrescentamos uma camada de resiliência climática, essencial para garantir a continuidade das operações em condições meteorológicas variadas.

Estudo interno: redução dos riscos de sobreaquecimento pela CFD

A otimização dos sistemas de refrigeração, como os grupos de frio e os grupos electrogéneos, é essencial para garantir o desempenho dos centros de dados. Com densidades elevadas de servidores e de equipamentos eletrónicos, que podem exceder 10 kW por rack, a gestão térmica torna-se um desafio maior. Um sobreaquecimento não controlado pode provocar avarias de material, uma baixa da fiabilidade e da disponibilidade dos serviços, e uma degradação prematura dos equipamentos.

Para além da temperatura: custos e sustentabilidade

Por conseguinte, a otimização dos sistemas de refrigeração não se limita a manter uma temperatura estável e adequada; é também crucial para reduzir os custos energéticos, que representam uma parte importante das despesas operacionais dos centros de dados. Além disso, ao minimizar o consumo de energia, esta otimização permite reduzir a pegada de carbono das instalações, em linha com as exigências de sustentabilidade ambiental crescentes no setor. As simulações numéricas realizadas permitiram fornecer informações detalhadas, nomeadamente sobre as temperaturas dos sistemas para diferentes cenários.

Uma abordagem colaborativa e à medida

A EOLIOS demonstra uma capacidade particular para integrar as necessidades específicas das empresas ao longo dos seus processos de estudo, estabelecendo assim uma parceria verdadeiramente colaborativa. Apoiando-nos numa compreensão aprofundada das expectativas e dos objetivos dos clientes, desenvolvemos soluções à medida, adaptadas às particularidades de cada pedido.

Graças a uma comunicação aberta e contínua, a empresa assegura que todas as partes interessadas estão alinhadas com os objetivos e as etapas dos projetos. As equipas da EOLIOS trabalham lado a lado com as empresas, oferecendo não só especialidades técnicas mas também um saber-fazer relacional. A nossa abordagem centrada no cliente, aliada a competências apuradas, garante que os estudos conduzidos respondem às expectativas das empresas, maximizando a eficácia e a pertinência das soluções propostas.

EOLIOS — gabinete de estudos especialista em centro de dados

Na EOLIOS, a nossa missão é acompanhá-lo na conceção e na avaliação dos seus sistemas de refrigeração e de ventilação para centro de dados, garantindo uma eficácia ótima e uma segurança reforçada para as suas infraestruturas. Fortes da nossa especialidade em simulação CFD, analisamos as dinâmicas termo-aeráulicas para otimizar a gestão térmica.

Graças ao nosso domínio das simulações numéricas, identificamos os fluxos de ar críticos e as zonas suscetíveis de criar bypass indesejados. Ao integrar estas análises na nossa abordagem, asseguramos uma distribuição ótima do ar, o que diminui o risco de sobreaquecimento nas zonas sensíveis e favorece a eficiência operacional dos seus sistemas. Conduzimos avaliações rigorosas para validar e otimizar a eficácia dos seus sistemas de refrigeração tendo em conta os cenários mais desfavoráveis, a fim de assegurar a durabilidade e o desempenho dos seus centros de dados.