Informe: Utilización de CFD para centros de datos
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Virtualización: un fuerte aumento de la densidad térmica
Potenciar las infraestructuras digitales: Virtualización e IA
La demanda mundial de infraestructura digital está creciendo exponencialmente, impulsada por el auge de la nube, la IA, el IoT y las aplicaciones intensivas en datos. En este contexto, los centros de datos desempeñan un papel esencial: albergan los servidores, equipos de almacenamiento y redes necesarios para procesar y distribuir la información.
Al mismo tiempo, la carga térmica de los centros de datos ha aumentado considerablemente. La miniaturización de los equipos, la virtualización masiva de los servidores y la proliferación de aplicaciones de IA están generando mucho más calor por unidad que antes. Mientras que antes bastaba con una capacidad de refrigeración de 5 kW por rack, ahora muchos servidores superan los 10 kW por rack, y algunas instalaciones llegan hasta los 45 kW.
En este contexto de intensificación del calor, el control de los flujos de aire y de la refrigeración se vuelve crítico y se plantea una cuestión central:
"¿Es capaz el sistema de aire acondicionado de soportar el 100% de la carga térmica, incluso en condiciones degradadas?"
Consecuencias económicas y materiales
Los retos térmicos en los centros de datos pueden tener consecuencias significativas y multidimensionales. Una mala gestión del calor puede provocar un aumento significativo de los costes de funcionamiento, relacionados con el consumo de energía y el mantenimiento correctivo.
También puede reducir la vida útil de los equipos informáticos, ya que los componentes electrónicos son sensibles a las variaciones de temperatura y al sobrecalentamiento repetido. Esto aumenta el riesgo de fallos repentinos del hardware o interrupciones del servicio, que pueden afectar a la continuidad de la empresa y generar elevados costes de explotación.
Por último, estos problemas térmicos pueden limitar la capacidad de aumentar las cargas de trabajo informáticas, bloqueando los proyectos de expansión y la puesta en marcha de infraestructuras.
Los métodos convencionales de cálculo térmico, basados en fórmulas simplificadas o tablas de Excel, no bastan para prever el comportamiento de los sistemas en condiciones críticas, como un fallo del aire acondicionado, cortes de electricidad o mantenimiento de los bastidores, lo que dificulta aún más el control de estos riesgos .
Para afrontar estos retos, la simulación digital CFD (Dinámica de Fluidos Computacional ) es una herramienta estratégica. Permite modelizar con precisión los flujos de aire, la presión, la distribución térmica y las configuraciones de refrigeración, yanticipar los escenarios más críticos. Gracias a este enfoque, es posible diseñar y explotar centros de datos más fiables y optimizados, evitando cualquier riesgo de sobrecalentamiento o mal funcionamiento.
Desafíos térmicos en los centros de datos
Controlar la temperatura de un centro de datos es un ejercicio complejo, resultado de múltiples interacciones: arquitectura del edificio, densidad de carga informática, dinámica del flujo de aire, tecnologías de refrigeración y cambios operativos.
Densificación de las cargas de trabajo informáticas
Los servidores modernos, sobre todo los diseñados para aplicaciones informáticas intensivas comola inteligencia artificial (IA) o la informática de alto rendimiento (HPC), pueden disipar varias decenas de kilovatios por bastidor. Esta alta densidad de equipos genera una importante carga térmica en los centros de datos, que requiere sistemas de refrigeración especialmente potentes, con un margen de error considerablemente reducido. A medida que aumenta la potencia, también aumentan los riesgos de puntos calientes y recirculación de aire caliente .
La densificación de los servidores requiere, por tanto, no sólo un dimensionamiento preciso de las instalaciones de refrigeración, sino también una gestión activa de los flujos de aire y un control térmico riguroso para garantizar un entorno estable y seguro para los equipos.
Formación de puntos calientes
Los puntos calientes son zonas en las que la temperatura supera los umbrales recomendados por las normas ASHRAE. Pueden producirse como consecuencia de una mala distribución del flujo de aire,obstáculos físicos, colocación de los bastidores, unidades de refrigeración mal calibradas, variaciones de carga o modificaciones de la disposición, como la adición de servidores o bastidores adicionales.
Incluso en centros con cargas térmicas bajas, estos desequilibrios térmicos tienen un impacto directo en la fiabilidad y la vida útil de los equipos. Los componentes electrónicos, sobre todo los procesadores y la memoria, son sensibles a las variaciones de temperatura y pueden experimentar una reducción de su rendimiento y longevidad. Además, las temperaturas localmente elevadas aumentan el riesgo de fallos repentinos del hardware, lo que puede provocar costosos tiempos de inactividad.
A menudo invisibles sin herramientas especializadas, estos puntos calientes requieren intervenciones difíciles de predecir. La simulación CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) es una herramienta clave para detectar, anticipar y prevenir estas zonas críticas, optimizando la circulación del aire y la gestión térmica en los centros de datos.
Simulación CFD - Puntos calientes en los pasillos
Recirculación de aire caliente
La recirculación del aire en un centro de datos es el fenómeno por el queel aire caliente expulsado por los servidores vuelve al pasillo frío antes de haberse enfriado adecuadamente. Este fenómeno altera el flujo de calor previsto y puede tener un impacto significativo en el funcionamiento y la eficacia del sistema de refrigeración .
Cuando el aire caliente se mezcla con el aire frío del pasillo frío, aumenta la temperatura a la entrada de los bastidores. Los servidores reciben entonces aire ya calentado, lo quereduce la eficacia de la refrigeración y puede provocar importantes variaciones térmicas. Esta falta de refrigeración también aumenta el riesgo de puntos calientes, que pueden comprometer la fiabilidad y la vida útil de los equipos.
La recirculación también significa que las unidades de aire acondicionado consumen más energía. Los sistemas tienen que suministrar más aire frío para compensar el flujo mixto, lo que aumenta el consumo de energía y reduce la eficiencia global del centro de datos.
Hay varias causas posibles de este fenómeno. Los pasillos mal cerrados, por ejemplo la ausencia de cepillos o paneles ciegos en las bahías, permiten que el aire caliente escape hacia el pasillo frío. Un confinamiento mal diseñado, como pasillos fríos o calientes abiertos o parcialmente compartimentados, también favorece el retorno del aire caliente. Por último, un flujo de aire insuficiente, que no permite expulsar eficazmente el aire caliente, contribuye a aumentar la recirculación.
Simulación CFD - Recirculación de aire caliente en sistemas
Ante la incertidumbre o el riesgo de puntos calientes, muchos operadores optan por sobreenfriar la sala. Como resultado, las unidades de climatización funcionan a mayor potencia de la que realmente se necesita, aumentando la PUE (Eficacia del Uso de la Potencia) y los costes energéticos, a veces de forma significativa. El reto es enfriar exactamente lo que se necesita, donde se necesita, sin derrochar. Así que una gestión rigurosa de la arquitectura de los pasillos, combinada con un dimensionamiento adecuado de los flujos de aire, es esencial para limitar la recirculación y mantener unas condiciones óptimas de refrigeración en un centro de datos.
Control de temperatura y humedad
La temperatura y la humedad son factores esenciales para garantizar el funcionamiento fiable y a largo plazo de un centro de datos. Una temperatura demasiado alta acelera el desgaste de los componentes electrónicos, reduce la eficacia de los sistemas de almacenamiento y aumenta el riesgo de averías. A la inversa, un exceso de humedad puede causar condensación en los circuitos, lo que provoca cortocircuitos y pérdida de datos. A la inversa, una humedad demasiado baja favorece la electricidad estática, que puededañar los componentes sensibles.
Controlar la humedad es, por tanto, un factor clave para proteger las infraestructuras digitales. Tiene un impacto directo en la seguridad de los equipos, la durabilidad de los servidores y la estabilidad de los sistemas críticos de almacenamiento de datos. En entornos de alta densidad informática, como los centros que albergan servidores para inteligencia artificial o informática de alto rendimiento, la gestión precisa de la temperatura y la humedad se vuelve aún más crítica. El más mínimo desequilibrio puede aumentar el riesgo de sobrecalentamiento, recirculación de aire caliente o fallo del hardware, lo que repercute tanto en la continuidad del servicio como en el consumo de energía.
Afinar estos parámetros no sólo ayuda a prevenir incidentes, sino también a optimizar la eficiencia energética del centro, evitando una refrigeración excesiva o mal orientada, que consumiría energía innecesaria sin ningún beneficio real en términos de protección de los equipos.
Encender fuegos
Los centros de datos presentan riesgos específicos de incendio relacionados con la alta concentración de equipos eléctricos y electrónicos y suministros eléctricos de alta potencia. Un fallo de hardware, un cortocircuito, un sobrecalentamiento local o un fallo en el suministro eléctrico pueden provocar rápidamente un incendio. Aunque los materiales utilizados suelen cumplir las normas de seguridad, la combustión de los componentes electrónicos genera humos densos, tóxicos y corrosivos, que representan un peligro importante para las personas y los equipos.
Además del riesgo de propagación del incendio, la rápida acumulación de humo caliente puede perjudicar grav emente la visibilidad en las instalaciones, complicar la respuesta de los equipos de emergencia y provocar un rápido aumento de la temperatura ambiente. En un entorno confinado como un centro de datos, estos fenómenos pueden producirse en cuestión de minutos, por lo que el control de los flujos de aire y el dimensionamiento de los sistemas de extracción de humos son especialmente críticos.
En este contexto, la simulación numérica mediante CFD es una herramienta esencial para analizar y anticipar el comportamiento de un edificio en una situación de incendio. Puede utilizarse para modelizar la propagación del humo, los cambios de temperatura y la influencia de los flujos aeráulicos generados por la ventilación o la extracción de humos. En particular, la CFD puede utilizarse paraevaluar la eficacia de los sistemas de extracción de humos,identificar las zonas en las que el humose estanca y comprobar que las vías de evacuación siguen siendo transitables.
El objetivo principal de estas simulaciones es garantizar unas condiciones de intervención aceptables para los servicios de emergencia, asegurando una visibilidad suficiente y unas temperaturas compatibles con su intervención. La CFD se utiliza para comprobar que la extracción de humos se activa de forma que limite eficazmente la acumulación de humo, facilite su evacuación al exterior y mantenga unas condiciones térmicas controladas durante toda la intervención. Estos análisis contribuyen a mejorar la seguridad, limitar los daños materiales y validar la conformidad de las instalaciones con los requisitos de seguridad contra incendios.
Simulación CFD: una herramienta indispensable
¿Qué es la simulación CFD?
La Dinámica de Fluidos Computacional(CFD) es un método de simulación digital para modelizar el comportamiento de los fluidos y los fenómenos térmicos asociados. Mediante un software especializado, el ingeniero construye un modelo tridimensional del objeto estudiado, define las condiciones de contorno, elige los modelos físicos pertinentes (convección, conducción, radiación, transferencia de calor, dinámica del flujo, etc.) y selecciona un método de cálculo.
Sigue una fase de iteraciones: en función de los resultados obtenidos, el modelo se ajusta para representar mejor los fenómenos físicos reales. El objetivo de la modelización CFD es comprender, analizar y optimizar el comportamiento térmico y fluídico de un sistema, para aportar una solución fiable a los problemas de diseño o funcionamiento detectados.
Los resultados de las simulaciones son una herramienta de toma de decisiones: pueden utilizarse para mejorar el diseño inicial de una planta, identificar cuellos de botella yoptimizar el rendimiento operativo.
Una herramienta de comprensión y visualización
La gestión térmica es crucial en los centros de datos. Un rápido aumento de la temperatura debido a un fallo de refrigeración puede provocar fallos simultáneos en los equipos, amenazando la continuidad del servicio. A diferencia de las mediciones puntuales tradicionales, el CFD ofrece una visión global y predictiva, que permiteanticiparse a los problemas antes de que se produzcan.
- Visualizar lo invisible
La CFD hace visibles y cuantificables los fenómenos aeráulicos y térmicosque no pueden observarse directamente a simple vista. En particular, pone de relieve las trayectorias de los flujos de aire, las zonas de recirculación de aire caliente, los gradientes de temperatura, las zonas de sobrecalentamiento localizado y los efectos de las turbulencias y las variaciones de presión. Esta capacidad de visualización tridimensional es una herramienta especialmente relevante en el contexto de los centros de datos, donde los flujos son muy complejos y la creación de prototipos físicos a gran escala es poco realista, si no imposible. La CFD proporciona así una comprensión detallada del comportamiento térmico de las instalaciones, lo que permiteanticiparse a las averías antes de cualquier modificación o implantación in situ.
- Una herramienta de predicción y optimización
El CFD proporciona a los ingenieros una herramienta de toma de decisiones que les permiteevaluar y comparar virtualmentedistintas configuraciones antes de implantarlas in situ. En concreto, puedenanticipar el impacto de añadir o aumentar cargas informáticas, analizar la eficacia de las estrategias de contención de pasillos calientes y fríos, y predecir el comportamiento aeráulico y térmico del sistema en situaciones degradadas, como el fallo de una unidad de refrigeración. Este enfoque garantiza la validación de soluciones técnicas sin interrumpir el servicio, al tiempo que limita los riesgos operativos y evita los costes adicionales asociados a elecciones de diseño inadecuadas o correcciones a posteriori.
- Reducción de costes y rendimiento energético
La simulación CFD es una palanca importante para la optimización técnica y económica de los centros de datos. Permite orientar con precisión las necesidades reales de refrigeración y evitar el sobredimensionamiento de los equipos, reduciendo así las inversiones innecesarias en infraestructuras adicionales. Al optimizar la distribución de los flujos de aire y la eficacia de los sistemas de refrigeración, también contribuye a reducir significativamente el consumo energético de las instalaciones de climatización, limitando al mismo tiempo el sobreenfriamiento. En muchos casos, este ajuste permiteaumentar la capacidad informática sin necesidad de grandes infraestructuras nuevas.
Aplicaciones típicas de CFD en centros de datos
La CFD puede utilizarse para simular una amplia gama de escenarios críticos:
- Distribución del aire en pasillos fríos y calientes,
- Presión bajo el suelo elevado,
- Temperatura alrededor de los sistemas,
- Rendimiento de las unidades CRAC/CRAH,
- Contención eficaz,
- Impacto del fallo de una unidad de refrigeración
- Consecuencia de una variación de carga
- Comparación de diferentes configuraciones de refrigeración
Estos análisis pueden utilizarse para tomar decisiones informadas sobre el diseño y el funcionamiento de los centros de datos, ofreciendo un nivel de precisión inalcanzable por las sondas térmicas por sí solas o por la experiencia empírica.
Software CFD para centros de datos
El mercado ofrece una gran variedad de paquetes de software capaces de simular flujos y fenómenos termodinámicos: ANSYS, Autodesk CFD, XFlow, OpenFOAM, Phoenics, FlowVision, STAR-CD, TileFlow, Sigma6Room, Gas Dynamics Tool, etc.
Algunas herramientas, como TileFlow o Sigma6, incorporan bibliotecas específicas para centros de datos (ventiladores, unidades de aire acondicionado, baldosas perforadas, equipos informáticos), lo que simplifica la modelización a los ingenieros menos experimentados. No obstante, la calidad de los análisis depende en gran medida de lapericia del especialista en CFD, capaz de ajustar correctamente los modelos e interpretar con rigor los resultados.
Proceso de realización de un estudio CFD
Recogida de datos
La recogida de datos es la fase inicial y decisiva de cualquier estudio CFD, ya que condiciona directamente la fiabilidad y pertinencia de las futuras simulaciones numéricas.
Esta etapa se basa principalmente en elanálisis de información técnica, como planos de disposición, características de los equipos, diagramas de flujo de aire, potencia disipada y datos nominales de funcionamiento. Esta información se utiliza para caracterizar las velocidades del aire, los niveles de presión, los campos de temperatura y los caudales, así como para identificar obstáculos, trayectorias de flujo preferentes y posibles zonas de fuga.
Esta fase de análisis es esencial para establecer una base de modelización coherente, definir correctamente las hipótesis y parametrizar las condiciones de contorno, al tiempo que pone de relieve los primeros puntos críticos susceptibles de repercutir en el rendimiento térmico y aerólico del sistema.
Crear el modelo 3D
La creación de un modelo tridimensional es una etapa clave del estudio CFD, ya que permite representar fielmente el centro de datos en forma de gemelo digital que puede utilizarse para los cálculos. Este modelo tridimensional se crea mediante herramientas de diseño asistido por ordenador (CAD) e incorpora todos los elementos geométricos que influyen en el flujo de aire y la transferencia de calor.
Se definen con precisión el tamaño y el volumen de la sala, así como la disposición de los bastidores informáticos y los armarios de telecomunicaciones, para reproducir las vías reales de circulación del aire. Se modela el suelo técnico, teniendo en cuenta su altura y la posición e índice de perforación de las losas, que determinan cómo se inyecta el aire frío. Se integran los equipos de aire acondicionado con sus características funcionales, incluidos los caudales, velocidades y direcciones de los flujos de aire, así como el tipo de ventiladores y la orientación del aire de impulsión. También se tienen en cuenta los obstáculos que pueden perturbar el flujo, como bandejas de cables o estructuras auxiliares.
Esta modelización detalladaevita las suposiciones simplificadoras o el sobredimensionamiento comúnmente utilizados en ausencia de CFD, y proporciona una base realista para predecir con exactitud las condiciones térmicas y aeráulicas del centro de datos, reduciendo el riesgo de un diseño subóptimo.
Condiciones límite
Las condiciones límite en la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) son un elemento fundamental de la modelización, ya que traducen matemáticamente la interacción entre el dominio computacional y su entorno físico. Definen, en los límites del dominio de malla, los valores impuestos o las relaciones funcionales de cantidades conservadas como la velocidad, la presión, la temperatura o el flujo de calor.
Según la naturaleza física del problema, se aplican distintos tipos de condiciones de contorno: condiciones de tipo Dirichlet que imponen un valor fijo (por ejemplo, velocidad o temperatura), condiciones de tipo Neumann que imponen un gradiente o flujo, o condiciones mixtas que combinan ambas. Las entradas y salidas del flujo suelen caracterizarse por perfiles de velocidad, flujo másico o presión, mientras que las paredes sólidas pueden modelarse como adherentes (condición antideslizante), isotérmicas o adiabáticas. Los modelos de turbulencia también requieren condiciones específicas para las cantidades turbulentas, coherentes con el régimen de flujo esperado.
La elección y la aplicación rigurosa de estas condiciones son esenciales para garantizar la estabilidad numérica, la convergencia de la solución y la representatividad física de los resultados, ya que cualquier incoherencia podría dar lugar a errores importantes o a soluciones no físicas.
Malla
La simulación matemática de los procesos de flujo de aire y transferencia de calor implica resolver numéricamente un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales de segundo orden no lineales.
Como el modelo numérico del espacio está formado por un número infinito de puntos, es imposible resolver las ecuaciones diferenciales parciales, ni siquiera numéricamente. Por tanto, la estructura se descompone en un número finito de puntos, lo que da lugar a una descomposición de la geometría en formas simples. Todos estos nodos y elementos constituyen la malla del modelo.
El software realiza una completa interrogación topológica de la geometría de análisis y determina el tamaño y la distribución de la malla en cada arista, superficie y en el volumen del modelo. La curvatura geométrica, los gradientes y la proximidad a la geometría vecina se tienen en cuenta al asignar el tamaño de los elementos y distribuir la malla. A continuación, los ingenieros encargados de los estudios afinan sistemáticamente la malla en las zonas de estudio específicas con gradientes elevados.
La malla se genera automáticamente en función de la geometría del modelo y de las condiciones de contorno mediante algoritmos(método de advección de tipo Petrov-Garlerkin 5) que definen la solución óptima de convergencia.
La malla producida es de tipo híbrido. Los elementos de este tipo de malla se generan sin ninguna restricción en su disposición, lo que permite generar geometrías complejas manteniendo una buena calidad de los elementos. La malla generada combina una mezcla de elementos de distintos tipos, tetraédricos, prismáticos o piramidales en 3D. Combina las ventajas de las mallas estructuradas y no estructuradas.
En cada uno de estos volúmenes, las ecuaciones de conservación se expresan en forma de ecuaciones algebraicas. Este conjunto de volúmenes finitos se denomina malla.
Análisis y optimización
El análisis y la optimización de los resultados es la fase final del estudio CFD, que permite transformar los datos numéricos en palancas concretas para mejorar el sistema.
Los resultados de los cálculos pueden utilizarse en diversas visualizaciones, como mapas de calor, campos de velocidad, secciones transversales verticales u horizontales y animaciones que representan las trayectorias e interacciones del flujo de aire. Estas representaciones facilitan la identificación de zonas críticas, como puntos calientes, recirculaciones indeseables, desequilibrios de flujo o pérdidas de eficacia de la ventilación.
A partir de estos análisis, se pueden proponer medidas correctoras, como reorganizar los equipos, ajustar los caudales y las direcciones del aire, modificar la disposición de las baldosas perforadas u optimizar la colocación de los sistemas de aire acondicionado. Los escenarios de simulación pueden iterarse para comparar distintas configuraciones y converger en una solución que ofrezca un funcionamiento térmico y aeráulico óptimo y fiable, que cumpla los requisitos de funcionamiento del centro de datos.
Resumen
El software de simulación CFD puede representar con precisión el flujo de fluidos, ya sean líquidos o gaseosos, y todos los fenómenos físicos asociados, en particular la transferencia de calor. Basadas en la modelización termodinámica, estas herramientas ofrecenun análisis en profundidad del flujo de aire y del comportamiento térmico, lo que permite diseñar sistemas de alto rendimiento yponer a punto las instalaciones existentes, sobre todo en entornos complejos como los centros de datos.
Sin el uso del CFD, la evaluación fiable de la distribución de temperaturas y flujos de aire en una sala de ordenadores seguiría siendo en gran medida aproximada. Estas magnitudes son el resultado de lainteracción de numerosos parámetros, como la carga térmica disipada por los equipos informáticos, la disposición y el rendimiento de las unidades de aire acondicionado, las temperaturas de los fluidos caloportadores, la altura y configuración del suelo técnico, la disposición de las rejillas de impulsión y retorno, y el tipo y características de los ventiladores.
Al integrar simultáneamente todos estos factores, la simulación CFD se ha convertido en una herramienta esencial para comprender, anticipar y controlar el comportamiento térmico y aeráulico de un centro de datos, al tiempo que asegura las opciones de diseño y mejora la eficiencia energética global.
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Creada en Francia, EOLIOS Ingénierie es la consultora de referencia en simulación térmica y aeráulica para centros de datos en Europa y en todo el mundo. La empresa presta apoyo a operadores, diseñadores y propietarios de proyectos en todas las etapas de la vida de un centro de datos: diseño, optimización, renovación o ampliación.
Al combinar conocimientos científicos de vanguardia, herramientas de simulación de última generación y un profundo conocimiento del ecosistema de los centros de datos, EOLIOS Ingénierie es un socio de confianza para garantizar la disponibilidad, la seguridad y el rendimiento energético de las infraestructuras informáticas, anticipándose al mismo tiempo a los problemas de sostenibilidad.
EOLIOS
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