CFD externo e interno – Centro de datos a hiperescala
La misión de EOLIOS ingénierie: simulación CFD y experiencia en refrigeración
La experiencia deEOLIOS en simulación CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) y optimización de sistemas de refrigeración desempeñó un papel crucial en la resolución del reto térmico de un centro de datos a hiperescala de varias docenas de megavatios. Nuestros conocimientos nos permiten mejorarla eficiencia energética y garantizar un rendimiento óptimo, asegurando una gestión térmica eficaz y sostenible de estas complejas infraestructuras.
CFD externo e interno - Centro de datos a hiperescala
Año
2025
Cliente
NC
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Centros de datos a hiperescala: una revolución en el alojamiento y la gestión de datos
El objetivo de un centro de datos a hiperescala: optimización y escalabilidad
Los centros de datos a hiperescala son instalaciones especialmente diseñadas para satisfacer las necesidades de gigantes tecnológicos comoAmazon, Google y Microsoft, que requieren una capacidad informática y de almacenamiento a muy gran escala. Estos centros de datos se caracterizan por su inmensa escala operativa, a menudo capaces de albergar de decenas a cientos de miles de servidores. Esta escala les permite gestionar eficazmente volúmenes masivos de datos y prestar servicios a millones de usuarios de todo el mundo.
Propiedades clave de los centros de datos a hiperescala: modularidad, automatización y eficiencia energética
Una de las principales ventajas de los centros de datos a hiperescala es su eficiencia energética. Incorporan sistemas de refrigeración y tecnologías de gestión de la energía de última generación que minimizan el consumo de energía al tiempo que maximizan el rendimiento. Esto incluye el uso de sistemas de refrigeración por aire libre, pozos geotérmicos o refrigeración líquida para reducir lahuella de carbono y optimizar los costes de funcionamiento.
La flexibilidad y laescalabilidad son el núcleo del concepto de hiperescala. Estos centros de datos pueden ampliarse rápida y fácilmente para satisfacer el crecimiento de la demanda, gracias a una infraestructura modular formada por componentes estandarizados. Este marco modular permite no sólo un mantenimiento simplificado, sino también actualizaciones periódicas sin mayor impacto en las operaciones generales.
La automatización desempeña un papel crucial en la eficiencia operativa de los centros de datos a hiperescala. Los sistemas automatizados supervisan y gestionan casi todas las facetas de las operaciones diarias, reduciendo la necesidad de intervención humana constante y minimizando el riesgo deerror humano. Esta automatización incluye la gestión de los servidores, la supervisión de la energía y el mantenimiento preventivo.
En resumen, gracias a su enorme capacidad, eficiencia energética, flexibilidad, escalabilidad y amplio uso de la automatización, los centros de datos a hiperescala ofrecen soluciones extremadamente eficientes y rentables. Al reducir los costes unitarios por servicio, estas instalaciones se están convirtiendo en esenciales para las empresas que buscan dar soporte a servicios digitales globales y satisfacer la creciente demanda de los usuarios de servicios en la nube robustos y fiables.
El reto de los estudios CFD para optimizar los centros de datos a hiperescala
Un estudio CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) es crucial para estos centros de datos a hiperescala, a fin de optimizar la circulación del aire y la refrigeración, minimizando así el consumo de energía y maximizando al mismo tiempola eficiencia térmica.
- Refrigeración: Las simulaciones CFD pueden utilizarse para modelizar los flujos de aire y calor en los centros de datos. Esto ayuda a optimizar la ubicación de los servidores, la disposición de los bastidores y los sistemas de ventilación para garantizar una refrigeración eficaz y reducir los costes energéticos.
- Consumo de energía: Al analizar el flujo de aire y la distribución térmica, los estudios CFD pueden identificar estrategias para mejorarla eficiencia energética. Esto puede incluir la optimización de los sistemas de refrigeración existentes o el diseño de nuevos métodos más sostenibles.
- Gestión de recursos: los modelos CFD ayudan a predecir el rendimiento de los sistemas de aire acondicionado y a prever mejor las necesidades de energía y refrigeración, facilitando así una gestión eficiente de los recursos.
- Seguridad: El CFD se utiliza para simular y planificar la gestión de riesgos en caso de sobrecalentamiento o fallo del sistema, ayudando a diseñar sistemas de emergencia, extracción de humos y sistemas de extinción de incendios.
Al integrar el análisis CFD en su diseño, los centros de datos a hiperescala pueden mejorar su eficiencia operativa, reducir su impacto medioambiental y mejorar su seguridad, utilizando datos y simulaciones precisas para consolidar las decisionesrelacionadas con el clima yla energía.
En EOLIOS ingénierie, comprendemos perfectamente la importancia de estas simulaciones para diseñar sistemas de refrigeración eficientes. Con nuestra experiencia en CFD, ayudamos a garantizar un funcionamiento fluido y eficiente, reduciendo costes y contribuyendo a la sostenibilidad medioambiental de los centros de datos a hiperescala.
Estudio interno: uso del CFD para reducir el riesgo de sobrecalentamiento
CFD, un aliado para la eficiencia energética de las salas de datos
Laoptimización de las salas de datos en los centros de datos es crucial, y el uso de la simulación informática (CFD ) desempeña un papel clave en ello. Al analizar los flujos de aire, la distribución de la temperatura y la interacción entre los equipos, la CFD permite diseñar sistemas de refrigeración más eficientes. Ayuda a identificar los puntos calientes, optimizar la circulación del aire y reducir los costes energéticos ajustando el aire acondicionado y la disposición de los bastidores. De este modo, el uso juicioso del CFD no sólo garantiza un mejor rendimiento operativo y una mayor fiabilidad del sistema, sino que también ayuda a reducir lahuella de carbono de los centros de datos, en línea con las crecientes exigencias medioambientales.
Composición y funcionamiento de una sala de datos: bastidores, sistemas de refrigeración y distribución de energía
La sala de datos de un centro de datos es una zona dedicada a albergarequipos informáticos cruciales para el procesamiento y almacenamiento de datos. Se compone principalmente de bastidores, que albergan servidores, unidades de almacenamiento y conmutadores para la gestión de la red.
Las estanterías suelen disponerse en filas organizadas en pasillos calientes y fríos, una configuración que optimiza el flujo de aire y la refrigeración al separar el aire caliente expulsado del aire frío utilizado para enfriar los equipos.
Los sistemas de refrigeración incluyen climatizadores de precisión o enfriadores refrigerados por agua, diseñados para mantener temperaturas óptimas y estables, a pesar del calor generado por los servidores en funcionamiento.
Para garantizar un suministro de energía fiable, la sala de datos dispone de sistemas de distribución deenergía redundantes, a menudo respaldados por generadores de emergencia y sistemas SAI para garantizar un suministro de energía continuo en caso de corte.
Los sensores inteligentes controlan constantemente las condiciones ambientales, como la temperatura y la humedad, así como el rendimiento de los equipos, lo que permite a los administradores reaccionar rápidamente ante las anomalías y garantizar un funcionamiento óptimo.
Optimización térmica interna de los centros de datos: retos y soluciones de EOLIOS ingénierie
En este estudio en profundidad, se detectó un problema de sobrecalentamiento en la sección izquierda de la sala de datos, que es crucial para el buen funcionamiento de todo el centro de datos. Este sobrecalentamiento se produce cuando fallan simultáneamente dos sistemas de refrigeración. Los bastidores de esta sección de la sala pueden alcanzar entonces temperaturas de 35°C, muy por encima del punto de ajuste máximo de 28°C. Estas condiciones comprometen no sólo el rendimiento, sino también la fiabilidad de los equipos, aumentando el riesgo de fallos que podrían afectar a la integridad de los datos y la continuidad del servicio.
La situación se complica aún más por la instalación de rejas antirrobo y la configuración espacial de la sala, que generan una distribución desigual de la presión.
Mapa de temperatura y presión internas del centro de datos según distintos escenarios antes de la optimización
En los pasillos calientes del lado izquierdo de la nave se forma una importante zona de sobrepresión que dificulta la evacuación eficaz del aire caliente generado por los servidores. Este desequilibrio crea un fenómeno de recirculación en el que el aire caliente se vuelve a introducir en el sistema, lo que agrava el problema mediante un proceso de bucle, y aumenta la tasa de fugas delpasillo caliente, acelerando así el aumento de temperatura.
La distribución desigual de los bastidores es otro factor que contribuye, ya que se espera que los sistemas de refrigeración averiados se encarguen de la elevada carga térmica de la isla de bastidores más alejada, lo que hace que este sector sea especialmente vulnerable.
Para afrontar este complejo reto, los ingenieros de EOLIOS desarrollaron y propusieron una serie de soluciones innovadoras. Mediante conversaciones en profundidad y una comunicación eficaz con el cliente, pudieron analizar las opciones propuestas y determinar el mejor enfoque para mitigar el problema. Esta solución se aplicó de acuerdo con todas las partes interesadas, garantizando una respuesta óptima y sostenible a los problemas detectados en la sala de datos.
Estudio interno: uso del CFD para reducir el riesgo de sobrecalentamiento
Optimizar los sistemas de refrigeración: mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de los centros de datos
Optimizar los sistemas de refrigeración, como enfriadoras y generadores, es esencial para garantizar el rendimiento de los centros de datos. Con altas densidades de servidores y equipos electrónicos, que pueden superar los 10 kW por rack, la gestión térmica se convierte en un reto importante. Un sobrecalentamiento incontrolado puede provocar fallos en el hardware, reducir la fiabilidad y disponibilidad del servicio y degradar prematuramente los equipos.
En consecuencia, optimizar los sistemas de refrigeración no consiste sólo en mantener una temperatura estable y adecuada; también es crucial para reducir los costes energéticos, que representan una parte importante de los gastos de funcionamiento de los centros de datos. Además, al minimizar el consumo de energía, esta optimización contribuye a reducir lahuella de carbono de las instalaciones, lo que está en consonancia con las crecientes exigencias de sostenibilidad medioambiental del sector. Las simulaciones numéricas realizadas proporcionaron información detallada sobre las temperaturas del sistema para distintos escenarios.
Composición de los sistemas críticos del centro de datos: enfriadores de aire y generadores
Los centros de datos, centros neurálgicos de las modernas infraestructuras digitales, necesitan una serie de sofisticados equipos para funcionar con eficacia. Entre estos equipos, los refrigeradores de aire y los generadores desempeñan un papel crucial.
Un intercambiador de calor refrigerado por aire es un equipo esencial en los centros de datos, diseñado para disipar el calor generado por el funcionamiento de los equipos informáticos. Es un intercambiador de calor AIRE-AGUA. Funciona utilizandoel aire exterior para extraer el calor de los sistemas de refrigeración, evitando así una acumulación excesiva de calor. Al garantizar un flujo constante de aire fresco, los enfriadores de aire contribuyen a la estabilidad térmica de las instalaciones, preservando laintegridad de los equipos y reduciendo los costes energéticos asociados al aire acondicionado.
Los generadores también son dispositivos críticos en los centros de datos, ya que proporcionan energía de reserva en caso de fallo de la red principal. Su función es proporcionar una fuente de energía fiable y continua para evitar cualquier interrupción de las operaciones, lo que es vital para la disponibilidad de los servicios y la protección de los datos. En caso de corte del suministro eléctrico, los generadores se encienden automáticamente, asumiendo la carga eléctrica de los equipos y sistemas de refrigeración del centro de datos. Gracias a estos generadores, los centros de datos pueden mantener una alta disponibilidad y resistencia frente a los riesgos del suministro eléctrico, garantizando la continuidad del servicio, esencial para las modernas infraestructuras digitales.
Composición de los sistemas críticos del centro de datos: enfriadores de aire y generadores
Como parte de cada estudio, EOLIOS Ingénierie elabora un modelo 3D detallado, esencial para las simulaciones CFD. Para este proyecto, el modelo 3D integra todos los sistemas, así como los elementos que influyen en la aeráulica, como los enfriadores de aire y los generadores.
El modelo se construye utilizando los modelos 3D suministrados, los planos del emplazamiento y las hojas de datos de los equipos. Las hojas de datos se utilizan para determinar las características esenciales, como los caudales de aire y las pérdidas de potencia, garantizando que cada componente del sistema esté representado con precisión en la simulación. La creación de este gemelo digital permite un análisis preciso y detallado de las condiciones de funcionamiento de los sistemas de refrigeración y facilita la identificación de posibles puntos de mejora.
Los ingenierosde EOLIOS destacan por su profunda experiencia en el mallado y la convergencia, que son esenciales para la precisión y fiabilidad de las simulaciones numéricas, sobre todo en entornos complejos como los centros de datos. Un mallado de calidad es crucial, ya que determina cómo se subdivide el espacio de simulación en elementos discretos, lo que repercute directamente en la precisión de los resultados. Una malla fina y bien estructurada permite captar con precisión las variaciones del flujo de aire y los gradientes de temperatura, lo que es esencial para modelizar correctamente fenómenos aeráulicos como el looping. Además, una buena malla favorece una mejor convergencia de los cálculos, garantizando que los resultados obtenidos sean estables y representativos de las condiciones reales. Gracias a sus conocimientos, los ingenieros de EOLIOS optimizan la malla para garantizar simulaciones robustas y fiables, que permitan desarrollar soluciones precisas y eficaces para la refrigeración de centros de datos y otros entornos críticos.
Análisis CFD y condiciones meteorológicas
Para simular unas condiciones de funcionamiento realistas, se llevó a cabo un análisis meteorológico en profundidad utilizando datos de la estación meteorológica más cercana al emplazamiento. Este análisis se utilizó para determinar las variables clave, como la temperatura exterior y la velocidad ydirección del viento, que influyen significativamente en el comportamiento térmico del centro de datos. Al incorporar estos datos a la simulación CFD, EOLIOS puede evaluar con precisión el rendimiento de los sistemas de refrigeración en escenarios reales, garantizando que las soluciones propuestas se adapten a las condiciones específicas del emplazamiento.
Los escenarios desarrollados para este proyecto son los siguientes:
- La influencia de las diferentes direcciones principales del viento.
Para la dirección del viento más desfavorable, se estudiaron dos modelos de extracción del generador:
- Extracción con descarga a nivel del grupo electrógeno.
- Extracción con una chimenea de 3 metros para una mayor descarga. La finalidad de este conducto es reducir la necesidad de que los generadores hagan un bucle sobre sí mismos.
Resultados de los estudios CFD: innovaciones y soluciones sostenibles para optimizar la refrigeración en los centros de datos a hiperescala
Estudio de los vientos dominantes: estrategia para reducir los bucles entre enfriadores de aire
Tras el análisis meteorológico, se identificaron dos vientos predominantes. Se simularon los dos vientos predominantes. Los resultados de estos estudios pusieron de manifiesto diversos fenómenos aeráulicos que afectaban a las temperaturas y alsuministro de aire a los sistemas. Se identificaron fenómenos de bucle entre los sistemas, que provocan un aumento de las temperaturas de entrada del aire de refrigeración. Las calorías evacuadas son aspiradas de nuevo por los mismos sistemas o por los sistemas circundantes.
Estos fenómenos se identificaron principalmente en los primeros enfriadores de aire expuestos al viento. El viento favorece el retroceso de los penachos térmicos, lo que amplifica los fenómenos de bucle. En el resto de la cubierta, el fenómeno es menor y más localizado. En este caso, se debe principalmente a la falta de suministro de aire, que provoca la succión de los sistemas en la parte superior.
La densidad de los sistemas en los tejados también favorece estos fenómenos. La potencia por m2 es especialmente elevada en este centro de datos, lo que contribuye a un aumento general de la temperatura. Además, el aumento del número de sistemas en el tejado también limita la circulación del aire y favorece la aparición de zonas de baja velocidad propicias al estancamiento calórico. Estas zonas de estancamiento se han identificado en particular alrededor de los transformadores. Las temperaturas alrededor de estos sistemas rondan los 50ºC.
Para reducir la formación de bucles, se estudió la posibilidad de añadir un capó a los sistemas. La adición de un revestimiento opaco elimina la succión de los sistemas en la parte superior, que se carga de calor. Las temperaturas registradas con este nuevo diseño se han reducido en casi 2°C. Como resultado, también se ha reducido la pérdida de potencia de refrigeración, mejorando laeficacia global de los sistemas de refrigeración.
Estudio de diferentes modelos de extracción para optimizar los sistemas de refrigeración
Una de las direcciones del viento en el emplazamiento es especialmente desfavorable para los sistemas de refrigeración. Este viento dirige los gases de escape de los generadores, situados cerca del edificio, directamente al tejado donde se encuentran las unidades refrigeradas por aire. Como consecuencia, los penachos de calor emitidos por los generadores son aspirados por las enfriadoras, provocando un aumento de las temperaturas de aspiración y afectando a su rendimiento. Además, esta dirección del viento también puede hacer que los generadores hagan un bucle sobre sí mismos, dando lugar a riesgos similares a los observados en las enfriadoras refrigeradas por aire. Por eso se ha realizado un estudio específico para analizar el alcance de estos fenómenos.
A pesar de la escasa recurrencia de este viento desfavorable, es necesario tener en cuenta esta dirección del viento ante los riesgos de subida brusca de temperatura que podría provocar la parada de los generadores en los enfriadores de aire.
Los resultados iniciales pusieron de manifiesto el fenómeno del bucle de retorno de los generadores sobre sí mismos. Aunque la adición de un conducto de escape de 3 metros ha reducido parcialmente este fenómeno, sigue presente debido a un suministro insuficiente de aire fresco en la entrada de los sistemas, lo que aumenta la entrada de aire caliente en la parte superior.
La descarga de los generadores también tiene un impacto significativo en las temperaturas de aspiración de los enfriadores de aire de la azotea. Los penachos de los generadores son aspirados por los enfriadores. Además de este fenómeno, también se ha demostrado que los enfriadores hacen un bucle sobre sí mismos. La combinación de estos dos fenómenos provoca un aumento significativo de la temperatura, con el riesgo de que fallen los sistemas.
Para mitigar estos impactos, también se realizó un estudio, teniendo en cuenta las condiciones de viento desfavorables y la adición de un capó sobre los sistemas. Esta solución permitió reducir considerablemente las temperaturas medias de aspiración de las enfriadoras, con una reducción de casi 4°C a 5°C. La adición de la cubierta eliminó la necesidad de hacer bucles entre los enfriadores, mejorando así su eficacia. Sin embargo, las emisiones de los generadores siguen afectando a los enfriadores de la cubierta, aunque la pérdida de potencia se ha reducido gracias a este diseño.
Análisis de la potencia de refrigeración disponible para centros de datos a hiperescala
Los refrigeradores de aire están diseñados para proporcionar la potencia de refrigeración que necesitan las salas de datos, manteniendo unas condiciones óptimas para el funcionamiento de los equipos informáticos. Esta potencia de refrigeración está garantizada para el funcionamiento en condiciones «estándar», es decir, para temperaturas de entrada inferiores a un umbral predefinido. Cuando se supera este umbral de temperatura, el rendimiento de los sistemas de refrigeración disminuye y ya no son capaces de suministrar toda la potencia necesaria, lo que puede afectar a la fiabilidad yeficacia del sistema de refrigeración global.
Para solucionar este problema, EOLIOS realizó un estudio para cuantificar la pérdida de potencia en frío en función de las lecturas de temperatura de admisión del sistema.
Estas simulaciones han permitido evaluar y comparar las distintas soluciones posibles para optimizar el rendimiento de los enfriadores de aire en distintas condiciones.
La solución propuesta por EOLIOS ha demostrado ser especialmente eficaz, ya que reduce la pérdida de potencia en un factor de 5 en comparación con el diseño inicial. Esta importante mejora no sólo garantiza una mayor estabilidad térmica en las salas de datos, sino que también optimiza laeficiencia energética de las instalaciones, reduciendo los costes de funcionamiento y los riesgos asociados al sobrecalentamiento de los equipos.
La experiencia de EOLIOS ingénierie en la resolución de problemas termo-aerodinámicos en centros de datos
Recomendaciones adaptadas a cada proyecto
Gracias a su experiencia en simulación numérica, y más concretamente en simulación externa de centros de datos, EOLIOS pudo proponer varias soluciones adaptadas al proyecto para mitigar los fenómenos de bucle. Se consideraron soluciones fáciles de prever y poco costosas, como la reubicación de los sistemas o la instalación de cerramientos. También se discutieron soluciones más costosas, como la creación desalidas para evacuar los penachos a terrenos más elevados. Tras consultar con nuestro cliente, se seleccionaron algunas soluciones para un nuevo estudio CFD. Las soluciones seleccionadas se simularon rigurosamente. Permitieron reducir considerablemente las temperaturas de aspiración de los sistemas, mejorando así su eficacia. A la vista de los resultados y del coste de la instalación, se optó por un diseño con una nueva disposición de los sistemas y la instalación de cubiertas en los enfriadores.
El análisis detallado de la capacidad de refrigeración disponible también ha permitido cuantificar con precisión las ventajas de cada solución, proporcionando una evaluación clara del impacto en el rendimiento del sistema de refrigeración.
Gracias a este estudio, EOLIOS ha podidooptimizar el diseño de los sistemas de tejado. Esta optimización reducirá el riesgo de averías en los sistemas y la pérdida de potencia debida a las altas temperaturas. Además, el diseño permitirá reducir los costes energéticos del funcionamiento anual de los sistemas de refrigeración. Un estudio más profundo también permitiría cuantificar elahorro asociado a este diseño optimizado.
Vídeo resumen del estudio
Resumen del estudio
El estudio realizado por EOLIOS ingénierie se centra en laoptimización térmica de los centros de datos a hiperescala, mediante simulaciones CFD (Dinámica de Fluidos Computacional). Este enfoque permite mejorar la circulación del aire y laeficacia de los sistemas de refrigeración, reduciendo así el consumo de energía y lahuella de carbono. Los centros de datos a hiperescala, utilizados por gigantes tecnológicos como Amazon y Google, requieren soluciones modulares, automatizadas y sostenibles. EOLIOS ha identificado problemas como el sobrecalentamiento y la formación de bucles, y ha propuesto soluciones como la instalación de capós para mitigar estos fenómenos. La integración de gemelos digitales para simulaciones precisas ha permitido prever mejoras significativas. Trabajando en estrecha colaboración con los clientes, EOLIOS ha optimizado la configuración de los sistemas de refrigeración, aumentando su eficacia y reduciendo al mismo tiempo los costes energéticos. Este estudio demuestra el impacto crucial de las simulaciones CFD en el rendimiento y la sostenibilidad de los centros de datos modernos.
Vídeo resumen de la misión
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