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OpenBIM-basierte CFD Simulation

Enders, Yannic (2017):
OpenBIM-basierte CFD Simulation.
TU Darmstadt, [Master Thesis]

Abstract

In dieser Studie wird eine Computational Fluid Dynamics (CFD) -Simulation für einem beispielhaften Rechenzentrumsraum mit Klimageräten durchgeführt, die Luft mit einer Temperatur von 23°C bei einer Durchflussrate von 25380 m³/h bereitstellen. Die Rechenzentrumshalle beherbergt insgesamt 100 Serverschränke, die jeweils eine Wärmeleistung von 3500W erzeugen, mit internen Ventilatoren, welche die Luft durch die Server mit einer Geschwindigkeit von 800 m³/h für jeden Schrank zirkulieren. Die CFD-Simulation wird für die Untersuchung der Temperaturverteilung im Raum verwendet, wobei verschiedene CFD-Softwarelösungen und ein maßgeschneidertes Modell des Raumes verwendet werden, welches auf den Industry Foundation Classes (IFC) basiert. Die für die Simulation verwendete Hauptbibliothek ist die Open Field Operation und Manipulation (OpenFOAM) Toolbox, ein Open Source, C++-basierter CFD Code mit breiten Anwendungsgebieten für Ingenieure und Wissenschaft. Von Bedeutung ist, dass diese Studie die CFD-Simulation mithilfe der Implementierung von Building Information Modeling (BIM), insbesondere einem Open-Source-Ansatz mit einem öffentlich verfügbaren und austauschbaren Format, durchführt. Dieses Format, das die Grundlage für die Austauschbarkeit von Gebäudeinformationen bildet, ist die Industry Foundation Classes (IFC), ein Datenstandard, der sowohl offen als auch neutral ist. Damit ist die Interoperabilität der Modelldatei und ihrer Komponenten sowie aller semantischen Gebäudeinformationen für Akteure innerhalb des Lebenszyklus des Gebäudes gewährleistet. Die Rechenzentrums-Fallstudie zeigt die Qualität der Ergebnisse, die mit einem vollständigen Open-Source-Ansatz erreichbar sind, mithilfe von OpenFOAM und einem eigenen Modell, das auf dem IFC-Standard basiert. Es werden zwei Vergleichsstudien präsentiert, die erste mit Autodesk CFD, um das IFC-Modell mit detaillierteren Simulationsmöglichkeiten zu analysieren. In einem zweiten Schritt werden die Ergebnisse mit einer vollständig geschlossenen BIM-Lösung verglichen, der kommerziellen Rechenzentrums-CFD-Software 6SigmaRoom, unter Verwendung eines proprietären Modells, das aus der programmeigenen Objektbibliothek erstellt wurde. Die Ergebnisse der Temperaturverteilung werden für die unterschiedliche Software bzw. Modelle dargestellt und Rückschlüsse auf die Qualität der Ergebnisse werden diskutiert. Sensoren wurden definiert für die Simulation mit einer weiten Streuung innerhalb des Raums, und die zugehörigen Temperaturwerte verglichen. Die Temperaturunterschiede liegen weitgehend im Bereich von 5°C, wobei die maximalen ΔT-Werte 10°C erreichen. Für ein Szenario ohne Einhausung des Kaltgangs werden höhere Temperaturdifferenzen erreicht, und mögliche Modellierungsprobleme identifiziert. Es zeigt sich, dass OpenFOAM in Verbindung mit dem IFC-Standard zufriedenstellende CFD-Simulationsergebnisse für Rechenzentrums-Luftstromströmungen liefert. Die tatsächlichen Temperaturverhältnisse im Rechenzentrumsraum können relativ genau abgebildet werden. Die Gültigkeit dieser Schlussfolgerung wird durch einen Vergleich zu proprietären Simulationsergebnissen von 6SigmaRoom zusätzlich verifiziert.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2017
Creators: Enders, Yannic
Title: OpenBIM-basierte CFD Simulation
Language: German
Abstract:

In dieser Studie wird eine Computational Fluid Dynamics (CFD) -Simulation für einem beispielhaften Rechenzentrumsraum mit Klimageräten durchgeführt, die Luft mit einer Temperatur von 23°C bei einer Durchflussrate von 25380 m³/h bereitstellen. Die Rechenzentrumshalle beherbergt insgesamt 100 Serverschränke, die jeweils eine Wärmeleistung von 3500W erzeugen, mit internen Ventilatoren, welche die Luft durch die Server mit einer Geschwindigkeit von 800 m³/h für jeden Schrank zirkulieren. Die CFD-Simulation wird für die Untersuchung der Temperaturverteilung im Raum verwendet, wobei verschiedene CFD-Softwarelösungen und ein maßgeschneidertes Modell des Raumes verwendet werden, welches auf den Industry Foundation Classes (IFC) basiert. Die für die Simulation verwendete Hauptbibliothek ist die Open Field Operation und Manipulation (OpenFOAM) Toolbox, ein Open Source, C++-basierter CFD Code mit breiten Anwendungsgebieten für Ingenieure und Wissenschaft. Von Bedeutung ist, dass diese Studie die CFD-Simulation mithilfe der Implementierung von Building Information Modeling (BIM), insbesondere einem Open-Source-Ansatz mit einem öffentlich verfügbaren und austauschbaren Format, durchführt. Dieses Format, das die Grundlage für die Austauschbarkeit von Gebäudeinformationen bildet, ist die Industry Foundation Classes (IFC), ein Datenstandard, der sowohl offen als auch neutral ist. Damit ist die Interoperabilität der Modelldatei und ihrer Komponenten sowie aller semantischen Gebäudeinformationen für Akteure innerhalb des Lebenszyklus des Gebäudes gewährleistet. Die Rechenzentrums-Fallstudie zeigt die Qualität der Ergebnisse, die mit einem vollständigen Open-Source-Ansatz erreichbar sind, mithilfe von OpenFOAM und einem eigenen Modell, das auf dem IFC-Standard basiert. Es werden zwei Vergleichsstudien präsentiert, die erste mit Autodesk CFD, um das IFC-Modell mit detaillierteren Simulationsmöglichkeiten zu analysieren. In einem zweiten Schritt werden die Ergebnisse mit einer vollständig geschlossenen BIM-Lösung verglichen, der kommerziellen Rechenzentrums-CFD-Software 6SigmaRoom, unter Verwendung eines proprietären Modells, das aus der programmeigenen Objektbibliothek erstellt wurde. Die Ergebnisse der Temperaturverteilung werden für die unterschiedliche Software bzw. Modelle dargestellt und Rückschlüsse auf die Qualität der Ergebnisse werden diskutiert. Sensoren wurden definiert für die Simulation mit einer weiten Streuung innerhalb des Raums, und die zugehörigen Temperaturwerte verglichen. Die Temperaturunterschiede liegen weitgehend im Bereich von 5°C, wobei die maximalen ΔT-Werte 10°C erreichen. Für ein Szenario ohne Einhausung des Kaltgangs werden höhere Temperaturdifferenzen erreicht, und mögliche Modellierungsprobleme identifiziert. Es zeigt sich, dass OpenFOAM in Verbindung mit dem IFC-Standard zufriedenstellende CFD-Simulationsergebnisse für Rechenzentrums-Luftstromströmungen liefert. Die tatsächlichen Temperaturverhältnisse im Rechenzentrumsraum können relativ genau abgebildet werden. Die Gültigkeit dieser Schlussfolgerung wird durch einen Vergleich zu proprietären Simulationsergebnissen von 6SigmaRoom zusätzlich verifiziert.

Uncontrolled Keywords: CFD Simulation, OpenBIM, IFC
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Numerical Methods and Informatics in Civil Engineering
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
Date Deposited: 27 Sep 2017 15:28
Additional Information:

Betreuer: Steffen Franz

Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
CFD Simulation, OpenBIM, IFCEnglish
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
In the study a Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation is conducted for an exemplary data center room with Computer Room Air-Conditioning (CRAC) units providing air of 23°C temperature at a flow rate of 25380 m³/h . The data center hall houses a total of 100 server cabinets, each producing a heat load of 3500W, with internal fans that circulate air through the servers at a rate of 800 m³/h for each cabinet. CFD simulation is used for studying temperature distribution in the room, utilizing different CFD software solutions and a custom-built model of the room that is based on the Industry Foundation Class (IFC). The main library used for the simulation is the Open Field Operation and Manipulation (OpenFOAM) toolbox, an open source, C++-based CFD code with wide applications in engineering and science. Moreover, this study is conducting the CFD simulation by utilizing Building Information Modeling (BIM), more specifically an open source approach with a publicly available and interchangeable format. This format, providing the basis for interchangeability of building information, is the Industry Foundation Classes (IFC), a file standard that is both open and neutral. This ensures interoperability of the model file and its components and can including unlimited semantic building information for actors involved in the building’s lifecycle process. The data center case study shows the quality of results achievable with a full open source approach, using OpenFOAM with a custom designed model based on the IFC standard. There are two methods of comparison, the first one is using Autodesk CFD to analyze the IFC model with more detailed simulation options available. Secondly, the results are compared to a full closed BIM solution with the data center CFD software 6SigmaRoom, using a proprietary model created from the 6Sigma library. The results of the temperature distribution are presented for the different software and models respectively, and conclusions on the quality of the results are discussed. Sensors are defined for the simulation with a wide distribution inside the room, and resulting temperature values compared. Temperature differences are largely within the margin of 5°C, with maximum ΔT values reaching 10°C. For a scenario without cold aisle containment, higher temperature differences are observed and possible modelling issues are discovered. It is shown that OpenFOAM in conjunction with the IFC standard is producing satisfactory CFD simulation results for data center Heat, Ventilation and Airiv Conditioning (HVAC) problems. In general, simulations mostly represent realistic temperature conditions inside a data center room. The validity of this conclusion is strengthened by comparing to proprietary simulation results with 6SigmaRoom.English
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