OPTIMISATION DU REFROIDISSEMENT DES BAIES SERVEURS POUR UNE MEILLEURE EFFICACITE DE LA CLIMATISATION RESIDANTE DANS UNE SALLE INFORMATIQUE

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1 Isolation du couloir froid/cold Aisle Containment OPTIMISATION DU REFROIDISSEMENT DES BAIES SERVEURS POUR UNE MEILLEURE EFFICACITE DE LA CLIMATISATION RESIDANTE DANS UNE SALLE INFORMATIQUE 1/11

2 Sommaire : 1. Introduction: Réduction des pertes, optimisation du refroidissement 2. Mise en place de baies serveurs dans des salles informatiques Couloirs froids et chauds 2.1 L'air froid arrive par en bas (sol) 2.2 L'air froid arrive par en haut (plafond) 3. Optimisation Niveau 1: Avec ventilateurs radiaux dans les portes arrière 4. Optimisation Niveau 2: Revêtement du couloir froid 5. Optimisation Niveau 3: Le couloir froid est fermé aux deux extrémités (à l'avant et à l'arrière) 6. Optimisation Niveau 4: Portes refroidies par eau installées à l'arrière des serveurs 7. Optimisation Niveau 5: Portes refroidies par eau installées à l'avant des serveurs 8. Optimisation Niveau 6: Chambre fermée avec échangeurs thermiques (LHX20) installés à l'avant et à l'arrière 9. Optimisation Niveau 7: installation d'une climatisation, uniquement en tant que sécurité 10. Conclusion 11. Présentation de la société Schroff et informations relatives à l'auteur 2/11

3 1. Introduction: Réduction des pertes, optimisation du refroidissement Ces dernières années ont vu s'accroître les performances des serveurs dans les salles informatiques et, par la même occasion, les besoins en refroidissement. Aujourd'hui encore, les salles informatiques sont refroidies quasi-exclusivement par le biais de l'air. Les serveurs et autres composants informatiques sont donc montés dans les baies de telle manière à aspirer par l'avant l'air frais résidant et à rejeter à l'arrière la chaleur. L'air frais est généré par la climatisation centrale de la salle. Afin de délester cette dernière, il convient donc d'optimiser le refroidissement lorsque: La salle comporte une quantité trop importante de baies serveurs; la climatisation résidante n'est alors plus capable d'assurer un refroidissement suffisant. Une mauvaise configuration des baies serveurs entraîne un refroidissement trop conséquent de la salle. La climatisation utilise alors inutilement une partie de sa capacité de refroidissement. 2. Installation de baies serveurs dans une salle informatique couloirs froids et chauds En cas de ventilation par le seul moyen de l'air, la puissance de refroidissement maximale par baie serveur est limitée par la capacité de la salle à apporter suffisamment d'air froid à l'avant des baies et à évacuer la chaleur qui se dégage à l'arrière. Si l'arrière d'une rangée de baies serveurs (rangée n 1) est disposée face à l'avant d e la rangée de baies suivante (rangée n 2), les serveurs de la rangée n 2 vont directement aspi rer une partie de la chaleur dégagée par la rangée n 1. Les baies serveurs sont donc disposées de manière à créer des "couloirs chauds et froids", ce qui permet d'ores et déjà d'optimiser la climatisation d'une salle informatique. Les propositions énoncées ci-dessous supposent que les baies bénéficient déjà d'une circulation de l'air adaptée. 2.1 L'air froid arrive par en haut (plafond) Lors de la mise en place des couloirs chauds et froids, l'air froid peut être acheminé dans le couloir correspondant par deux voies différentes. Première possibilité: l'air froid est généré par la climatisation installée au plafond et ce même dispositif permet également d'évacuer sur les côtés la chaleur dissipée (non représenté sur le schéma ci-dessous). 3/11

4 Cette solution est privilégiée lorsque, par exemple, la salle informatique ne prévoit pas de plancher technique. Elle comporte cependant l'inconvénient de produire une quantité importante de pertes énergétiques. La contiguïté entre la bouche d'aspiration et la bouche d'extraction est à l'origine de "court-circuits d'air", ce qui signifie qu'une partie de l'air froid est immédiatement aspiré. Par ailleurs, la chaleur n'est que partiellement évacuée par la climatisation, l'air chaud restant se mêle à l'air froid qui arrive par en haut et se retrouve donc à nouveau aspiré par les serveurs dans les baies L'air froid arrive par en bas Lorsque l'arrivée d'air froid s'effectue par le bas via un plancher technique, il est tout à fait possible d'éviter une partie des pertes énergétiques décrites ci-dessus. Ce système permet également d'évacuer la chaleur dissipée au moyen de la climatisation résidante (plafond). 4/11

5 Par ailleurs, le risque de cours-circuits d'air entre la bouche d'aspiration et la bouche d'extraction est nul, étant donné que l'arrivée d'air (plancher technique) et l'évacuation d'air (plafond) sont suffisamment éloignées l'une de l'autre. Mais pour que l'air froid arrive en quantité suffisante jusqu'aux serveurs montés dans le haut de la baie, une partie de cet air passe au-devant des serveurs et est directement aspiré par la bouche correspondante de la climatisation. Dans ce cas-là, la vitesse de circulation de l'air froid joue un rôle primordial. Si celle-ci est trop basse, les serveurs montés dans la partie supérieure de la baie ne sont pas suffisamment refroidis et la température de l'air à cet endroit précis de la baie atteint alors des valeurs trop importantes, entraînant de ce fait la formation de points chauds. Si la vitesse est trop élevée, l'air froid passe rapidement au-devant des serveurs montés dans la partie inférieure de la baie, ils ne sont donc pas suffisamment refroidis. Cet équilibre se retrouve compliqué par le mélange air froid/air chaud qui a lieu dans le couloir froid. Celui-ci entraîne un gradient de température entre la partie supérieure et la partie inférieure de la baie. Dans le meilleur des cas, ce gradient atteint jusqu'à 5 K et ne peut être réduit au minimum que par l'isolation. 3. Optimisation Niveau 1: avec ventilateurs radiaux dans les portes arrière Afin d'optimiser encore davantage le refroidissement, les portes arrières standard des baies serveurs sont remplacées par des portes comportant des ventilateurs. Ces derniers aspirent la chaleur hors de la baie serveur avant de l'évacuer directement via la bouche d'aspiration de la climatisation. Cette solution est privilégiée dans le cas de salles informatiques sans plancher technique, et ce, afin de réduire au mieux les "court-circuits d'air" qui se créent entre l'air froid et l'air chaud. Ainsi, les pertes énergétiques sont considérablement diminuées et les systèmes sont refroidis de manière homogène sur l'intégralité de la hauteur de montage. Ce dernier avantage est également conservé dans le cas de salles informatiques avec plancher technique. Le remplacement de portes standard par des portes arrières avec ventilateurs radiaux s'effectue rapidement et aisément, et ce, même lorsque les serveurs sont en état de marche. 5/11

6 4. Optimisation Niveau 2: revêtement du couloir froid Afin de conserver au maximum l'air frais résidant dans les couloirs froids et d'éviter la variation entre une vitesse de circulation de l'air trop basse et trop élevée, l'arrivée d'air froid via le plancher technique offre diverses possibilités. La solution la plus simple consiste à recouvrir les couloirs froids. Ainsi, la vitesse de circulation de l'air frais est diminuée et une quantité importante d'air se trouvant dans le couloir froid est aspirée par les serveurs des baies. Le gradient de température le long de la baie est considérablement réduit, ce qui améliore l'efficacité de la climatisation. Cependant, l'inconvénient réside en la présence de pertes d'énergie à l'avant et à l'arrière du couloir froid. 5. Optimisation Niveau 3: revêtement ET fermeture du couloir froid aux deux extrémités Outre son revêtement, le couloir froid est également fermé aux deux extrémités (porte ou sas). 6/11

7 Ceci permet de créer une "chambre" dédiée à la circulation de l'air froid; celui-ci n'aura ainsi plus d'autre choix que de traverser les baies serveurs. Par ailleurs, cette solution ne génère plus aucune perte et le gradient de température le long de la baie est également évité, contribuant de cette manière à une utilisation optimale de la climatisation en termes d'énergie. 6. Optimisation Niveau 4: Portes refroidies par eau installées à l'arrière des serveurs Ce niveau d'optimisation consiste à remplacer les portes situées à l'arrière des serveurs par des équivalents intégrant des échangeurs thermiques air/eau passifs ou actifs. Ici, la mise en œuvre d'échangeurs thermiques air/eau actifs ou passifs permet de délester partiellement la climatisation résidante. Dans les deux cas, il est possible de diminuer préalablement la température d'air dégagée par les serveurs en sortie de baie afin qu'elle soit inférieure à la température d'entrée d'air froid dans la baie. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse lorsque la climatisation atteint ses limites et que, simultanément, la salle informatique doit accueillir des baies serveurs supplémentaires. Les portes arrière avec échangeurs thermiques air/eau actifs autorisent une répartition homogène de l'air sur l'intégralité de la hauteur de baie. Les ventilateurs des échangeurs thermiques aspirent la chaleur dissipée à l'arrière de la baie serveur et injectent l'air refroidi dans les serveurs. En cas d'installation de portes arrière avec échangeurs thermiques passifs, la résistance de l'air de ces derniers doit être conforme aux ventilateurs des serveurs afin que ceux-ci soient encore à même d'évacuer la chaleur. 7. Optimisation Niveau 5: Portes refroidies par eau installées à l'avant des serveurs Ce niveau d'optimisation consiste à remplacer les portes situées à l'avant des serveurs par des équivalents intégrant des échangeurs thermiques air/eau passifs ou actifs. Il ne peut cependant être réalisé que si la configuration physique des serveurs le permet. 7/11

8 Afin d'accéder à la face avant des serveurs, ces derniers doivent être refroidis par l'arrière (arrivée de l'air froid à l'arrière). Par ailleurs, les câbles patch et autre raccords principaux doivent être connectés à l'avant pour éviter un éventuel montage de charnières sur les portes avec échangeurs thermiques air/eau. Ce concept offre à l'utilisateur de nombreux avantages : L'installation d'une climatisation résidante n'est plus nécessaire. Seule la mise en œuvre d'un groupe d'eau glacée est indispensable afin de produire l'eau froide des échangeurs thermiques. La mise en œuvre de soupapes à deux voies devant chaque échangeur thermique permet une utilisation optimale de l'eau froide, et ce, dans le but de conserver la température préréglée des serveurs. La mise en œuvre de soupapes à deux voies devant chaque échangeur thermique air/eau permet d'utiliser de façon économique la pompe de circulation avec une pression constante et une quantité d'eau variable. Les pertes significatives d'énergie provoquées par la climatisation de la salle informatique et par le plancher technique (dispositif de climatisation du bâtiment) sont évitées. Au contraire, étant donné que la température générée dans la salle informatique est plus élevée que la température extérieure, une partie de la chaleur est rejetée dans l'environnement par-delà les murs du bâtiment, ce qui déleste le groupe d'eau glacée. Des économies sont effectuées en matière de coûts énergétiques. Il est par ailleurs possible d'accentuer encore davantage ces économies, de par l'utilisation exclusive d'échangeurs thermiques air/eau passifs. 8. Optimisation Niveau 6: chambre fermée avec échangeurs thermiques air/eau (LHX 20) installés à l'avant et à l'arrière L'installation d'échangeurs thermiques aux extrémités des deux rangées de baies serveurs c'est-à-dire à droite et à gauche de la "cellule froide" - autorise un refroidissement nettement 8/11

9 plus efficace. D'autre part, il est possible de monter des ventilateurs radiaux dans les portes arrière. Il est donc ici essentiel de distinguer les salles équipées d'un plancher technique de celle qui n'en comportent pas. Dans les deux cas cependant, l'efficacité du refroidissement des serveurs est considérablement améliorée. Si la salle informatique est équipée d'un plancher technique, l'adjonction supplémentaire d'air froid implique de nombreux avantages: La température résidante dans la "cellule froide" peut atteindre une valeur inférieure à la température de l'air issu du plancher technique. Les serveurs disposent d'une quantité plus importante d'air La quantité d'air froid excédentaire issue du plancher technique peut être mise à disposition des autres baies serveurs Les baies serveurs placées à proximité des échangeurs thermiques utilisent davantage d'air froid issu des échangeurs, ce qui permet aux baies centrales de la salle de recevoir en quantité plus importante l'air froid en provenance du plancher technique. La quantité d'air présente le long de la baie serveur est répartie de manière plus homogène. Si la salle informatique ne comporte pas de plancher technique, il convient de veiller non seulement à la puissance de refroidissement maximale des échangeurs thermiques mais également à l'alimentation en air froid des baies serveurs. Ce système offre également certains avantages: Les baies serveurs disposent d'un air nettement plus froid que la climatisation n'est capable d'en produire La climatisation résidante est considérablement délestée Ce concept peut également être mis en œuvre dans d'autres types de salles La quantité d'air présente le long de la baie serveur est répartie de manière plus homogène, ce qui prévient la formation de "points chauds" 9/11

10 Le gradient de température le long de la baie est éliminé, ce qui implique une meilleure efficacité énergétique du système dans son intégralité. Par ailleurs, il est possible de compléter l'efficacité de concept en installant les portes décrites dans les niveaux d'optimisation précédents. 9. Optimisation Niveau 7: installation d'une climatisation, uniquement en tant que sécurité Ce dernier niveau d'optimisation consiste à refroidir les baies serveurs fermées installées a posteriori au moyen d'échangeurs thermiques air/eau (LHX20). Ce concept n'exerce aucune influence sur l'environnement direct et les avantages du refroidissement par eau sont pleinement exploités. La température interne des baies est parfaitement adaptée aux besoins des serveurs. Ce concept permet l'installation a posteriori de baies serveurs supplémentaires dans des salles informatiques où les capacités de la climatisation résidante sont exploitées au maximum. Il n'est alors plus possible d'augmenter la quantité d'air froid mais un refroidissement par eau est néanmoins réalisable. Quant aux baies disposées au préalable dans la salle, elles sont refroidies via le dispositif de climatisation. Si besoin est, un groupe d'eau glacée dédié aux échangeurs thermiques peut être installé. Si la salle informatique n'est pas équipée a posteriori mais qu'elle bénéficie d'une nouvelle conception, toutes les baies serveurs peuvent être refroidies au moyen d'échangeurs thermiques air/eau (LHX20): ceux-ci autorisent une dissipation de la chaleur, sans influence directe sur l'environnement. Ainsi, ce système permet de refroidir de façon ciblée les points les plus chauds dans la salle informatique. En considérant des conditions normales de fonctionnement, la puissance offerte par la climatisation peut être réduite au minimum. Celle-ci ne doit alors évacuer qu'une partie de la chaleur qui circule au-travers des baies avant d'être rejetée dans la salle. Elle assume également une fonction supplémentaire liée à la sécurité. En 10/11

11 effet, en cas de dysfonctionnement d'un échangeur thermique, la porte de la baie s'ouvre alors automatiquement et les serveurs intégrés sont alors refroidis un certain temps au moyen de l'air froid résidant dans la salle et généré par la climatisation. 10. Conclusion L'optimisation du refroidissement dans une salle informatique peut s'effectuer de différentes manières, ce qui permet de délester la climatisation résidante surchargée et d'installer des baies serveurs supplémentaires. Par ailleurs, l'efficacité des composants électroniques (par ex.: serveurs) en termes de puissance est également améliorée. De nombreux fabricants reconnus sont désormais membres d'organisations écologiques à but non lucratif telles que Green Grid ou encore Climate Savers Initiative. 11. Présentation de la société Schroff et informations relatives à l'auteur La société Schroff est mondialement reconnue pour la conception et la fabrication d'habillage pour les secteurs de l électronique, de l automatisme, des réseaux et des télécommunications. Schroff propose une large gamme de produits standard, à la pointe de l'innovation et de la qualité : baies indoor et outdoor, coffrets, bacs à cartes, alimentations, cartes-mères et systèmes d'intégration pour cartes à microprocesseur. Grâce à notre savoir et à de vastes ressources (hommes, machines, etc.), nous sommes en mesure d'offrir à chaque utilisateur LA solution d'habillage électronique qu'il recherche. Par ailleurs, Schroff dispose de connaissances spécifiques ainsi que de moyens d'ingénierie et de production performants, qui lui permettent de fournir des habillages dédiés à des domaines d'application complexes tels que l'électronique, l'automobile, le ferroviaire, l'aérospatial l'aéronautique, la défense ou encore les télécommunications et l'informatique. Nos produits et services résultent d'une observation rigoureuse des intérêts globaux des marchés de l'électronique. Le savoir d'experts en habillage électronique, en CEM et en gestion thermique a permis à Schroff d'élargir ses compétences et d'en faire ainsi une société actuellement en pleine expansion. Le Dr.-Ing. Adam Pawlowski est diplômé de l'école polytechnique "Politechnika Warszawska" à Varsovie, il a étudié la construction de moteurs pour avions, avec une spécialisation en matière de processus de combustion. En tant que chercheur à l'université Technique de Berlin, il a effectué sa thèse dans le domaine "Théorie des vibrations mécaniques". De nombreuses années durant, il a été responsable du département "Recherche et Développement" en matière de gestion thermique au sein de sociétés spécialisées dans les climatisations pour armoires électriques ou encore dans l'industrie automobile. Le Dr.-Ing. Pawlowski a intégré Schroff en août 2005 où il occupe depuis la fonction de chef de produit en Gestion thermique. 11/11