Вадим Каллэ, «Стэп Лоджик»:
CFD-моделирование – логичное продолжение BIM
О расширении возможностей BIM, преимуществах CFD-моделирования при проектировании ЦОД и объектов со сложной геометрией, а также развитии рынка технологий проектирования в интервью TAdviser рассказал Вадим Каллэ, заместитель начальника отдела проектирования инженерных систем «Стэп Лоджик».
Расскажите, пожалуйста, подробнее о технологии CFD: почему вы стали ее использовать и в чем ее преимущества?
Вадим Каллэ: В конце 2017 года мы приняли решение расширить компетенции по направлению проектирования инженерных систем за счет использования технологии численного моделирования термодинамических процессов (Computational Fluid Dynamics modeling, CFD) на базе ПО Autodesk CFD. На мой взгляд, CFD – это естественное и обязательное продолжение BIM-проектирования.
BIM-модель содержит информацию о здании, как минимум – о его архитектуре и инженерных системах. Далее эта модель передается в приложение Autodesk CFD, которое «считывает» геометрию помещений и после задания всех граничных и начальных условий рассчитывает трехмерные поля распределения температур, скоростей, давлений и множества других физических параметров. При определении данных характеристик эмпирическим способом получается очень приблизительный расчет, и его практическая ценность стремится к нулю.
Фактически CFD является виртуальной испытательной лабораторией, где можно проверить все критичные, высокоответственные инженерные системы ещё до начала рабочего проектирования. Расчет в CFD – это гарантия работоспособности системы. Уже на стадии эскиза мы можем создать компоновку помещения, например, расставить кондиционеры и стойки с ИТ-оборудованием, если мы говорим о ЦОД, и на выходе показать, что система будет функционировать даже при критичных режимах, перегревы исключены. Раньше нам приходилось объяснять свои расчеты заказчикам «на пальцах», рассказывать о релевантном опыте и количестве реализованных проектов. Но с переходом нашей компании на CFD этот процесс стал гораздо легче и прозрачнее: когда есть 3D-модель объекта, вертикальное и горизонтальное сечения из CFD, точные расчеты скоростных полей – это наглядное доказательство того, что система будет работать.
В каких проектах применение технологий BIM+CFD наиболее оправдано?
Вадим Каллэ: CFD – это неотъемлемая часть моделирования технологически сложных объектов с большим выделением тепла. Речь идет о ЦОД, серверных помещениях, а также о зданиях со сложной геометрией, для которых требуется точный расчет распределения воздушных потоков: лабораторий, кинозалов, спортивных арен и др.
Для подобных объектов подтверждение принятых проектных решений возможно либо эмпирическими расчётами, которые не отражают реальную картину и являются усредненными, либо путём натурного моделирования с учётом масштабных коэффициентов. Если говорить об аэродинамике зданий, то натурное моделирование – хоть и сложный способ, но применимый.
А вот для ЦОД необходимо построить полномасштабную модель 1:1 в тестовой лаборатории со всеми нюансами архитектуры, распределением мощностей по стойкам, установить кондиционеры, провести замеры, обработать данные, оптимизировать решение и далее повторить все испытания. То есть для ЦОД метод натурного моделирования не может быть обоснован экономически, поэтому численное математическое моделирование – единственный вариант для таких объектов: именно он позволяет учесть все их особенности и ограничения, просчитать сразу несколько вариантов, наглядно сравнить и выбрать оптимальный. Как DevOps-сервис помогает «разгрузить» высоконагруженные системы BPMSoft 
Удивительно, но в нашей стране только единицы занимаются моделированием серверных помещений и дата-центров с использованием технологий BIM+CFD. «ЦОДостроение» – сложное направление, где есть множество нюансов, и у нас есть значительные наработки по нему. При этом многие организации «заточены» именно на жилое строительство: есть примеры, когда производится CFD-моделирование районов с целью расчета аэродинамических характеристик.
Какие еще задачи можно решить с помощью CFD-моделирования?
Вадим Каллэ: CFD-моделирование может применяться для решения широкого спектра задач. Например, если мы говорим о дата-центрах, то благодаря использованию данной технологии появляется возможность оптимизировать систему кондиционирования и уменьшить расходы на электроснабжение. В зданиях с атриумной частью и большой площадью остекления CFD поможет повысить эффективность климатических систем и снизить энергопотребление.
Кроме того, CFD-моделирование позволяет рассчитать температурные поля не только в помещениях, но и в конструкционных материалах, а также смоделировать ветровую нагрузку на них. Эти параметры крайне важны для прочностных расчетов несущих строительных конструкций, зданий и сооружений, эстакад, рекламных щитов и др. Также учёт ветровой нагрузки позволяет более точно рассчитать системы естественной вентиляции и системы отопления зданий.
Расскажите о проектах, которые вы реализовали с использованием BIM+CFD?
Вадим Каллэ: Одним из первых проектов стало моделирование и симуляция теплофизических процессов для крупного логистического центра. В BIM мы спроектировали инженерную инфраструктуру ЦОД, складского комплекса и прилегающих к нему зданий, а также смоделировали здания по имеющейся документации от архитекторов.
В числе инженерных систем были кондиционирование и вентиляция, сети электроснабжения, СКС, системы видеонаблюдения и безопасности, газовое пожаротушение.
Важной задачей, которую мы решили с помощью CFD, стало обеспечение правильного температурного режима в ЦОД, его симуляция при реальной проектной нагрузке и выбор оптимальной конфигурации перегородок для разделения «холодных» и «горячих» коридоров, настроек решеток фальшпола.
Летом 2018 года весь мир с напряжением следил за матчами на полях Чемпионата мира по футболу 2018 в России. На площадке Фестиваля болельщиков FIFA на Воробьевых горах (Москва) "Стэп Лоджик" развернул сеть Wi-Fi. До начала реализации системы было принято решение смоделировать, как будут работать точки доступа, расположенные в боксах наружной установки, при наличии солнечного излучения без принудительной вентиляции. Расчет, полученный в CFD, показал, что при работе оборудования перегрев будет с вероятностью 100%. В результате была оптимизирована конструкция, подобраны соответствующие кулеры и вентиляционные решетки, и система отработала без сбоев в течение всего фестиваля.
Для одного из российских инновационных центров мы выполнили моделирование серверных с высокоплотными решениями. На одну стойку ЦОДа заказчика приходится до 35 кВт потребляемой мощности – это практически сверхплотное решение, дальше уже идут суперкомпьютеры. Мы разработали BIM-модель здания и всех инженерных систем в помещениях, разместили в машинных залах стойки с ИТ-оборудованием, межрядные кондиционеры, изоляцию коридоров. Расчет CFD показал, что предложенная нами схема будет работать: даже при ротации кондиционеров перегревы исключены.
Ещё один интересный проект – моделирование воздушно-тепловой завесы авиационного ангара с размерами проёма 58 метров в ширину и 11 метров в высоту. В CFD была смоделирована проточная часть каналов, которые подают воздух снизу вверх в проеме ворот, и выбрано оптимальное решение для правильного распределения воздушных потоков. Далее были подобраны конструктивная часть, вентиляторы и все расходные материалы. Естественно, осуществить подобные расчеты с требуемой для реализации точностью эмпирическим путём было бы невозможно.
Особое внимание хотелось бы уделить проектам, связанным с кондиционированием помещений ИБП. Все обычно забывают, что ИБП охлаждается совсем не так, как стойки с ИТ, там другие расходы воздуха и температурный перепад. В случае перегрева батарейные модули значительно теряют свою емкость. В одном из помещений известного телецентра установлены ИБП суммарной мощностью 2,5 МВт со значительным тепловыделением. Помещение длинное, узкое и, с точки зрения кондиционирования, сложное. Мы сделали BIM- и CFD-модели объекта и получили реальное распределение температуры скоростей в помещении, определили застойную зону и выдали рекомендации по улучшению системы кондиционирования.
О плюсах BIM сказано немало. Встречались ли в вашей практике нестандартные случаи применения данной технологии?
Вадим Каллэ: На мой взгляд, интересным направлением развития BIM является моделирование архитектуры помещений для смежных разделов. Например, для одного крупного производственного холдинга мы создали BIM-модель целого завода с крупным оборудованием, которую специалисты заказчика «переложили» в программу для моделирования радиопозиционирования. Фактически они воспроизвели отражение радиоволн от стен и конструкций, и для этого была нужна вся внутренняя геометрия. В нашей практике это была «первая ласточка» расширения возможностей применения технологии информационного моделирования.
Кроме того, мы развиваем направление визуализации посредством BIM+Enscape и BIM+Live, что позволяет выполнять моделирование и художественную визуализацию различных объектов – от фасадов отдельных зданий до застройки районов с реальным рельефом местности, а также перемещаться по 3D-модели объекта в режиме реального времени с помощью VR.
Каковы тенденции развития технологий BIM+CFD? В чем отличие российского рынка от западного?
Вадим Каллэ: В одном из самых популярных стандартов для центров обработки данных BICSI (США) рекомендуется проводить CFD-моделирование работы в разных режимах. Существуют и типовые формы отчетов по этим расчетам. На Западе использование CFD при проектировании ЦОД и серверных помещений получило широкое распространение в силу неоспоримых преимуществ. В нашей стране некоторые заказчики уже знакомы с термином CFD, кто-то указывает использование данной технологии как обязательный пункт в конкурсных ТЗ. Но в целом для России это пока новинка.
Чего нельзя сказать о технологии BIM, которая стала практически стандартом для современных компаний. К слову, 19 июля 2018 года было опубликовано поручение[1] Президента РФ о переходе строительной отрасли на технологии информационного моделирования к 1 июля 2019 года. Уверен, что технология CFD будет развиваться по пути BIM, и ее применение в ближайшем будущем станет обязательным при проектировании высокоответственных объектов, в том числе для обоснования решений при прохождении экспертизы.
Примечания
