Module 6 Conception de systèmes de refroidissement à haute efficacité énergétique

1. Module 6Conception de systèmes de refroidissement à haute efficacité énergétique Version 1.022 Septembre2011

2. Défis et options pour le refroidissement des sites informatiques

3. Evolution de la charge de refroidissement des systèmes informatiques Evolution de la charge de chaleur par catégorie d’appareil. Source [ASHR2005]

4. Une bonne conception des systèmes de refroidissement • La sélection d’une conception appropriée pour un système refroidissement dépend de : • L’infrastructure existante du site ; • La puissance totale de l’installation ; • La localisation géographique ; • Les contraintes physiques du bâtiment (forme, taille, orientation, accès).

5. Une bonne conception de systèmes de refroidissement • Les options typiques des systèmes de refroidissement sont directement issues des systèmes classiques de refroidissement de locaux, même si les équipements sont dans la plupart des cas adaptés pour les datacentres et les équipements informatiques. • Les équipements de refroidissement des datacentres sont spécifiques en général : • La chaleur produite dans un datacentre est généralement sensible (le refroidissement nécessite une diminution de la température sèche) alors qu’elle est à la fois sensible et latente dans un espace de bureau (nécessite aussi la diminution de l’humidité due à une présence humaine plus importante)

6. Catégorisation des datacentres • Paramètres : • Surface de la salle ; • Equipement informatique installé (nombre de racks ou de serveurs) ; • Energie totale pour alimenter les équipements informatiques ; • Infrastructure de refroidissement présente.

7. Classement selon la tailleSelon le nombre de racks et la puissance installée Source (APC White Paper #59, 2004)

8. Classement selon la taille Site, infrastructure and caractéristiques du système

9. L’équipement de refroidissement approprié • Evaluation des besoins en refroidissement : • Pour les équipements informatiques, la charge thermique est égale à la puissance électrique absorbée : le dimensionnement adéquat du matériel informatique est la première étape vers l’efficacité énergétique. • Pour les UPS, les besoins varient dans une fourchette entre charge minimum et maximum. • Pour l’éclairage et la présence humaine, il est possible d’utiliser des valeurs de référence. ​ ​ • La quantité et la taille des systèmes requis est aussi strictement liée au niveau de Tier du datacentre.

10. Eléments dans un système de refroidissement • Eléments du système : • Système de rejet de la chaleur ; • Equipement de refroidissement ; • Equipement terminal (appareil d’évacuation de la chaleur intérieure) ; • Charge thermique (matériel informatique, services, opérateurs). Source : ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

11. Eléments dans un système de refroidissement Sélection d’équipement efficaces • Le refroidissement fonctionne 24h/24, 7j/7 et est d’habitude utilisé à la moitié de ses capacités ce qui n’est pas efficace énergétiquement ; • Sélectionner des équipements efficaces est essentiel pour parvenir à la durabilité : • CRAC & CRAH (Computer Room Air Handler) ; • Ventilateurs et autres équipements de ventilation ; • Pompes ; • Refroidisseurs (à air et à eau) ; • Tours de refroidissement, dry-coolerset condenseurs ; • Humidificateurs.

12. Équipements terminaux, de refroidissement et de rejet de la chaleur Les équipements terminaux sont traditionnellement installés au plafond ou au sol dans un datacentre. Tout autre disposition, par exemple montée au mur, est similaire à une installation au plafond. Source: APC White Paper #59

13. Combinaisons typiques Source: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

14. Taille de datacentre et choix et arrangements possibles du système de refroidissement

15. Classification ASHRAE • Classe A1 : installation de datacom avec des paramètres environnementaux strictement contrôlés (température, point de rosée et humidité relative) et des opérations critiques. Les types de produits normalement conçus pour ce genre d’environnement incluent les serveurs d’entreprises et les équipements de stockage. • Classe A2 : espace de datacom, environnement de bureau ou de laboratoire avec un certain contrôle des paramètres environnementaux (température, point de rosée et humidité relative). Les types de produits normalement conçus pour ce genre d’environnement incluent les serveurs de petite taille, les équipements de stockage, les ordinateurs et les stations de travail personnels. ……Classe A3/A4, Classe B, Classe C • Les classes A1 and A2 désignent les environnements principalementconçus pour les équipements informatiques.

16. Classification ASHRAE: Conditions d’entrée d’air

17. Classification ASHRAE: Conditions d’entrée d’air

18. Code de Conduite Européen pour les datacentres : conditions environnementales

19. Solutions de refroidissement des datacentres à bonne efficacité énergétique

20. Options d’amélioration pour les systèmes informatiques de petite tailleSalles serveurs existantes

21. Options d’amélioration pour les systèmes informatiques de petite tailleNouvelles Salles serveurs

22. Climatiseurs – Types, efficacité et coût des systèmes “split” • Les systèmes split sont composés : • D’une unité à condensation montée à l’extérieur ; • D’une unité de climatisation à l’intérieur. • Les climatiseurs split mobiles ont : • Une unité portable à l’intérieur contenant le compresseur ce qui diminue leur efficacité. • Des petites unités portables sont souvent installées dans des salles serveurs plus grandes afin d’empêcher l’apparition de points chauds, ou dans les armoires réseau en supplément du système de ventilation du bâtiment ; • Ces petites unités portables ne sont pas efficaces. Généralement, elles possèdent un tuyau d’évacuation de l’air chaud qui réchauffent les zones !

23. Achat d’équipements efficaces énergétiquement Selon la puissance de refroidissement : < 12 kW : étiquette énergie de l‘UE > 12 kW : schéma de certification Eurovent www.eurovent-certification.com

24. Etiquette énergie de l’UE actuelle et proposée pour les petites unités de climatisation (<12 kW) Puisque l’efficacité est calculée différemment, il est impossible de comparer directement la valeur de l’EER (ancienne disposition) avec le SEER (nouvelle disposition) Règle approx. : SEER ≈ EER + 3,0

25. Efficacité d’un système de refroidissement • EER (ratio d’efficacité énergétique) – rapport de la capacité totale de refroidissement sur la puissance électrique en entrée de l’appareil, exprimé en Watt/Watt ; • SEER (Seasonalenergyefficiency ratio – Rendement énergétique saisonnier): défini et utilisé en Europe ; • IPLV (Rendement énergétique saisonnier): défini et utilisé en Amérique du Nord ; • Les indicateurs IPLV et SEER sont calculés en utilisant la moyenne pondérée des EER des refroidisseurs à des valeurs nominales de charge différentes (25%, 50%, 75% et 100%).

26. Systèmes “split” avec variateur Les systèmes split ont été améliorés à plusieurs égards. Il est possible d’adapter les systèmes à eau froide ou de combiner plusieurs températures ambiantes pour des unités de climatisation différentes reliées au même condenseur. L’utilisation de variateurs dans les moteurs et de contrôles intelligents ont fortement augmenté l’efficacité du refroidissement.

27. Refroidissement au niveau rack dans les petites salles serveurs • L’adoption d’options free coolingdans les systèmes informatiques et les salles serveurs de petite taille est soumise à un grand nombre de contraintes ; • Ces contraintes sont essentiellement techniques : • Les petites armoires ou salles serveurs sont souvent situées dans des parties du bâtiment où l’accès à l’air extérieur est difficile ; • Pour les salles serveurs dans les nouveaux bâtiments, l’application du free cooling est possible si celle-ci est envisagée dès la phase de conception du bâtiment et de la salle. • L’emplacement de la salle, les options pour l’installation des conduits/tuyaux et les coûts associés sont les principaux facteurs pesant sur le choix du free cooling; • Pour une rénovation de systèmes existants, les obstacles et les coûts sont généralement élevés et une analyse coûts-bénéfices est recommandée.

28. Défis et options pour les datacentres de taille moyenne à grande

29. Choix des systèmes de refroidissement et efficacité Les refroidisseurs à eau sont une meilleure option que les refroidisseurs à air et à détente directe (DX) : l’efficacité thermodynamique est plus élevée Source: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

30. Structure typique dans un datacentre de taille moyenne à grande From: Cooling strategies for IT equipment - HP

31. Refroidissement à air: conception des flux d’air, allées froides/chaudes, faux plancher, conduite de renvoi d’air Dans les datacetres de taille moyenne à grande, les équipements informatiques sont disposés en rangées avec l’entrée d’air face à l’allée froide. L’air froid est fourni à l’allée froide, passe par les équipements et est rejeté vers l’allée chaude. Disposition des allées chaudes et froides dans un datacentre From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

32. Refroidissement à air: conception des flux d’air, allées froides/chaudes, faux plancher, conduite de renvoi d’air Les caractéristiques du flux d’air sont des éléments importants à prendre en compte. Les directions du flux d’air recommandées sont : de l’avant vers l’arrière (F-R), de l’avant vers le haut (F-T) ou de l’avant vers l’arrière et le haut (F-T/R). Directions du flux d’air dans les racks pour une configuration allée chaude/ froide From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

33. Distribution verticale par le plancher Afin de permettre une distribution de l’air conditionné, les salles ont typiquement un faux plancher. Cette disposition est la plus souvent utilisée dans les datacentres : l’air froid est fourni par un système de conduites souterraines connectées aux CRACet l’air chaud circule naturellement des racks vers le plafond et retourne vers les CRAC. Cela conduit généralement à un gradient de température sous-optimal dans le rack, qui est plus froid dans la partie inférieure et plus chaud dans la partie supérieure. From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

34. Distribution aérienne verticale Dans la distribution aérienne verticale, l’air froid est fourni dans les racks via des conduits installés au plafond et il revient naturellement vers le système de refroidissement de manière non canalisée, sans faux plancher et avec une température uniforme à l’intérieur des racks. From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

35. Unités locales de refroidissement aériennes dans une distribution verticale par le plancher • Généralement utilisé pour un refroidissement supplémentaire afin d’empêcher les points chauds dans les racks à haute densité ; • Si une bonne distribution d’air ne peut être atteinte dans les racks, ou s’il existent des charges de haute densité ; • Les unités locales de refroidissement peuvent être placés au dessus des allées froides ; ou bien des échangeurs thermiques montés sur les racks peuvent soit refroidir l’air chaud rejeté par les racks, soit pré-refroidir l’air fourni. From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

36. Augmenter l’efficacité dans la configuration allée chaude/allée froide Utiliser la conduite de renvoi d’air et canaliser le retour d’air Alimenter en air (plancher perforé ou diffuseurs) les allées froides uniquement From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

37. Augmenter l’efficacité dans la configuration allée chaude/allée froide Installer des barrières aux flux d’air pour confiner les allées chaudes et froides Installer des panneaux d’obturation pour tous les emplacements vides

38. Optimisation du système de câblage

39. Augmenter l’efficacité dans la configuration allée chaude/allée froide • Emplacement du climatiseur : • L’emplacement optimal d’un climatiseur se situe au bout d’une allée chaude et les unités doivent être placées perpendiculairement aux allées chaudes : ceci réduit le chemin pour le retour d’air, ainsi que les court-circuits de l’air froid venant des allées froides.

40. (Source: HP) Contrôle et suivi des systèmes de refroidissement – problèmes de gestion

41. Problèmes de gestion de l’air • La température et la vitesse à l’entrée d’air peuvent affecter l’efficacité du système et devraient être suivies en permanence ; • Les points chauds et les sources d’inefficacité dans les datacentres existants sont relativement faciles à détecter en menant une analyse thermographique ou en installant un réseau de capteurs sans fil. IR image, from: http://www.datacentir.com/

42. Problèmes de gestion de l’air • La conception et l’optimisation des processus de refroidissement peut être guidée par des logiciels de simulation de Mécanique des Fluides Numérique (MFN), pour prévoir les phénomènes physiques thermiques et des fluides dans le datacentre ; • Les mesures physiques et les essais sur le terrain nécessitent beaucoup de temps et de travail et sont parfois impossibles. Example MFN, from: http://emersonnetworkpower.com

43. Réglage de température et d’humidité dans les datacentres de taille moyenne à grande La valeur consigne et la capacité de refroidissement d’un système split (Source: P. Riviere et al., Preparatorystudy on the environmental performance of residential room conditioningappliances) • Une température plus élevée de l’air fourni entraine généralement une augmentation des heures d’économiseur et un refroidissement mécanique plus efficace, mais avec un facteur de sécurité moins élevé sur les conditions d’entrée des appareils informatiques ; • Pour les systèmes DX et à eau refroidie, un réglage de température plus élevé augmente en général la capacité et l’efficacité du refroidissement

44. Solutions aux hétérogénéités spatiales et temporelles • Hétérogénéités spatiales : • Répartir les charges informatiques et en conséquence les charges thermiques en sous-peuplant les racks. • Hétérogénéités temporelles : • Utiliser les systèmes de stockage d’eau refroidie ; • Pour les datacentres à haute densité énergétique (par exemple plus de 15 kW par rack) : • Des nouveaux systèmes peuvent être intégrés dans les racks et exploités de façon indépendante (système de refroidissement au niveau rack)

45. Refroidissementau niveaurack • Le refroidissement au niveau rack est capable de dissiper environ 20 kW de chaleur, et est scellé afin d’assurer une circulation continue du flux d’air froid. Il est souvent combiné avec un refroidissement par liquide afin de soutenir le refroidissement à haute densité. Source: highdensityrackcooling.com

46. Refroidissement par rangée Disposition d’un datacentre avec le refroidissement par rangée. Source: APC by Schneider Electric, 2010; White Paper #139 rev.0

47. Refroidissement par rangée à charge partielle From : APC White paper #126, rev. 1.

48. Refroidissement par liquide • L’efficacité d’un refroidissement à eau est 14 fois plus élevé que celui d’un refroidissement à air From : S. Novotny, Green field data center design – water cooling for maximum efficiency

49. Disposition d’un système de refroidissement par liquide From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

50. Refroidissement par liquide au niveau rack, avec un échangeur thermique central From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009