Simulación y optimización de penachos térmicos – Centro de datos
Simulation et optimisation des panaches thermiques - Data Center
Año
2025
Cliente
NC
Ubicación
Paris
Tipología
Data Center
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Optimización termo-aerodinámica del área técnica de un centro de datos
Cuestiones generales y contexto termo-aerodinámico
La zona técnica en el suelo del centro de datos estudiada por EOLIOS incluye enfriadores de aire, generadores y transformadores en un entorno urbano oculto donde puede producirse recirculación térmica debido al cerramiento y a la interacción entre la descarga y la aspiración. El objetivo principal es estabilizar la temperatura del aire que entra en los intercambiadores yhomogeneizar los campos de velocidad en la aspiración para aumentar la robustez en condiciones severas (vientos desfavorables, cargas elevadas), limitando al mismo tiempo el reflujo del penacho hacia las máquinas. La introducción de rejillas, como los capós, y de elementos filtrantes, como las rejillas, es una de las palancas estudiadas para romper los bucles y guiar un aporte de aire más favorable hacia los intercambiadores.
Además del propio equipo, la morfología del emplazamiento y la presencia de obstáculos cercanos (muros bajos, edificios vecinos, bastidores periféricos) desempeñan un papel decisivo. Pueden crear zonas de baja velocidad, recirculación lateral o vórtices de estela que inyectan localmente aire caliente en las proximidades de las tomas de aire. El estudio sitúa estos efectos en el contexto de una lectura «vientos dominantes / vientos de vuelco», para calificar la sensibilidad direccional del sistema y garantizar que las soluciones seleccionadas siguen siendo eficaces en una gama realista de condiciones meteorológicas y de funcionamiento.
EOLIOS es líder en simulación CFD externa para Centros de Datos. Nuestros estudios se basan en los resultados de campañas de medición en condiciones reales y en un centenar de centros simulados de todo el mundo.
Inicio del proceso EOLIOS: Auditoría del emplazamiento para CFD
Mediciones termográficas e hipótesis iniciales del bucle térmico
La auditoría in situ reveló una recirculación local alrededor de algunos de los enfriadores de aire, un desequilibrio en las temperaturas medidas entre dos salas de equipos, y un enfriador de aire con flujo insuficiente.
Estos índices confirman lanaturaleza heterogénea de la mezcla y el valor del tratamiento selectivo de las zonas sensibles y las trayectorias de los penachos. Las campañas de medición (anemometría, humos, imágenes térmicas) también señalan el efecto delas interferencias del suelo y las máscaras en la dispersión de los gases de escape calientes. Estos elementos se utilizaron para calibrar la modelización, situar las secciones transversales CFD y priorizar las mitigaciones susceptibles de proporcionar el mayor beneficio con el menor impacto en las operaciones.
Las lecturas termográficas muestran claramente zonas de recirculación de aire caliente (bucle térmico) alrededor de algunos enfriadores de aire. Las imágenes de infrarrojos muestran halos calientes y lenguas térmicas que se desarrollan alrededor de los capós transparentes, signo del descenso del penacho y de la reaspiración parcial por los intercambiadores de calor vecinos. En las inmediaciones de los capós y las carcasas de los enfriadores de aire, la temperatura aparente aumenta y se estira en la dirección del flujo, lo que indica una dilución insuficiente de las emisiones y una recirculación en trayectorias cortas. El fenómeno se amplifica cuando el viento incidente choca contra las pantallas o paredes laterales, creando zonas de baja velocidad y vórtices de estela que atrapan el aire caliente en las tomas de aire.
Además de las emisiones de las propias máquinas, la morfología de la zona técnica en el suelo contribuye a esta acumulación: entornos desordenados, carenados parciales que desvían los chorros sin elevarlos fuera de la zona de aspiración, conductos de cables y redes que reducen las secciones libres y generan sombras aeráulicas. En determinadas condiciones de viento, estos obstáculos crean bucles locales y efectos de pared que retrasan la evacuación del calor, favorecen la coalescencia de los penachos y acentúan el aumento de temperatura al pie de la unidad. En conjunto, estos hallazgos explican la sobretemperatura detectada por termografía alrededor de los enfriadores de aire y justifican medidas específicas de desviación y filtrado (capós continuos, rejillas orientadas) para romper los bucles, abrir los flujos y limpiar el aire de admisión.
La termografía muestra un bucle térmico acentuado directamente relacionado con la configuración cerrada de los enfriadores de aire. La presencia de una pared trasera actúa como una pared reflectante que limita la dispersión y atrae el penacho caliente corriente arriba. Bajo el efecto del viento incidente, el chorro queda parcialmente presionado contra la pared (efecto muro), la capa límite se espesa, la velocidad disminuye y aparece una inversión del flujo al pie de las máquinas. Esto crea una zona de baja velocidad con vórtices en forma de cuña que atrapan el aire caliente; las isotermas se tensan cerca de la pared y los capós, lo que indica una dilución insuficiente y un reflujo de calor hacia el escape.
Esta topología explica las mayores temperaturas aparentes registradas por las imágenes IR alrededor de estas unidades y la persistencia de bolsas calientes a pesar de una tasa de expulsión nominal. Justifica las medidas específicas de desviación y filtrado (capós continuos mejor conectados, rejillas orientadas, elevación o desplazamiento de fase de los escapes), destinadas a romper el bucle de recirculación, acelerar el asentamiento de la sala y decorrelacionar los penachos de las tomas de aire apoyadas en la pared.
Las decisiones tomadas por los equipos de EOLIOS al dividir la zona para facilitar la comunicación con el cliente
El perímetro abarca el área técnica sobre el terreno, dividida en tres sectores funcionales -zona izquierda, zona central y zona derecha – para reflejar las diferencias de exposición al viento, la proximidad de las paredes y la lógica de aspiración propia de cada unidad. El inventario incluye 11 enfriadoras, 8 generadores y 10 transformadores; los cerramientos ya están colocados en el lado derecho y la mayoría de las máquinas están equipadas con toberas. La configuración de los respiraderos de los EG, situados en el exterior, está diseñada para desviar los penachos y evitar que sean ingeridos por los enfriadores de aire vecinos.
Esta estructuración del emplazamiento, unida a la inclusión de los accesorios existentes, garantiza una representación fiel de las limitaciones reales y permite comparar los escenarios de forma pertinente: permite localizar con precisión las zonas más sensibles, clasificar las interacciones por orden de importancia (vertido/aspiración/máscaras) y orientar los tratamientos allí donde son más eficaces. También facilita el escalonamiento de las intervenciones y la definición de puntos de control durante el funcionamiento (calidad del aire de entrada, homogeneidad de la aspiración), de modo que las mejoras validadas durante el estudio puedan desplegarse y controlarse con un impacto mínimo en la actividad del centro.
Enfoque CFD y marco de análisis para el modelado CAD del recinto exterior del centro de datos
Modelización 3D adaptada al CFD del emplazamiento
El planteamiento se basa en un CFD termo-aerodinámico externo construido a partir de un modelo 3D detallado del área técnica, que incorpora la geometría real, los obstáculos y protecciones (revestimientos, ventiladores), los volúmenes de aire plenum y de retorno, así como las limitaciones periféricas (paredes, edificios vecinos, equipos auxiliares). El modelo se prepara para la simulación: limpieza del CAD, simplificación de los detalles no influyentes y refinamiento local de la malla en las entradas de aire, descargas y zonas decerramiento. El dominio de cálculo se amplía para captar las reinyecciones de medio alcance y los efectos de estela; se aplican condiciones de viento representativas (incidencia, intensidad, rugosidad del emplazamiento) para reproducir fielmente el entorno urbano enmascarado. Esta preparación garantiza una base física coherente, sin dejar de ser compatible con tiempos de cálculo razonables para iterar sobre las soluciones.
El renderizado favorece una lectura cualitativa en la entrada de los enfriadores de aire, mediante planos de velocidad, planos de temperatura, trazados/líneas de corriente e isosuperficies, lo que permite identificar los mecanismos de bucle y calificar la calidad del aire de entrada sin inflar las cifras. Las secciones transversales se colocan en el nivel de aspiración y cerca del suelo para revelar las zonas deaire estancado, mientras que la siembra de partículas se inyecta desde las descargas y los generadores para visualizar las trayectorias y los retornos de los penachos. Se presta especial atención a los huecos entre equipos, los bordes de los capós y las zonas de baja velocidad, donde se produce la mayor parte de la recirculación; a continuación, el análisis cruza la homogeneidad de la aspiración, el nivel de recirculación (bajo/medio/alto) y la estabilidad del flujo para proporcionar orientación operativa sobre las opciones de desviación y filtrado que deben aplicarse.
Utilización de una auditoría del emplazamiento para modelizar los modelos con mayor precisión
El modelo desarrollado por EOLIOS se basa fielmente en la arquitectura observada durante la auditoría e incorpora las características específicas de ladisposición en planta: carenados parciales, toberas, orientación de las rejillas en el exterior del GE, alturas útiles, distancias entre ejes, pantallas y obstáculos periféricos. Esta traducción del emplazamiento real en un modelo 3D para CFD va acompañada de una preparación CAD y un mallado con refinamientos en las entradas de aire, las descargas y las zonas de cerramiento, así como una calibración de las condiciones de contorno coherente con el contexto local(rugosidad del emplazamiento, impactos de viento representativos, niveles deemisión térmica y regímenes de funcionamiento). El objetivo no es producir un gemelo teórico, sino un modelo físicamente creíble capaz de reproducir los mecanismos deflujo y recirculación que determinan la calidad del aire de entrada.
A continuación, se utiliza el bucle del modelo auditoría ↔ para comparar iterativamente los resultados termográficos yanemométricos obtenidos sobre el terreno con los mapas CFD, ajustar las hipótesis de entrada (condiciones de apertura, selectividad/pérdidas de carga de las rejillas, coeficientes de descarga, rugosidad local, curvas del ventilador) y, en última instancia, calificar el nivel de confianza del modelo para fundamentar la decisión. Las desviaciones residuales se analizan mediante pruebas de sensibilidad y, si es necesario, se corrigen mediante ajustes puntuales de la malla o de los parámetros de funcionamiento simulados, hasta alcanzar una convergencia sólida en las líneas de flujo, lahomogeneidad de aspiración y los niveles de recirculación. El beneficio es doble: disponer de una representación anclada en la realidad y entregar a los equipos una rejilla de lectura operativa, donde cada escenario sea legible en términos deimpacto, prioridades de actuación y facilidad de aplicación.
Figura - Distribución de la temperatura y la presión en el interior de una sala de un centro de datos a hiperescala
Estudio de diferentes escenarios para encontrar la mejor solución posible
Visión general de los escenarios del estudio CFD
Se estudiaron cuatro configuraciones representativas:
- La referencia sin capó,
- La instalación de armarios a la izquierda,
- La combinación de capós y rejillas entre GE y enfriadores de aire,
- Y optimización selectiva de la zona derecha reequilibrando los rechazos.
Esta progresión paso a paso permite medir lacontribución incremental de cada palanca -primero los carenados, luego las rejillas, por último la distribución de las descargas en la zona recta- aislando su efecto específico y comprobando sus sinergias. Proporciona una lectura comparativa estable en diferentes condiciones de viento y estados de carga, confirma la durabilidad de las ganancias (no se trata de un simple desplazamiento del problema) y ofrece una vía clara de toma de decisiones: primero tratar las zonas cerradas y la recirculación térmica más estructurante, después afinar lahomogeneidad de aspiración y, por último, suavizar los gradientes restantes mediante una optimización dirigida. De este modo, los beneficios se validan y se mantienen en funcionamiento, con una buena relación efecto/complejidad y un impacto limitado en las operaciones actuales.
En Los capós protegen las entradas de aire de los retornos directos y elevan la trayectoria de los penachos, lo que rompe los atajos de aspiración y reduce las bolsas calientes al pie de las unidades; las rejillas actúan como un amortiguador aerólico, filtrando las interacciones laterales entre GE y los enfriadores de aire y guiando un suministro de aire más frío hacia los intercambiadores; optimizando el fila derecha mediante la distribución de las descargas (alternando módulos más y menos emisivos) tiene por objetoigualar las cargas y desincronizar los chorros para limitar la focalización local. Juntos, forman una cadena coherente de acciones sobre el área técnica en el suelo, que mejora la calidad del aire de entrada, reduce la sensibilidad a los vientos de vuelco, refuerza la resistencia de la refrigeración y facilita el mantenimiento gracias a campos de flujo más legibles.
Variante para equilibrar la generación de calor en enfriadores de aire
Distribución de la generación de calor en un enfriador ecológico, 1/3 del calor es recuperado por el aire, y en la roja 2/3 de la potencia lo que significa que la gran producción de calor se concentra cerca de la pared.
Una forma de reducir la recirculación de calor esalternar la posición de los enfriadores paraoptimizar la generación de calor.
Por tanto, este tipo de configuración se estudiará más adelante, cuando se coloquen los cerramientos, y sólo en la zona derecha.
Resultados de los estudios CFD: innovaciones y soluciones sostenibles para optimizar la refrigeración de los centros de datos
Zona izquierda - Estudio de las temperaturas de aspiración del enfriador de aire
En la configuración de referencia, los bucles al pie de las unidades son claramente visibles: elaire caliente expulsado es empujado hacia atrás por los obstáculos cercanos, permanece en contacto con las unidades de aspiración y degrada la calidad del aire que entra en los enfriadores de aire. Las líneas de flujo muestran atajos de aspiración y zonas de baja velocidad que estabilizan los focos calientes al nivel de las rejillas, especialmente en determinadas condiciones de viento y cerca de las paredes. La adición de capós reduce este cerramiento y eleva la trayectoria de los penachos, limitando la recirculación inmediata; no obstante, persisten sombras aeráulicas en el borde del equipo, donde el flujo permanece insuficientemente energizado y conserva una heterogeneidad residual.
Con lacombinación de capós y rejillas, la zona es muchomás limpia: los capós proporcionan la desviación principal de la descarga, mientras que las rejillas actúan como un amortiguador aerólico, filtrando las interacciones laterales y canalizando un suministro de aire más frío hacia las tomas de aire. Los mapas de temperatura y las trazas de corriente muestran una reducción significativa de la recirculación, una descorrelación de la descarga/entrada y una homogeneización de las velocidades de aproximación en las proximidades de los intercambiadores. La lectura cualitativa pasa así de un nivel elevado de recirculación térmica a un nivel bajo en la mayor parte del sector, con una sensibilidad aún perceptible en los bordes libres, compatible con elfuncionamiento y controlable mediante un pilotaje cuidadoso durante los regímenes de viento más desfavorables.
Comparación de los planes de temperatura antes y después de la optimización de EOLIOS
Zona central - Estudio de la disipación de calor de los generadores
La zona central es menos susceptible a la recirculación térmica. La mezcla inducida alrededor de los generadores crea un volumen de intercambio más energético que desacopla eficaz mente las descargas principales de las succiones vecinas y favorece la dilución rápida de los penachos. Con vientos dominantes, las líneas de flujo siguen la morfología local -corredores de flujo, claros laterales, estancamientos-, lo que limita la formación de zonas persistentes de baja velocidad. Como resultado, los mapas de velocidad del aire muestran trayectorias estables y legibles, con gradientes controlados en las entradas de aire.
En estas condiciones, la recirculación sigue siendo moderada, lo que confirma que las prioridades de actuación deben concentrarse en los extremos de la zona técnica, donde los efectos decerramiento y pared generan retornos más marcados. Por tanto, en el centro conviene un tratamiento más ligero: mantener un flujo de aire homogéneo, vigilar los bordes libres y realizar comprobaciones puntuales durante los vientos de vuelco o los regímenes transitorios de la máquina. Esta calibración minimalista garantiza la coherencia aeráulica del sector, preservando al mismo tiempo la flexibilidad de funcionamiento y la facilidad de mantenimiento.
Zona derecha - Estudio de la distribución del calor en el lado de aspiración de los enfriadores de aire
En la configuración inicial, la zona derecha tiene una entrada heterogénea con retornos térmicos más pronunciados, sobre todo en las proximidades de los puntos duros (paredes, pantallas y cambios de sección). Los carenados proporcionan un beneficio inicial al disminuir el cierre y elevar la trayectoria de los penachos, lo que reduce los atajos de succión hacia las tomas de aire. La optimización mediante el reequilibrio de las descargas -basado en laalternancia de módulos más y menos emisivos y la desincronización de los chorros- iguala la carga y estabiliza los campos de succión; se reduce la sensibilidad a las variaciones deincidencia del viento y las líneas de corriente se vuelven más claras, con gradientes mejor distribuidos a lo largo de la línea.
Según el sector, se ha producido una reducción significativa de las zonas de recirculación térmica, con franjas residuales en los bordes que requieren vigilancia durante los episodios de viento extremo. Estas zonas residuales pueden tratarse con un control cuidadoso (condiciones de apertura, secuencias de arranque) y, si es necesario, con pequeños ajustes de funcionamiento para evitar cualquier recirculación localizada. El resultado global es una mejora sólida y sostenible, conseguida sin aumentar la carga de las operaciones actuales: el sistema se vuelve más resistente, la calidad del aire de entrada se estabiliza y el mantenimiento se facilita gracias a campos de flujo más homogéneos y predecibles.
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 fácilmente concebibles y baratas, como trasladar los sistemas o instalar recintos. También se debatieron 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.
Más información sobre este tema:
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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