Au sein de l entreprise Cegelec, j ai étudié le data center de la caisse de retraite AGIRC-

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1 Résumé Au sein de l entreprise Cegelec, j ai étudié le data center de la caisse de retraite AGIRC- ARRCO en phase d exécution. Il est surprenant de constater que, malgré la politique actuelle de limitation des consommations, aucune réglementation ni aucun logiciel de calcul de PUE n existent. La méthode de calcul établie par ce projet de fin d études constitue une première approche dans le calcul des consommations des équipements climatiques d un data center. Cette méthode permet d établir un choix cohérent entre technicité et prix d achat. J ai effectué des comparaisons de consommation selon différents fournisseurs et selon différents mode de conception : température d eau glacée, température extérieure, filtration des armoires de climatisation, technologie de groupe froid, etc. Ces comparaisons, corrélées à l aspect financier de l exploitation du data center, montre au Maître d ouvrage l importance d un investissement initial lors d une démarche durable. La méthode de calcul permet aussi d évaluer la pertinence du free cooling sur l air ou sur l eau pour le data center étudié. La réalisation des data centers est en pleine expansion ; ils constituent un nouveau pôle de compétence au sein du secteur climatique. Les enjeux en termes d économie d énergie sont considérables. Within the company Cegelec, I studied the datacenter of the pension fund AGIRC-ARRCO at execution phase. It is interesting to note that, despite the current policy of limiting consumption, no regulation and no calculation software of PUE exist. The calculation method established by this graduation project is a first approach in calculating the consumption of the datacenter s climatic equipments. This method is used to make a consistent choice between technicality and purchase price. I made comparisons of consumption by different suppliers and by different modes of conception: chilled water temperature, outside temperature, filtration of air conditioners, chiller technology, etc. These comparisons, correlated with the datacenter s financial operation, show the owner the importance of an initial investment in a sustainable way. The calculation method is also used to assess the relevance of free air cooling or free water cooling for the studied datacenter. The realization of datacenters is expanding; they constitute a new center of excellence within the climatic industry. The stakes of energy saving are considerable. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

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3 Remerciements Je remercie Armel Jegou, mon tuteur institutionnel, qui a suivi à distance l évolution de mon projet de fin d études. Je remercie le COSTIC et l INSA de Strasbourg pour m avoir enseigné le savoir nécessaire pour devenir ingénieur et pour m avoir permis d appliquer mes connaissances à un projet des plus intéressants au sein de l entreprise Cegelec. Je souhaite remercier l ensemble de l agence Grands Projets et Infrastructures Sud-Ouest de Cegelec, et plus particulièrement Charles Christin qui a été mon tuteur tout au long de mon projet de fin d études. Il a su me faire découvrir et apprécier le métier de chef de projet. Je remercie mes parents qui m ont soutenu pendant toutes ces années et permis de concrétiser mes propres choix. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

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5 Sommaire Introduction... 7 Partie 1 : Projet étudié Equipes projet Projet architectural Evolution du projet Equipements techniques installés PUE Redondance Distribution d air Travail personnel Compléments en annexes...18 Partie 2 : Méthode de calcul Armoires de climatisation Armoires de climatisation Groupes froids & Aéroréfrigérants Pompes Centrale de traitement d air Ventilation d extraction PUE...24 Partie 3 : Résultats Coût de l énergie Changement de régime d eau Changement de filtration des armoires Changement de taille d armoire Changement de fournisseur d armoire de climatisation Changement de taille de groupe froid Changement de fournisseur et de technologie de groupe froid Changement de température extérieure de travail Changement de fournisseur de pompe Consommation des centrales de traitement d air Consommation théorique de la ventilation d extraction Calcul de PUE, pôle A...40 Partie 4 : Free cooling sur l eau Partie 5 : Free cooling sur l air Quantifier les ressources Scénario de fonctionnement CTA-FC Consommation...51 Conclusion Bibliographie Sommaire des annexes Présentation de l entreprise Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

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7 Introduction Ce rapport de projet de fin d études synthétise le travail effectué pendant 6 mois (du 7 février au 29 juillet 2011) au sein de l entreprise Cegelec, dans l agence Grands Projets et Infrastructures Sud-Ouest basée à Toulouse. Cette agence est porteuse de projets de grande ampleur. La réalisation du génie électrique et du génie climatique du data center de la caisse de retraite AGIRC-ARRCO est l un de leurs nombreux projets en cours. Très énergivores, les data centers sont de plus en plus montrés du doigt. Ils sont de véritables gouffres énergétiques absents de la réglementation thermique : rien ne limite leurs consommations. Seule une réelle volonté émise par le Maître d ouvrage permet une cohérence énergétique. L effort d économie d énergie doit être réalisé durant tous les stades de vie du bâtiment : dès les premières études, pendant la phase d exécution, et par la suite pendant l exploitation du bâtiment. J ai étudié le data center d AGIRC-ARRCO en phase d exécution. Lors de cette phase, le système de refroidissement est déjà défini dans ces grandes lignes : type de refroidissement, puissance frigorifique à installer, régime d eau glacée, performances minimales souhaitées, distribution d air. Le data center étudié présente une caractéristique contractuelle très intéressante : il est demandé à Cegelec de ne pas dépasser un certain coefficient de consommation appelé PUE. La première partie de ce rapport décrit le projet étudié et précise la notion de PUE. Le PUE imposé par le Maître d ouvrage oblige Cegelec à être conscient de l impact énergétique de tous ses choix relatifs au système de refroidissement. Pour l entreprise d exécution, la technicité des équipements devient prioritaire sur la réalisation de bénéfices à l achat des produits. La deuxième partie de mon projet de fin d études consiste en l établissement d une méthode de calcul de consommation du matériel climatique. Cette méthode de calcul a pour but de guider l entreprise dans son choix des équipements avec une vision économe, rentable et durable. Dans la troisième partie, j ai étudié l impact de consommation du système de refroidissement selon différents modes de conception. Les quatrième et cinquième parties décrivent l impact d un free cooling sur l eau ou sur l air, système non demandé par le Maître d ouvrage pour ce data center. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

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9 Partie 1 : 1. Equipes projet Projet étudié Encore inconnu de nos dictionnaires, un data center est une salle informatique hébergeant des baies informatiques qui stockent et gèrent des données informatiques. Le data center qui fait l objet de mon projet de fin d études est celui de la caisse de retraite AGIRC-ARRCO. fig 1 : logo d AGIRC-ARRCO source : Le projet est une conception-réalisation : - Maîtrise d ouvrage : GIE AGIRC-ARRCO - Assistant Maîtrise d ouvrage : CRITICAL BUILDING L équipe de Maîtrise d œuvre conception est la suivante : - BET : INGEROP, mandataire - SSI : INGEROP - ARCHITECTE : Denis AMEIL L équipe de réalisation est la suivante : - Cegelec GPI : mandataire, réalise les études d exécution et les travaux CFA/CFO et CVC. - MAS : réalise les études d exécution et les travaux gros-œuvre, V.R.D. et second œuvre fig 2 : logos des différentes entreprises du groupement source : site internet des différentes entreprises Ali Limouri (Cegelec GPI) était le chef de projet jusqu en juin 2011 ; Stéphane Chevaillier (Cegelec GPI) a repris le projet par la suite. Charles Christin (Cegelec GPI) est le chef de projet CVC, il a été mon tuteur durant mon projet de fin d études. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

10 2. Projet architectural Le data center se situe à côté des bureaux existants d AGIRC-ARRCO à Gradignan, en périphérie de Bordeaux (33). fig 3 : emprise des locaux existants et futur data center source : Denis Ameil fig 4 : perspective du projet : vue de l entrée principale source : Denis Ameil Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

11 fig 5 : perspective du projet : vue de la façade nord source : Denis Ameil L architecte du projet, Denis Ameil, a veillé concevoir le data center avec une compacité réduite pour minimiser le rapport volume/surface. Il a prêté attention au choix de matériaux à forte inertie (béton plein), à limiter les ouvrants. Il a aussi conservé un rideau de végétation au Sud afin de freiner l ensoleillement direct et diffus. L éloignement de l agglomération bordelaise et la forte proximité de la végétation donne à l ouvrage un environnement frais. Du fait du caractère énergivore propre aux data centers, ces derniers sont autant des projets techniques qu architecturaux. 3. Evolution du projet L investissement pour la construction d un data center est considérable. Pour notre cas d étude, les systèmes d alimentation électrique et de refroidissement représentent à eux seuls 55% de la valeur totale du projet. C est pourquoi le Maître d ouvrage, GIE AGIRC- ARRCO, a fait le choix d une réalisation évolutive du projet : le data center est scindée en 4 phases sur 2 pôles. A quelques différences près, le bâtiment est symétrique sur sans axe médian. On parle de pôle A à l Est, et de pôle B à l Ouest. Chaque pôle est divisé en 2 tranches : - les tranches ferme et A2 concernent le pôle A - les tranches B1 et B2 concernent le pôle B Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

12 légende : tranche ferme tranche B1 tranche A2 tranche B2 fig 6 : plan du data center et repérage des tranches source : Denis Ameil (plan), source personnelle (repérage) Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

13 ferme A2 B1 B2 Salle Aa description des travaux par tranche Salle Ab Salle B - Construction de l intégralité de bâtiment isolé - Livraison des zones logistiques nécessaires et équipées - Livraison des zones «Intervenants» équipées - Livraison des installations du PC de Sécurité local (dans le data center) et du PC de Sécurité général (dans le bâtiment existant) - Aménagement des locaux techniques associés au plateau - Livraison des chaines techniques (200 kw HQ) desservant pour le premier plateau informatique - Aménagement de la première salle informatique (Aa) - Climatisation en salle pour 200 kw HQ : 2x 400 kw froid - Equipements terminaux et raccordements de la première salle (Aa) de 200m² équipée avec 25 baies - Plateau et locaux livrés bruts et isolés - Equipement de la salle de 200m² (climatisation et raccordement) - Pas de tableaux électriques terminaux en salle informatique - Augmentation de la puissance de 200 kw HQ à 400 kw HQ - Climatisation en salle de 200 kw HQ à 400 kw HQ : 1x 400 kw froid - Aménagement du plateau informatique (B) de 400m² (climatisation et raccordement) : 2x 400 kw froid - Création des chaines techniques dédiées (200 kw HQ) pour le second plateau informatique (B) - Aménagement complet des locaux «Bandothèque 2» et «Stockage 2» associés au second plateau - Pas de tableaux électriques terminaux en salle informatique - Augmentation de la puissance de 200 kw HQ à 400 kw HQ - Climatisation en salle de 200 kw HQ à 400 kw HQ : 1x 400 kw froid Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

14 4. Equipements techniques installés Les baies informatiques dégagent énormément de chaleur. C est pourquoi de nombreux équipements propres au génie climatique sont installés au cours de chaque tranche, c est-àdire à chaque évolution des salles informatiques : groupes froids & aéroréfrigérants armoires de climatisation pompes centrale de traitement d air ventilation d extraction matériel CVC installé ferme A2 B1 B2 2x 400 kw 1x 400 kw 2x 400 kw 1x 400 kw 4x 6 kw 2x 24 kw 4x 45 kw 6x 76 kw 4x pour GF & Aéro 4x pour réseaux 1x dimensionné pour A2 5x dimensionné pour A2 6x 76 kw 2x pour GF & Aéro 2x 24 kw 4x 35 kw 6x 76 kw 2x pour GF & Aéro 1x dimensionné pour B2 5x dimensionné pour B2 6x 76 kw 4x pour GF & Aéro 4x pour réseaux L investissement initial de construction étant très important, il est primordial de limiter les coûts d exploitation du bâtiment. Les enjeux de réduction de consommation de ces salles informatiques sont énormes. Actuellement, aucune réglementation ne limite les consommations. En conséquence, il appartient à chaque Maître d ouvrage de limiter ou non les consommations en fonction de ses charges d exploitation. Toutefois, les data centers présentent par rapport aux autres infrastructures tertiaires un paramètre de classification énergétique propre : le PUE. 5. PUE Le PUE, Power Usage Effectiveness, est une notion proposée par l association de professionnels de l informatique The Green Grid. Il est un indicateur synthétique, efficient et reconnu internationalement permettant une évaluation rapide de l efficacité énergétique d un data center. Il permet également de comparer les centres informatiques entre eux et de déterminer si des améliorations d efficacité énergétique sont nécessaires. fig 7 : logo du Green Grid source : Le PUE (coeficient) se calcule par la relation suivante : Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

15 Théoriquement, un data center parfait présente un PUE égal à 1. Dans ce cas, toute la puissance consommée par l enceinte est destinée au fonctionnement des équipements informatiques et aucune puissance de refroidissement n est nécessaire. Mais la théorie est bien loin de la réalité et un data center «moyen» présente un PUE proche de 2,2. C est à dire qu un data center moyen consomme plus en refroidissement que le traitement informatique du site. Rare sont ceux qui, comme le data center étudié, peuvent se vanter d atteindre un PUE inférieur à 1,7. Schneider Electric établit dans son livre blanc livre blanc n 158 «Méthode de calcul de l efficacité énergétique dans les data centers», le début d une normalisation dans le calcul du PUE. Le Green Grid a reconnu les problèmes soulevés dans ce livre blanc et tente actuellement de trouver des solutions sous forme de directives et de normes. Ce livre blanc ne prend pas en compte : - le nombre de tranches informatiques ouvertes - le taux de remplissage des baies informatiques - le taux de disponibilité des données 6. Redondance Un data center dont les systèmes de refroidissement ou d alimentation sont souvent en panne consomme moins qu un data center fiable. Le PUE d un data center peu fiable est donc plus faible. Une panne technique entraine la non-disponibilité temporaire ou longue des données informatiques. Ces pannes sont dues à des surchauffes (panne CVC) ou des coupures de courant (panne CFA/CFO). La notion de disponibilité n étant pas pris en compte dans le calcul du PUE, alors qu elle est dimensionnante de la consommation énergétique annuelle. Pour notre cas d étude, l importance des données stockées par les baies informatiques impose au système de refroidissement des taux de disponibilité minimaux à respecter, exigences du Maître d ouvrage : - taux d indisponibilité totale : 99,982 %, soit 7,8 heures tous les 5 ans - taux d indisponibilité mineure : 99,750%, soit 22 heures tous les ans Du point de vue génie climatique, ces taux de disponibilité très contraignants sont maintenus grâce à la redondance de tous les matériels constitutifs du système de refroidissement. Soit N la puissance nécessaire à installer : redondance ferme A2 B1 B2 groupes froids et aéroréfrigérants N+1 N+1 N+1 N+1 armoires de climatisation 2N 2N 2N 2N pompes N+1 N+1 N+1 N+1 centrale de traitement d air N N N N ventilation d extraction N N N N Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

16 La redondance des équipements techniques permet de pallier les pannes. La panne est bien souvent la conséquence d une mauvaise conception ou d une mauvaise gestion. Pour éviter la surchauffe des salles informatiques et ainsi les pannes, une distribution cohérente et performante de l air permet d utiliser pleinement les performances du système de refroidissement. Complément sur l évolution par tranche du projet : Dans la partie suivante, je mentionne une tranche supplémentaire appelée «tranche future». Cette tranche future n est pas contractuelle. Son exécution n est pas certaine. Cependant, l ensemble du réseau hydraulique a été dimensionné pour accepter cette tranche future. Elle permet : - le passage de la redondance des groupes froids, des aéroréfrigérants et des pompes de N+1 à 2N - l augmentation de la puissance informatique installée grâce à l installation de nouvelles armoires de climatisation en salle informatique. 7. Distribution d air Concernant les flux d air, un data center bien refroidit est un data center où l air circule correctement. Il ne doit pas y avoir de mélange entre l air repris et l air soufflé. Le mélange amène le système de refroidissement à fonctionner de façon moins efficace : une plus petite différence de température entre l air chaud extrait et les températures du serpentin de refroidissement induit une dégradation du rendement de l installation. Il existe plusieurs configurations, chacune présente des avantages et des inconvénients. Les data centers étant relativement récents, il est encore difficile d avoir un regard critique et de prendre du recul sur les différents modèles de circulation d air. Avant toute réflexion sur la méthode d extraction et de soufflage, le premier choix impératif à effectuer est une distribution par allée chaude / allée froide. Cette méthode permet d extraire un maximum d air chaud, et très peu d air mélangé à température moyenne. fig 8 : principe de l allée chaude / allée froide avec faux-plancher source : Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

17 Ce data center est conçu avec un plancher technique. Le soufflage se fait en vrac en faux plancher et la reprise des armoires de climatisation est libre et en hauteur. Le confinement de l allée froide est en option. Le confinement de l allée froide permet de minimiser l espace physique à refroidir et ainsi de réaliser d importantes économies d énergie. Il est surprenant de constater qu aucune récupération de chaleur n est prévue sur les groupes froids. Pourtant la chaleur dégagée par les groupes froids constitue à elle seule une production importante, gratuite et disponible toute l année. De plus, les locaux existants du Maître d ouvrage sont à quelques mètres de son futur data center, celui-ci aurait pu utiliser cette chaleur perdue pour son usage personnel! Cette perte de chaleur est en contradiction avec l urbanisation durable et les ensembles immobiliers. Le temps où la production de chaleur appartenait à chacun est depuis longtemps révolu. La notion de production collective qui a connu son apogée avec les grands ensembles des années 70 est aujourd hui encore valable. Un autre moyen de réaliser d importantes économies d énergie est d utiliser le free cooling. Le free cooling, disponible sur l air ou sur l eau, n est pas prévu dans ce projet. Son impact est l objet des quatrième et cinquième parties de ce rapport de projet de fin d études. 8. Travail personnel Pendant ma période d insertion au sein de Cegelec, j ai pu découvrir le projet du data center en phase d exécution. La partie chantier CVC de la tranche ferme démarre en septembre J ai donc effectué un travail en amont sur les études de conception et sur l évaluation des équipements des fournisseurs ; je n ai pas pu découvrir la phase chantier CVC. fig 9 : photo prise le 21 juillet 2011 : à droite le local technique du pôle A source : photo personnelle Delphine Renault est responsable du service achat de Cegelec GPI. Après consultation des fournisseurs, avec elle nous avons analysé et comparé les principaux matériels CVC proposés : groupes froids, aéroréfrigérants, armoires de climatisation, pompes, centrale de traitement d air. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

18 A options équivalentes il est possible de comparer techniquement des offres entre elles. Mon premier travail a consisté à récolter les bonnes informations afin de trier les offres, valables ou non. Ensuite, j ai effectué des calculs de consommation pour chaque matériel de fournisseur afin d évaluer l impact des équipements sur le PUE. L établissement d une méthode de calcul de consommation des équipements climatiques d un data center constitue la majeure partie de mon projet de fin d études. Elle permet la comparaison énergétique des équipements consultés et la validation des choix de conception. Elle permet aussi d évaluer l impact du free cooling, sur l air ou sur l eau. 9. Compléments en annexes Les annexes regroupent une synthèse de connaissances sur les data centers. Il s agit d une synthèse de tout ce que j ai pu lire et apprendre des data centers en général à partir de documents fournisseurs, livres blancs, articles scientifiques, discussions avec les fournisseurs et avec mon tuteur de projet de fin d études. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

19 Partie 2 : Méthode de calcul 1. Armoires de climatisation L intégralité de la description de la méthode de calcul est présentée en annexes. 2. Armoires de climatisation Les moteurs de ventilateurs des armoires de climatisation sont à commutation électronique : type EC. J ai réalisé sur excel la courbe représentative de la part de puissance électrique absorbée en fonction du coefficient d utilisation. Cette courbe est établie de manière empirique à l aide de documents techniques sur les moteurs EC. Une courbe de tendance de cette courbe empirique permet d obtenir une expression mathématique du 2 nd ordre : Avec : a = 0,8478 b = 0,1332 c = 0,0182 fig 10 : courbe d utilisation empirique des moteurs EC source : production personnelle On voit graphiquement qu il devient plus intéressant d utiliser 2 armoires de climatisation à 50% plutôt qu 1 seule à 100%. En effet, 1 armoire utilisée à 50% consomme 30% de sa consommation totale, soit 60% pour 2 armoires utilisées à 50%. 1 armoire utilisée à 100% consomme 100% de sa consommation totale. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

20 Le data center admet une redondance 2N sur les armoires de climatisation. En conséquence, on profite de cette disposition pour utiliser la totalité des armoires, y compris celles en secours afin d atteindre un coefficient d utilisation minimum. Pôle A : salle : Telecom 1 & 2 Bandothèque Onduleurs Info puissance frigo théorique (kw) : tranche ferme quantité tranche A installée: tranche future quantité utilisée: tranche ferme tranche A tranche future A l aide de la courbe empirique des moteurs EC, du fichier météo de Bordeaux et des consultations des fournisseurs, on détermine la consommation des armoires de climatisation. Il faut préciser que les armoires de climatisation fonctionnent à la même charge constante tout au long de l année. Que ce soit en hiver ou en été, les armoires de climatisation fournissent le même travail, ce sont les groupes froids qui font varier la puissance frigorifique selon les besoins. Hypothèse simplificatrice Dans un data center, le plus important est le maintien de la température ambiante de manière stable et égale à la consigne. L hygrométrie est régulée par la centrale de traitement d air. Le matériel informatique est très sensible à l humidité : un air trop sec est à l origine de problèmes d électricité statique, un air trop humide est à l origine de problèmes de condensation. Ces deux cas extrêmes peuvent endommager de manière irrémédiable le matériel électronique. En conséquence, l enveloppe des salles abritant du matériel informatique (Telecom 1 & 2, Bandothèque, Salle Info) doit être le plus étanche possible. Cependant, certaines armoires de ces salles possèdent une batterie électrique et un humidificateur pour maintenir une hygrométrie de bon fonctionnement. L humidification ou la déshumidification de l air par ces armoires est rare car l enveloppe de la salle est très étanche. Dans le calcul des consommations, je néglige le fonctionnement des humidificateurs des armoires car leur fonctionnement est rare. 3. Groupes froids & Aéroréfrigérants 1. Groupes froids Par l analyse des équipements des fournisseurs, je calcule la puissance absorbée des groupes froids en créant des courbes de tendance : - pour un taux de charge fixé, la puissance absorbée en fonction de la température de sortie de condenseur - pour une température de condenseur fixée, la puissance absorbée en fonction de la puissance frigorifique fournie Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

21 Les groupes froids consomment beaucoup même à faible charge. En conséquence, on utilise un minimum de groupes froids possible. Par exemple, pour un taux de charge 80%, 1 seul groupe froid fonctionnera, et non 2 groupes froids à 40%. Pôle A : Tranche ferme Tranche A2 Tranche future quantité installée : quantité utilisée : Je calcule ensuite le taux de charge des groupes froids pour chaque température extérieure. A partir du taux de charge et à une température de sortie de condenseur donnée, je calcule la puissance absorbée des groupes froids. Avec le fichier météo de Bordeaux, j obtiens un calcul de consommation des groupes froids pour chaque température extérieure de -10 C à 40 C. 2. Aéroréfrigérants Je calcule la consommation des aéroréfrigérants à l aide du taux de charge des groupes froids et de la courbe d utilisation des moteurs EC. Avec le fichier météo de Bordeaux, j obtiens un calcul de consommation des aéroréfrigérants pour chaque température extérieure. 3. Hypothèses simplificatrices hypothèse 1 : Lors du calcul de consommation du groupe froid, je calcule le taux de charge. Dans notre cas d étude, le taux de charge varie progressivement de 60% à 90%. Or seul les groupes froids à vis peuvent atteindre des taux de charge progressifs. Les groupes froids en scroll possèdent plusieurs compresseurs qui permettent d étager le taux de charge par palier. Avec 4 compresseurs, la puissance frigorifique fournie sera étagée à 25%, 50%, 75% et 100%. Par exemple, un groupe froid en scroll à 4 compresseurs devant fournir 60% de sa puissance frigorifique à une température extérieure donnée, devra faire fonctionner 3 compresseurs pour atteindre 75% de sa charge. Il est donc surpuissant. Dans le data center, le groupe froid alimente un ballon tampon de litres. Ce ballon alimente ensuite les armoires de climatisation en régime Le groupe froid en scroll fonctionne en surpuissance (75%), la température de retour d eau glacée des armoires de climatisation devient inférieure à 13 C. C est alors que le groupe froid arrête 1 de ses compresseurs et devient sous-puissant : 50%. Le ballon tampon continue à alimenter les armoires de climatisation et lorsque la température de retour d eau glacée est supérieure à 13 C, le groupe froid enclenche à nouveau 1 compresseur : il redevient surpuissant : 75%. Et ainsi de suite L alternance de fonctionnement des compresseurs est difficile à prendre en compte dans un calcul statique sur tableur excel. Je choisis donc de ne pas considérer cette alternance et considère une variation progressive de la charge pour un groupe froid en scroll. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

22 hypothèse 2 : La régulation est très importante pour réaliser des économies d énergie. Les groupes froids fonctionnent à partir d un taux de charge minimum (15, ou 25% selon les modèles) et atteignent leur meilleur rendement à charge élevée (entre 75 et 100%). Dans ce calcul théorique, la puissance est répartie équitablement entre les groupes utilisés : 2 groupes froids peuvent fonctionner à 60% de charge. En réalité, selon la température extérieure, il sera choisi d en faire fonctionner un à 100% et l autre à 20% afin de limiter la puissance absorbée. 4. Remarque importante L ESEER n est pas un indicateur de performance pour l utilisation des groupes froids dans un data center. Cette valeur calculée selon les conditions Eurovent n est pas une valeur comparable car les conditions de calculs considérées pour notre data center sont loin de celles d Eurovent. L ESEER est calculé selon la température extérieure, la température de condenseur, le taux de charge et un coefficient d utilisation : ESEER = A.EER 100% + B.EER 75% + C.EER 50% + D.EER 25% paramètres Eurovent de calcul de l ESEER Charge Température Température de Coefficient extérieure sortie de condenseur d utilisation 100% A =3% 75% B =33% 50% C =41% 25% D =23% 4. Pompes Pour les mêmes raisons de consommation que les groupes froids, il est décidé d utiliser le minimum de pompes. Pôle A : quantité installée : quantité utilisée : Condenseur Evaporateur Réseau 1 Réseau 2 débit (m 3 /h) : type : constant constant variable variable tranche ferme tranche A tranche future tranche ferme tranche A tranche future Le calcul de consommation des pompes à débit constant s effectue grâce à la connaissance du temps d utilisation annuel et de la puissance absorbée. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

23 Le calcul de consommation des pompes à débit variable est plus complexe. Je calcule le taux de charge des pompes en prenant comme hypothèse que le débit brassée à pleine charge frigorifique (40 C extérieur) en tranche future équivaut au débit maximum admis par la pompe ; soit une charge de 100%. Cette hypothèse repose sur le fait que le réseau hydraulique ait été dimensionné pour couvrir la tranche future. A partir des fiches techniques des fournisseurs, j établis une courbe d utilisation propre à chaque pompe à débit variable. A partir du calcul du taux de charge pour chaque température extérieure, et de la courbe d utilisation, je calcule la puissance absorbée en fonction du taux de charge. Avec le fichier météo de Bordeaux, j obtiens un calcul de consommation précis pour chaque température extérieure. 5. Centrale de traitement d air Le calcul de consommation du ventilateur se fait directement avec les fiches techniques des fournisseurs et la connaissance du temps de fonctionnement annuel de la centrale de traitement d air neuf. Pour effectuer le calcul de consommation des batteries chaude et froide, je calcule une consommation par degré des batteries. Puis j utilise le fichier météo de Bordeaux pour connaitre le temps d utilisation à chaque température de fonctionnement des batteries. Pour effectuer le calcul de consommation de l humidificateur, je calcule une consommation par degré de l humidificateur. Par différence des conditions de soufflage avec des conditions extérieures type, j obtiens une consommation par palier. Voici les paliers choisis arbitrairement : T ext ( C) φ ext (%) r s ext (kg/kg as) 0,0010 0,0034 0,0045 0,0053 0,0061 0,0064 0,0075 Avec le fichier météo de Bordeaux, j obtiens un calcul de consommation détaillé de l humidificateur. 6. Ventilation d extraction Ma période de stage ne correspond pas avec la période de consultation des ventilateurs d extraction. Je n ai donc pas consulté les fournisseurs. Pour calculer la consommation des ventilateurs d extraction, j ai effectué un calcul théorique sans données concrètes. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

24 Pôle A : Local : Batteries Transformateurs Production de froid Quantité Ferme (remplacement) installée par A (remplacement) tranche : Future (remplacement) Fonctionnement : continu variable variable Puissance absorbée nominale (théorique) (kw) 0,08 0,30 0,27 Les ventilateurs sont dimensionnés pour combattre la dissipation calorifique des équipements installés en tranche A2. En tranche future, les ventilateurs deviennent sousdimensionnés et nécessitent d être remplacés. Je calcule un coefficient d utilisation pour chaque mois de l année. En effet, plus l air extérieur est froid, moins le ventilateur est sollicité du fait des déperditions des parois. Le fichier météo de Bordeaux m indique que le mois d août est le plus chaud, j obtiens donc une utilisation maximale au mois d août pour la tranche A2. En tranche ferme, les ventilateurs sont sollicités à la moitié de leur capacité. En tranche future, les ventilateurs sont remplacés et redimensionnés, ils sont donc utilisés à pleine charge au mois d août. Le coefficient d utilisation mensuel est calculé à partir de la température mensuelle moyenne et d une constante déterminée pour atteindre 100% de charge au mois d août. 7. PUE Le data center étudié est conçu pour atteindre un PUE maximal de 1,70. Cette valeur est contractuelle, elle ne peut pas être dépassée. Ingerop me fournit un fichier excel de calcul de PUE. Ce fichier permet, par tranche et par pôle, de calculer le PUE du data center. Les pôles A et B sont, à quelques exceptions près, identiques. Cependant le pôle A est légèrement plus énergivore. Je décide de calculer uniquement le PUE du pôle A. 1. Consommation informatique du pôle A Toutes les salles abritant du matériel informatique sont répertoriées. A chaque salle correspond une puissance instantanée installée (kw) et un temps de fonctionnement annuel (h). Le produit de ces deux valeurs fournies par Ingerop correspond à la consommation informatique de la salle en kwh. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

25 Salle Prise en compte dès la tranche Puissance instantanée (kw) Nombre d heures de fonctionnement annuel (h) Consommation annuelle (kwh) PC sécurité ferme 8 24 h x 365 j = h Local constructeur 1 ferme Local constructeur 2 ferme Local maintenance ferme Salle d intervention 1 ferme Salle d intervention 2 ferme Local autocom ferme Local télécom 1 ferme Local télécom 2 ferme Bandothèque A ferme Salle informatique A-1 ferme 200 (ferme & A2) 200 (future) Salle informatique A-2 A2 200 (A2) 400 (future) Les onduleurs doivent fournir la consommation informatique totale des salles. Les onduleurs ne sont pas parfaits, ils ont des pertes fixes. Par son calcul, Ingerop admet des pertes fixes de 8%. La consommation informatique totale (kwh) vaut : 2. Consommation non informatique du pôle A Tous les équipements non informatiques alimentant les salles informatiques sont répertoriés. Concernant l éclairage, les prises de courant, les ventilo-convecteurs et les radiateurs : à chacun de ces éléments correspond une puissance instantanée installée (kw) et un temps de fonctionnement annuel (h). Le produit de ces deux valeurs fournies par Ingerop correspond à la consommation non informatique en kwh. Les consommations des autres équipements sont calculées par la méthode de calcul de consommation décrite précédemment. Equipement non informatique Groupes froids & Aéroréfrigérants Armoires de climatisation Pompes Centrales de traitement d air Ventilation d extraction Eclairage & Prises de courant Prise en compte dès la tranche ferme ferme ferme ferme ferme ferme Puissance instantanée (kw) 20 (ferme) 35 (A2) 50 (future) Nombre d heures de fonctionnement annuel (h) Consommation annuelle (kwh) consommations annuelles calculées par la méthode décrite précédemment 10 h x 365 j = h (ferme) (A2) (future) Ventilo-convecteurs & Radiateurs ferme h x 365 j = h La somme des consommations annuelles correspond à la consommation non informatique totale en kwh. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

26 3. consommation totale du pôle A Les transformateurs permettent d amplifier la puissance électrique distribuée. Dans son calcul, Ingerop admet des pertes fixes de 1,02%. La consommation totale du site (kwh) vaut : 4. calcul du PUE du pôle A Le PUE se calcule par la relation suivante : Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

27 Partie 3 : Résultats Tous les résultats présentées dans cette partie ne concernent que le pôle A. 1. Coût de l énergie Le tarif de l énergie électrique n est pas encore définit. Comme la puissance appelée est supérieure à 250 kva, je considère que le tarif souscrit sera de type vert à 5 périodes : très longues utilisations prix (c HT / kwh) h pointe h pleines h creuses 6,701 5,391 4,105 Le data center fonctionne en continu : soit 24 x 365 = heures par an Les heures de pointes : de 9h à 11h et de 20h à 22h de décembre à février 4h par jour de décembre à février 4h x (31j + 31j + 28j) = 360 heures par an soit 4,11% de l année Les heures pleines : de 6h à 22h 16h par jour de mars à novembre et 12h par jour de décembre à janvier 16h x (31j x j x 4) + 12h x (31j + 31j + 28j) = heures par an soit 62,56% de l année Les heures creuses : de 22h à 6h 8h par jour toute l année 8h x 365j = heures par an soit 33,33% de l année Hypothèse simplificatrice Je n ai pas pris en compte l augmentation du prix de l électricité qui varie de 3 à 5% selon les années. 2. Changement de régime d eau Le choix du régime d eau influe sur la consommation des armoires de climatisation. Plus le régime d eau est bas, et moins elles consomment pour refroidir l air. Le choix du régime d eau influe sur la consommation des groupes froids. Plus le régime d eau est bas, et plus ils consomment pour produire de l eau glacée. Quel régime d eau choisir? Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

28 Armoire de climatisation : ARMOIRES Stulz consommation annuelle (kwh) régime d eau : tranche ferme tranche A tranche future Groupes froids & Aéroréfrigérants : groupes froids : MTA modèle 1 GF & AERO aéroréfrigérants : Thermokey consommation annuelle (kwh) régime d eau : tranche ferme tranche A tranche future Armoire de climatisation, Groupes froids & Aéroréfrigérants : Le régime 8-13 pris comme référence dans la comparaison des consommations : ARMOIRES, GF & AERO armoires : Stulz groupes froids : MTA modèle 1 aéroréfrigérants : Thermokey consommation annuelle (kwh) régime d eau : tranche ferme tranche A tranche future économie / perte + régime d eau : 7-12 référence : tranche ferme - 1,1 % 0,0 % + 10,6 % tranche A2-1,3 % 0,0 % + 10,8 % tranche future + 0,1 % 0,0 % + 9,8 % On voit qu un choix pertinent du régime d eau permet d économiser plus de 10% de la consommation du système de refroidissement. Le régime 7-12 est plus performant pour les tranches contractuelles ferme et A2. Toutefois, avant l établissement de ces calculs, pour des raisons d investissement et d encombrement, le régime 8-13 a été choisi par Cegelec et Ingerop. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

29 3. Changement de filtration des armoires L air d une salle informatique doit être très propre. Une filtration du type F7 est prescrite par le bureau d études Ingerop. La présence humaine est très rare dans la salle informatique. Cette salle est très étanche. Les armoires de climatisation et les baies informatiques ne produisent aucun polluant aérien. Une fois recyclé par les armoires, l air reste propre. Toutes ces informations sur le faible encrassement de l air nous indiquent que la filtration F7 n est pas justifiée, une filtration G4 pourrait suffire. La filtration F7 engendre une plus value de 205 euros par armoire installée dans la salle informatique. ARMOIRES Emerson : régime 8-13 filtration F7 sur toutes les armoires G4 en salle en info F7 ailleurs par an : filtres conso facture conso facture (kwh) élec ( ) plus-value % prix total (kwh) élec ( ) achat ( ) tranche ferme ,8 % tranche A ,5 % tranche future ,2 % ARMOIRES économie / perte + filtration référence : F7 sur toutes les armoires G4 en salle en info F7 ailleurs tranche ferme 0,0 % - 24,2 % tranche A2 0,0 % - 25,6 % tranche future 0,0 % - 26,4 % Une filtration inférieure sur les armoires de la salle informatique permet de diminuer considérablement la consommation énergétique. 4. Changement de taille d armoire Stulz a proposé une variante sur les armoires de la salle informatique. Deux modèles d armoires permettent de répondre aux caractéristiques techniques demandées. Le premier modèle est considéré comme référence ; il est plus cher que le second mais consomme moins. L étude comparative est réalisée avec un régime d eau de 8-13 et une filtration F7 dans la salle informatique. ARMOIRES Autres salles : Stulz Salle info : Stulz modèle 1 Salle info : Stulz modèle 2 par an : conso facture plus-value conso facture (kwh) élec ( ) achat ( ) (kwh) élec ( ) tranche ferme tranche A tranche future Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

30 Nombre d années de fonctionnement Le premier modèle est une armoire de puissance plus élevée que la seconde : ceci explique le prix d achat plus élevé. Cette armoire fonctionne donc à une charge plus faible que la seconde. La puissance absorbée en fonction de l utilisation étant quasi parabolique, le premier modèle consomme moins. L achèvement des différentes tranches n est pas encore établi de manière définitive. La tranche future n est pas contractuelle. Les réseaux hydrauliques et aérauliques sont dimensionnés pour la tranche future, mais rien ne certifie son exécution. Sans considérer la tranche future, il est prévu pour le moment 2 ans de fonctionnement en tranche ferme avant l achèvement de la tranche A2. Il s agit du 1 er scénario d étude. En considérant la tranche future, je prévois un fonctionnement de 2 ans en tranche ferme, puis 3 ans en tranche A2 avant l achèvement de la tranche future. Il s agit du 2 ème scénario d étude. Dans les tableaux de scenario, l écriture d une tranche induit le fonctionnement des tranches qui la précède : - A2 signifie le fonctionnement du data center en tranches ferme+ A2 - future signifie le fonctionnement du data center en tranches ferme+a2+future Stulz modèle 2 référence : Stulz modèle 1 1 er scénario 2 ème scénario éco tranche perte + tranche éco perte + 1 ferme -78,8% ferme -78,8% 2 ferme -63,1% ferme -63,1% 3 A2-64,2% A2-64,2% 4 A2-52,5% A2-52,5% 5 A2-43,1% A2-43,1% 6 A2-35,3% future -35,3% 7 A2-28,7% future -48,4% 8 A2-23,1% future -39,9% 9 A2-18,2% future -32,8% 10 A2-14,0% future -26,8% 11 A2-10,3% future -21,5% 12 A2-7,0% future -16,9% 13 A2-4,0% future -12,9% 14 A2-1,4% future -9,3% 15 A2 1,0% future -6,1% 16 A2 3,2% future -3,2% 17 A2 5,2% future -0,5% 18 A2 7,0% future 1,8% 19 A2 8,7% future 4,0% 20 A2 10,2% future 6,0% - Pendant le 1 er scénario, la première solution permet de réaliser des économies d énergie mais est moins rentable que la deuxième solution jusqu à la 14 ème année de fonctionnement du data center. A partir de la 15 ème année, la première solution devient la plus économe et la plus rentable. - Pendant le 2 ème scénario de fonctionnement la première solution devient la plus économe et la plus rentable qu à partir dès la 18 ème année. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

31 Nombre d années de fonctionnement 5. Changement de fournisseur d armoire de climatisation Après consultation des armoires de climatisation, plusieurs fournisseurs ont répondu aux caractéristiques techniques demandées : Stulz, Emicon, Emerson, Swegon, et Ciat. ACL : 8-13 consommation annuelle (kwh) fournisseur Stulz Stulz Emerson Emicon Ciat Swegon nom modèle 1 modèle 2 tranche ferme tranche A tranche future Les armoires Stulz modèle 1 sont les plus économes. Cependant les armoires Emicon sont les moins chères. Pour l étude des 2 scénarii, je prends comme référence les armoires les moins chères : les armoires Emicon. D après le bureau d études Ingerop, les armoires Emicon sont adaptées pour un usage industriel et non pour un usage tertiaire. Elles sont donc écartées de la comparaison. Les armoires Swegon deviennent la référence. Dans le but de préserver l information sur le prix des offres des différents fournisseurs, je présente dans les scénarii uniquement l écart relatif par rapport à la solution de référence. 1 er scénario : référence : Swegon tranche Stulz Stulz Emerson Ciat modèle 1 modèle 2 1 ferme 458,8% 111,0% 392,5% 534,6% 2 ferme 212,0% 52,2% 204,2% 256,3% 3 A2 166,3% - 0,1% 175,8% 195,9% 4 A2 100,1% - 2,6% 124,4% 124,4% 5 A2 66,4% - 3,8% 98,1% 88,0% 6 A2 46,0% - 4,5% 82,2% 65,8% 12 A2 0,7% - 6,2% 47,0% 16,9% 13 A2-2,4% - 6,3% 44,5% 13,5% 14 A2-5,1% - 6,4% 42,4% 10,6% 19 A2-14,1% - 6,7% 35,5% 0,9% 20 A2-15,3% - 6,8% 34,5% - 0,4% - Les armoires Stulz modèle 2 consomment moins que les armoires Swegon, mais sont plus chères. Cependant elles deviennent les plus rentables dès la 3 ème année de fonctionnement. - Les armoires Stulz modèle 1 deviennent plus rentables que la référence à partir de 13 ans de fonctionnement, et les armoires Ciat à partir de 20 ans de fonctionnement. - Les armoires Emerson ne sont pas rentables sur une période de 20 ans. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

32 Nombre d années de fonctionnement Nombre d années de fonctionnement 2 ème scénario : référence : Swegon tranche Stulz Stulz Emerson Ciat modèle 1 modèle 2 1 ferme 458,8% 111,0% 392,5% 534,6% 2 ferme 212,0% 52,2% 204,2% 256,3% 3 A2 166,3% - 0,1% 175,8% 195,9% 4 A2 100,1% - 2,6% 124,4% 124,4% 5 A2 66,4% - 3,8% 98,1% 88,0% 6 future 46,0% - 4,5% 82,2% 65,8% 7 future 65,9% - 20,6% 108,1% 91,7% 8 future 43,4% - 18,0% 88,8% 66,4% 13 future 0,7% - 12,9% 52,0% 18,5% 14 future - 3,1% - 12,5% 48,8% 14,3% 15 future - 6,2% - 12,1% 46,2% 10,8% 19 future - 14,6% - 11,1% 38,9% 1,3% 20 future - 16,1% - 10,9% 37,6% - 0,3% - Les armoires Stulz modèle 2 deviennent rentables qu à partir de la 14 ème année. A titre d exemple sur le scénario 1, j effectue une comparaison complète en intégrant les armoires Emicon : 1 er scénario avec référence Emicon : référence : Emicon tranche Stulz Stulz Emerson Ciat Swegon modèle 1 modèle 2 1 ferme 895,5% 512,3% 822,4% 979,1% 390,0% 2 ferme 433,7% 257,6% 425,1% 482,5% 200,1% 3 A2 380,2% 196,8% 390,8% 413,0% 196,9% 4 A2 246,8% 133,6% 273,6% 273,6% 136,4% 5 178,8% 101,4% 213,7% 202,5% 105,5% 10 A2 63,2% 46,6% 112,2% 81,8% 53,1% 15 A2 29,7% 30,8% 82,7% 46,9% 37,9% 20 A2 13,8% 23,2% 68,7% 30,2% 30,7% - Les armoires Stulz modèle 1 et les armoires Ciat consomment moins que les armoires Emicon. Le prix très bas des armoires Emicon permet de les maintenir au rang d armoires les plus rentables pour notre data center. 6. Changement de taille de groupe froid Pour les scénarii des groupes froids, j intègre la durée de vie moyenne : Un groupe froid à vis a une espérance de vie de heures, soit environ 11 ans. Un groupe froid en scroll a une espérance de vie de heures, soir environ 4 ans. Lors du changement du groupe froid, je considère une augmentation du prix de 2% par an. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

33 Années Années 1 er scénario : GF à vis GF en scroll Tranche Installé Utilisés en tranche ferme Utilisés en tranche A2 A remplacer Utilisés en tranche ferme Utilisés en tranche A2 A remplacer 1 ferme 2 GF + 2 Aéro ferme ferme A2 1 GF + 1 Aéro A A A A A A A A A A A A A A A A A A A ème scénario : GF à vis GF en scroll Tranche Installé A remplacer A remplacer 1 ferme 2 GF + 2 Aéro 2 ferme 3 ferme 4 A2 1 GF + 1 Aéro 1 5 A2 6 A2 1 7 future 1 GF + 1 Aéro 8 future 1 9 future 10 future 2 11 future 1 12 future 1 13 future 1 14 future 2 15 future 16 future 1 17 future 1 18 future 2 19 future 20 future 1 21 future 22 future future Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

34 MTA nous a proposé une variante sur les groupes froids à vis. Deux modèles de groupes froids permettent de répondre aux caractéristiques techniques demandées. Le premier modèle est considéré comme référence ; il est plus cher que le second mais consomme moins. Le premier modèle délivre une puissance frigorifique de 433 kw et présente un EER de 2,98. Le second modèle délivre une puissance frigorifique de 400 kw et présente un EER de 2,89. L étude comparative est réalisée avec un régime d eau de GF MTA à vis MTA à vis modèle 1 modèle 2 par an : conso facture plus-value conso facture (kwh) élec ( ) achat ( ) (kwh) élec ( ) tranche ferme tranche A tranche future Le premier modèle est un groupe froid de puissance plus élevée que le second : ceci explique le prix d achat plus élevé. Ce groupe froid fonctionne donc à une charge plus faible que le second. La puissance absorbée en fonction de l utilisation étant relativement linéaire, le premier modèle devrait consommer plus. Or ce n est pas le cas. Le premier modèle consomme moins que le second car il possède un EER plus faible : pour fournir 400 kw comme le second modèle, le premier modèle consomme moins d énergie. Nous étudions maintenant le retour sur investissement selon les scénarii présentés dans le paragraphe précédent. Les économies et les pertes sont comparées sur le coût énergétique (facture kwh), et sur les coûts d achat et de remplacement des groupes froids et aéroréfrigérants. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

35 Nombre d années de fonctionnement MTA à vis modèle 2 référence : MTA à vis modèle 1 1 er scénario 2 ème scénario tranche éco éco tranche perte + perte + 1 ferme - 3,5 % ferme - 3,5 % 2 ferme - 3,0 % ferme - 3,0 % 3 A2-2,8 % A2-2,8 % 4 A2-2,5 % A2-2,5 % 5 A2-2,1 % A2-2,1 % 6 A2-1,9 % future - 1,9 % 7 A2-1,6 % future - 1,7 % 8 A2-1,4 % future - 1,4 % 9 A2-1,2 % future - 1,1 % 10 A2-1,1 % future - 0,9 % 11 A2-1,2 % future - 0,7 % 12 A2-1,1 % future - 0,6 % 13 A2-1,2 % future - 0,5 % 14 A2-1,1 % future - 0,4 % 15 A2-1,0 % future - 0,4 % 16 A2-0,9 % future - 0,3 % 17 A2-0,8 % future - 0,3 % 18 A2-0,7 % future - 0,2 % 19 A2-0,6 % future - 0,2 % 20 A2-0,6 % future - 0,2 % 21 A2-0,5 % future - 0,2 % 22 A2-0,7 % future - 0,1 % 23 A2-0,6 % future - 0,1 % - Pendant les deux scénarii, la première solution permet de réaliser des économies d énergie mais n est jamais plus rentable que la deuxième solution. 7. Changement de fournisseur et de technologie de groupe froid Après consultation des groupes froids, plusieurs fournisseurs ont répondu aux caractéristiques techniques demandées : Trane, Ciat, Swegon et MTA. Trane, Swegon et MTA proposent un groupe froid à vis. Ciat et MTA proposent un groupe froid en scroll. Seuls Ciat et Trane m ont fourni les performances détaillées de leur groupe froid afin de réaliser des calculs précis. Pour Swegon et MTA, je me suis basé sur les performances théoriques d un groupe froid Carrier fournies par le bureau d études Ingerop. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

36 Nombre d années de fonctionnement GF : 8-13 consommation annuelle (kwh) fournisseur Trane Swegon MTA MTA MTA Ciat technologie vis vis vis vis scroll scroll nom modèle 1 modèle 2 modèle 3 tranche ferme tranche A tranche future Le groupe Trane est le plus économe. Cependant le groupe Ciat est le moins cher. Pour l étude des 2 scénarii, je prends comme référence le groupe le moins cher : le groupe Ciat. GF : 8-13 plus-value achat ( ) fournisseur Trane Swegon MTA MTA MTA Ciat technologie vis vis vis vis scroll scroll nom modèle 1 modèle 2 modèle 3 référence tranche ferme tranche A tranche future Dans le but de conserver l information sur le prix des offres des différents fournisseurs, je présente dans les scénarii uniquement l écart relatif par rapport à la solution de référence. 1 er scénario : référence : Ciat économie / perte + Trane Swegon MTA MTA MTA tranche vis vis vis vis scroll modèle 1 modèle 2 modèle 3 1 ferme 6,9 % 13,2 % 17,6 % 13,5 % 7,6 % 2 ferme 5,8 % 13,7 % 15,8 % 12,3 % 8,1 % 3 A2 5,3 % 14,2 % 15,2 % 12,0 % 8,7 % 4 A2-4,5 % 5,1 % 4,2 % 1,7 % 9,5 % 5 A2-4,6 % 6,4 % 4,0 % 1,8 % 10,0 % 6 A2-11,2 % 0,0 % - 3,5 % - 5,3 % 10,4 % 7 A2-10,8 % 1,4 % - 3,2 % - 4,7 % 10,8 % 8 A2-15,8 % - 3,5 % - 8,7 % - 10,0 % 11,1 % 9 A2-15,2 % - 2,2 % - 8,2 % - 9,3 % 11,4 % 10 A2-19,2 % - 6,2 % - 12,6 % - 13,5 % 11,5 % 11 A2-12,6 % 1,0 % - 5,4 % - 6,6 % 11,7 % 12 A2-16,4 % - 2,9 % - 9,7 % - 10,6 % 11,8 % 13 A2-10,6 % 3,5 % - 3,3 % - 4,5 % 12,0 % 14 A2-14,2 % - 0,4 % - 7,4 % - 8,4 % 12,1 % 15 A2-13,9 % 0,4 % - 7,1 % - 8,0 % 12,2 % 16 A2-17,1 % - 3,0 % - 10,6 % - 11,4 % 12,3 % 17 A2-16,7 % - 2,2 % - 10,2 % - 10,9 % 12,4 % 18 A2-19,5 % - 5,2 % - 13,3 % - 13,9 % 12,4 % 19 A2-19,1 % - 4,5 % - 12,9 % - 13,4 % 12,5 % 20 A2-21,6 % - 7,2 % - 15,6 % - 16,1 % 12,5 % 21 A2-21,2 % - 6,5 % - 15,2 % - 15,6 % 12,6 % 22 A2-19,5 % - 5,0 % - 13,3 % - 13,9 % 12,6 % 23 A2-19,2 % - 4,3 % - 13,0 % - 13,5 % 12,7 % Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

37 Nombre d années de fonctionnement - Le groupe le plus économe devient le plus rentable dès la 4 ème année de fonctionnement, il s agit du groupe Trane. - Le groupe Swegon est le plus cher et consomme 18,5% fois plus que le groupe Ciat. Cependant, la longue durée de vie de la technologie à vis permet à Swegon d être plus rentable que la solution Ciat dès la 8 ème année. - Les groupes MTA modèle 1 et 2 deviennent plus retable que le groupe référence Ciat dès la 6 ème année de fonctionnement. 2 ème scénario : référence : Ciat économie / perte + Trane Swegon MTA MTA MTA tranche vis vis vis vis scroll modèle 1 modèle 2 modèle 3 1 ferme 6,9 % 13,2 % 17,6 % 13,5 % 7,6 % 2 ferme 5,8 % 13,7 % 15,8 % 12,3 % 8,1 % 3 A2 5,3 % 14,2 % 15,2 % 12,0 % 8,7 % 4 A2-4,5 % 5,1 % 4,2 % 1,7 % 9,5 % 5 A2-4,6 % 6,4 % 4,0 % 1,8 % 10,0 % 6 A2-11,2 % 0,0 % - 3,5 % - 5,3 % 10,4 % 7 A2-8,5 % 3,1 % - 1,0 % - 2,4 % 9,3 % 8 A2-13,0 % - 0,8 % - 6,3 % - 7,1 % 8,8 % 9 A2-12,7 % 0,4 % - 6,4 % - 6,8 % 8,3 % 10 A2-19,1 % - 6,3 % - 13,7 % - 13,7 % 8,1 % 11 A2-14,3 % - 0,7 % - 8,7 % - 8,6 % 7,8 % 12 A2-16,9 % - 3,2 % - 11,7 % - 11,3 % 7,6 % 13 A2-12,7 % 1,5 % - 7,4 % - 7,0 % 7,4 % 14 A2-17,7 % - 3,8 % - 12,8 % - 12,2 % 7,3 % 15 A2-17,3 % - 3,0 % - 12,6 % - 11,8 % 7,1 % 16 A2-19,2 % - 4,8 % - 14,7 % - 13,8 % 7,0 % 17 A2-15,7 % - 1,0 % - 11,1 % - 10,2 % 6,9 % 18 A2-19,6 % - 5,2 % - 15,3 % - 14,3 % 6,9 % 19 A2-19,2 % - 4,5 % - 15,0 % - 13,8 % 6,8 % 20 A2-20,7 % - 6,1 % - 16,7 % - 15,4 % 6,7 % 21 A2-20,3 % - 5,4 % - 16,4 % - 15,0 % 6,6 % 22 A2-20,9 % - 6,3 % - 17,0 % - 15,7 % 6,7 % 23 A2-20,6 % - 5,7 % - 16,7 % - 15,3 % 6,6 % - Avec la prise en compte de la tranche future, les écarts de consommation et financier se creusent entre le groupe Trane et le groupe référence Ciat. Remarque importante Les consommations des groupes MTA et Swegon ont été calculées à partir de valeurs extrapolées à partir d un groupe Carrier de même technologie scroll. La variation de l EER selon la charge et la température extérieure n étant pas connue avec certitude, les calculs de consommation sont à comparer avec un regard critique. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

38 8. Changement de température extérieure de travail Les groupes froids doivent fournir 400 kw pour une température extérieure de 41 C. Il fait très rarement 41 C à Gradignan. Une telle température a lieu quelques heures seulement et uniquement lors des années de fortes chaleurs ou de canicules. Dans la première partie de ce rapport, un paragraphe fait référence aux températures ambiantes admissibles dans une salle informatique : l ASHRAE accepte des températures ambiantes jusqu à 32 C. Dans notre data center, la température ambiante est fixée à 23 C. J émets une approximation rapide : j admets que pour une même puissance frigorifique produite (400 kw), chaque degré d élévation dans la salle informatique correspond à 1 degré d élévation de la température extérieure. Par exemple, il fera 23 C ambiant pour 41 C extérieur et 24 C ambiant pour 42 C extérieur. 32 C degré ambiant étant admissibles, il est possible de diminuer la température extérieure dimensionnante : 35 C au lieu de 41 C Température extérieure Température dans salle informatique Il est donc possible de dimensionner les groupes froids avec une température extérieure de 35 C. Jusqu à une température extérieure exceptionnelle de 44 C, les baies informatiques ne seront pas en danger. A noter qu à 35 C, le data center ne nécessite pas 400 kw d apport frigorifique, mais 393 kw. Afin de rester conforme au CCTP, je ne modifie que la température extérieure de travail, et non la puissance frigorifique maximale délivrée par le groupe froid. J ai demandé à Trane de dimensionner son groupe froid pour une température extérieure de 35 C. Trane a pu sélectionner un groupe froid et un aéroréfrigérant d une taille inférieure, moins onéreux que ceux de la consultation de base. L économie à l achat est de 31%. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

39 conso (kwh) Aéro Groupe froid Trane à vis temp extérieure maxi 41 C 35 C technologie vis vis régime d évaporateur régime condenseur puiss frigo fournie (kw) 394,14 402,93 puiss élec absorbée (kw) 129,7 108,8 nombre de ventilateurs puiss élec absorbée par 1 ventilateur (kw) 1,02 1,02 tranche ferme ,6 % tranche A ,6 % tranche future ,8 % Pour délivrer 400 kw, à pleine charge, les groupes froids n absorbent pas autant d énergie : respectivement 129,7 et 108,8 kw. Pour délivrer moins de 400 kw, les groupes froids fonctionnent à charge partiels. La puissance absorbée n est pas linéaire, elle décroît plus vite que la puissance frigorifique fournie. L écart entre la puissance absorbée du groupe dimensionné à 40 C et celle du groupe à 35 C se creuse lorsque la charge est partielle. C est pourquoi l abaissement de la température extérieure dans le choix du groupe froid permet de réaliser des économies dans les bas régimes de fonctionnement. Les groupes froids fonctionnent entre 60% et 90% de leur charge nominale, c est-à-dire à des régimes relativement élevés. Ceci explique la faible économie réalisée. 9. Changement de fournisseur de pompe Pour le choix des pompes, j ai consulté Salmson et Grundfos. POMPES Salmson Grundfos par an : conso plus-value conso (kwh) achat ( ) (kwh) tranche ferme tranche A tranche future Grundfos étant moins onéreux, ses pompes sont prises comme référence. POMPES Salmson Grundfos par an : écart conso économie // référence perte + référence tranche ferme 10,9 % 27,3 % 0,0 % tranche A2 13,4 % 13,0 % 0,0 % tranche future 12,9 % 16,2 % 0,0 % Les pompes consomment 2,5 fois plus que les armoires de climatisation. Elles sont le 2 ème poste énergivore après les groupes froids. Il est donc très important de choisir des pompes économes. Grundfos est à la fois le plus économe et le moins onéreux. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

40 10. Consommation des centrales de traitement d air Les centrales de traitement d air prescrites dans notre data center ne sont pas complexes. Contrairement aux groupes froids, elles ne demandent pas un long temps d assemblage et peuvent être réceptionnées en quelques semaines seulement. La période de mon projet de fin d études ne coïncide pas avec la période de consultation des CTA. Lors des consultations avec Ciat pour les groupes froids, aéroréfrigérants et armoires de climatisation, j en ai profité pour demander une offre technique des CTA. Ciat m a fourni un devis complet pour la CTA du pôle A et celle du pôle B. N ayant pas d offres d autres fournisseurs, je ne peux pas comparer le matériel Ciat. J ai uniquement calculé la consommation des deux CTA. CTA Ciat consommation annuelle (kwh) Pôle A B tranche ferme tranche A tranche future Pendant la tranche ferme, la consommation des centrales de traitement d air représente un poste très énergivore. La part de la consommation des CTA diminue avec l avancement des tranches. 11. Consommation théorique de la ventilation d extraction De manière semblable aux CTA, la période de mon projet de fin d études ne coïncide pas avec la consultation des ventilateurs d extraction. Je n ai pas profité de consultations annexes pour obtenir une offre de ce poste. La consommation théorique de la ventilation est la suivante : VENTILATION EXTRACTION fournisseurs à consulter consommation annuelle (kwh) tranche ferme tranche A tranche future Calcul de PUE, pôle A 1. PUE : changement de régime d eau : Groupes froids : MTA modèle 1 Aéroréfrigérants : Thermokey Armoires de climatisation : Stulz, modèle 1 en salle informatique Pompes : Grundfos CTA : Ciat Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

41 Ventilation : théorique (kwh) Consommation Consommation Consommation non informatique du site informatique tranche ferme tranche A tranche future PUE tranche ferme 1,58 1,59 1,61 tranche A2 1,52 1,53 1,55 tranche future 1,47 1,47 1,50 Un régime d eau glacée bas induit une plus forte consommation des groupes froids et une plus faible consommation des armoires de climatisation. Au final, c est l économie réalisée sur la consommation des armoires de climatisation qui l emporte : le PUE décroit avec la diminution du régime d eau. Plus le régime d eau est bas, plus le PUE est faible et meilleur est notre data center. On note que dans notre cas d étude, le changement de régime d eau influe peu sur le PUE. Mais cette variation de quelques centièmes seulement est notable et non négligeable : elle est à considérer sur une consommation totale du site supérieure à kwh par an en tranche future 2. PUE : changement de filtration : Groupes froids & Aéroréfrigérants : Ciat Armoires de climatisation : Emerson, F7 ou G4 Pompes : Grundfos CTA : Ciat Ventilation : théorique Consommation Consommation PUE Consommation non informatique du site (kwh) informatique Emerson Emerson Emerson F7 G4 F7 G4 F7 G4 tranche ferme ,61 1,60 tranche A ,55 1,54 tranche future ,52 1,51 Le changement de filtration sur les armoires de climatisation de la salle informatique permet de réaliser des économies d énergie et une économie directe à l achat. Du point du vue du PUE, le gain est faible avec une filtration moindre. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

42 3. PUE : changement de taille d armoire : Groupes froids & Aéroréfrigérants : Ciat Armoires de climatisation : Stulz, modèle 1 ou 2 en salle informatique Pompes : Grundfos CTA : Ciat Ventilation : théorique PUE Stulz modèle 1 modèle 2 tranche ferme 1,59 1,60 tranche A2 1,52 1,54 tranche future 1,49 1,51 Le changement de taille d armoire permet de réaliser une économie d énergie, d où l obtention d un PUE plus faible pour le cas des armoires de climatisation modèle 1 en salle informatique. Cependant, le calcul des scénarii a montré que les armoires de climatisation modèle 1 étaient plus rentables qu à partir de la 15 ème ou 18 ème année de fonctionnement. 4. PUE avec un changement de fournisseur d armoires de climatisation Groupes froids & Aéroréfrigérants : Ciat Armoires de climatisation : Stulz 1ou 2, Emerson, Ciat, Swegon, Emicon Pompes : Grundfos CTA : Ciat Ventilation : théorique Stulz modèle 1 Stulz modèle 2 PUE Emerson Ciat Swegon Emicon tranche ferme 1,59 1,60 1,61 1,60 1,61 1,60 tranche A2 1,52 1,54 1,55 1,53 1,54 1,54 tranche future 1,49 1,51 1,52 1,50 1,51 1,51 La configuration avec les armoires Stulz modèle 1 permettent d obtenir le meilleur PUE. Cependant, elles ne deviennent plus rentables que les armoires Swegon qu à partir de la 13 ème ou 14 ème année de fonctionnement selon le scénario. En 2 nde place arrive les armoires de climatisation Ciat, mais celles-ci ne sont pas rentables selon les 2 scenarii étudiés. Les armoires Stulz modèle 2 présentent un PUE moyen et sont les plus rentables dès la 3 ème année de fonctionnement 5. PUE : changement de taille de groupe froid Groupes froids : MTA modèle 1 ou 2 Aéroréfrigérants : Thermokey Armoires de climatisation : Stulz, modèle 1 en salle informatique Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

43 Pompes : CTA : Ventilation : Grundfos Ciat théorique PUE MTA modèle 1 modèle 2 tranche ferme 1,59 1,59 tranche A2 1,53 1,53 tranche future 1,47 1,48 Par rapport au groupe MTA modèle 1, le modèle 2 est plus petit, moins onéreux, plus énergivore, et plus rentable par les scénarii de fonctionnement. Les PUE calculés avec les modèle 1 et 2 sont très proches. Celui du modèle 1 est légèrement meilleur. Un choix est à faire entre faible différence de PUE et différence de rentabilité. Le léger surdimensionnement des groupes froids permet d obtenir un meilleur PUE, mais la rentabilité est longue (supérieure à 20 ans pour notre cas d étude) et la production frigorifique dans les faibles taux de charge est plus difficile. Groupes froids : Aéroréfrigérants : Armoires de climatisation : Pompes : CTA : Ventilation : 6. PUE : changement de fournisseur de groupe froid Trane, Swegon, MTA 1 ou 2 ou 3, Ciat variable Stulz, modèle 1 en salle informatique Grundfos Ciat théorique PUE Trane Swegon MTA MTA MTA modèle 1 modèle 2 modèle 3 Ciat vis vis vis vis scroll scroll tranche ferme 1,58 1,63 1,59 1,59 1,62 1,59 tranche A2 1,51 1,57 1,53 1,53 1,56 1,52 tranche future 1,47 1,53 1,47 1,48 1,50 1,49 D un fournisseur à l autre, la variation du PUE est notable : 6 centièmes d écart entre le meilleur et le moins bon. Le choix des groupes Trane permet d obtenir le meilleur PUE. Les groupes Swegon permettent d obtenir le pire PUE parmi les 6 modèles comparés. Cependant, ils deviennent plus rentables que les groupes en scroll (Ciat et MTA modèle 3) à partir de la 8 ème et 10 ème année de fonctionnement selon le scénario. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

44 7. PUE : changement de température extérieure de travail Groupes froids : Trane 41C ou 35 C Aéroréfrigérants : Trane Armoires de climatisation : Stulz, modèle 1 en salle informatique Pompes : Grundfos CTA : Ciat Ventilation : théorique PUE Trane 41 C 35 C tranche ferme 1,58 1,57 tranche A2 1,51 1,51 tranche future 1,47 1,46 Le dimensionnement des groupes froids selon une température extérieure plus faible que la température maximale prescrite par le CCTP et plus élevée que celle prescrite par la RT2005 permet de réaliser de faibles économies d énergies sur les groupes froids : le PUE est légèrement plus faible lorsque la température extérieure de travail diminue. De plus, l économie directe à l achat pour un groupe dimensionné à une température extérieure plus faible est notable (31%). 8. PUE : changement de fournisseur de pompe Groupes froids & Aéroréfrigérants : Ciat Armoires de climatisation : Stulz, modèle 1 en salle informatique Pompes : Grundfos, Salmson CTA : Ciat Ventilation : théorique PUE Grundfos Salmson tranche ferme 1,59 1,60 tranche A2 1,52 1,53 tranche future 1,49 1,50 Le changement de fournisseur de pompe influe peu sur le PUE. Le PUE calculé avec les pompes Grundfos est légèrement plus faible que celui calculé avec les pompes Salmson. De plus, le pompes Grundfos sont, dans notre cas d étude, moins onéreuses et plus économes. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

45 9. PUE : cas le plus favorable, cas le plus défavorable, cas le moins onéreux Pris séparément, le changement de fournisseur pour un seul matériel influe peu sur le PUE. Nous étudions ici les PUE extrêmes calculés à partir de toutes les consultations. CAS LE PLUS FAVORABLE : Groupes froids & Aéroréfrigérants : Trane Armoires de climatisation : Stulz modèle 1 Pompes : Grundfos CTA : Ciat Ventilation : théorique CAS LE PLUS DEFAVORABLE : Groupes froids & Aéroréfrigérants : Swegon Armoires de climatisation : Emerson Pompes : Salmson CTA : Ciat Ventilation : théorique CAS LE MOINS ONEREUX : Groupes froids & Aéroréfrigérants : Ciat Armoires de climatisation : Emicon (refusé par Ingerop), Swegon Pompes : Grundfos CTA : Ciat Ventilation : théorique PUE Le plus Le plus Le moins onéreux favorable défavorable Emicon Swegon tranche ferme 1,58 1,66 1,60 1,61 tranche A2 1,51 1,61 1,54 1,54 tranche future 1,47 1,56 1,51 1,51 La variation du PUE est significative d une configuration à l autre. Sur la tranche future, la consommation totale du site s élève à kwh pour le cas le plus favorable et kwh pour le cas le moins onéreux avec les armoires de climatisation Swegon ; soit une différence par an de kwh ou euros. Si l entreprise en charge des travaux se dirige vers la configuration la moins onéreuse, alors elle manque une économie d énergie possible. Trouver le cas le plus favorable nécessite des calculs de consommation pour chaque matériel du système de refroidissement. Bien évidemment, ces calculs préalables doivent être effectués avant le choix des matériels. Mais il n existe actuellement ni méthode réglementaire, ni logiciel pour effectuer ces calculs. Pourtant les enjeux énergétiques sont énormes. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

46 Partie 4 : Free cooling sur l eau Le free cooling sur l eau permet de réaliser des économies d énergie en mettant à l arrêt les groupes froids et les pompes, mais ce mode opératoire nécessite l installation d un réseau hydraulique et d un échangeur de 400 kw pour chaque groupe froid non utilisé. Afin de connaître la pertinence du free cooling sur l eau, j ai consulté Ciat pour l échangeur de chaleur qui sert à by-passer les groupes froids et qui permet l échange direct entre les aéroréfrigérants et les armoires de climatisation. Ciat a dimensionné un échangeur à plaques d une puissance de 400 kw. Cet échangeur est relié aux armoires de climatisation en eau glacée de régime 8-13 et à un aéroréfrigérant en eau glycolée de régime 6-12 : fig 11 : extrait de consultation Ciat : échangeur pour free cooling source : Ciat Ciat me fournit une simulation thermique avec l échangeur précédemment dimensionné et les aéroréfrigérants issus de son offre remise avec les groupes froids : fig 12 : extrait de consultation Ciat : simulation pour un aéroréfrigérant prescrit en offre avec groupes froids source : Ciat Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

47 Avec l aéroréfrigérant sélectionné avec les groupes froids, le free cooling sur l eau n est possible que si la température extérieure est nulle ou négative. fig 13 : pertinence du free cooling jusqu à 0 C source : production personnelle A Bordeaux, la température extérieure est inférieure à 1 C 3,6% du temps, c est-à-dire 13 jours par an. L investissement financier des échangeurs et du réseau hydraulique dans le but de réaliser une économie annuelle si brève n est pas justifiée. J ai donc choisi de ne pas étudier ce mode d économie d énergie qui, pour notre cas d étude, n est pas une solution économiquement viable. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

48 Partie 5 : Free cooling sur l air 1. Quantifier les ressources Les armoires de climatisation recyclent l air ambiant. Les armoires de la salle informatique recyclent et refroidissent l air jusqu à une température de soufflage de 15 C. Ces mêmes armoires fonctionnent en continu, été comme hiver. Il en va de soit que le système de refroidissement qui aliment ces armoires fonctionnent aussi en continu. fig 14 : pertinence du free cooling jusqu à 14 C source : production personnelle A Bordeaux, la température extérieure est inférieure à 15 C 57,2% du temps, c est-à-dire 209 jours par an. C est alors que l on se pose la question de l utilisation du free cooling sur l air? Le data center d AGIRC-ARRCO comporte déjà une centrale de traitement d air, mais celleci ne sert qu à injecter dans la salle un faible débit d air neuf. Elle ne peut pas être utilisée pour le free cooling sur l air : il faut donc installer une centrale de traitement d air dédiée au free cooling, notée plus simplement CTA-FC dans la suite du rapport. J ai choisi d étudier le free cooling sur l air uniquement dans la salle informatique car cette salle représente la majeure partie de la consommation totale du data center. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

49 à fournir fourni 2. Scénario de fonctionnement Le free cooling permet de réaliser des économies d énergie en mettant à l arrêt certains matériels énergivores. Ci après les scénarii de fonctionnement des équipements CVC pendant la période de free cooling, de 10 C à 14 C extérieur : armoires de climatisation de la salle info toutes les autres armoires de climatisation groupes froids alimentant toutes les armoires sauf celles de la salle info aéroréfrigérants alimentant toutes les armoires sauf celles de la salle info pompes Réseau 1 & 2 alimentant toutes les armoires sauf celles de la salle info pompes des groupes froids et des aéroréfrigérants Ventilation d extraction CTA d amenée d air neuf (existante) CTA-FC (à installer) marche X X X X X X X arrêt X X 3. CTA-FC 1. Caractéristiques Pendant la période de free cooling, la CTA-FC remplace le rôle assuré par les armoires de climatisation de la salle informatique : - l air soufflé par la CTA-FC est aux mêmes conditions : 15 C, 50%, - le débit soufflé en faux plancher est le même : Débit soufflé par la CTA-FC = Σ (Débits des armoires) - la pression disponible de l air soufflé est la même : Pression disponible par la CTA-FC = Σ (Pression disponible des armoires) - la répartition du soufflage doit être autant uniforme qu est la disposition des armoires dans la salle informatique. 2. Dimensionnement Pour le calcul du débit soufflé par la CTA-FC, je me base sur les données des armoires de climatisation de Stulz en régime 8-13 : Stulz régime 8-13 : salle informatique 1 armoire tranche ferme : tranche A2 : tranche future : 6 armoires 12 armoires 24 armoires Puiss frigo fournie (kw) 79,8 478,8 957, ,2 Débit soufflé (m 3 /h) Pression dispo (Pa) Puiss frigo à fournir (kw) 229, , ,100 Taux de charge 478,8 / 229,948 = 0,48 0,48 x ,48 0,47 Débit à souffler (m 3 /h) = Pression dispo Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

50 Ci-après le débit soufflé par la CTA-FC par tranche : tranche ferme tranche A2 tranche future Débit à souffler (m 3 /h) Débit soufflé en free cooling (m 3 /h) Nb de CTA-FC cumulé Débit soufflé par 1 CTA-FC Débit total soufflé par les CTA-FC Sur-débit = Il y a un léger sur-débit pour les tranches A2 et future. Il est volontairement choisi des CTA-FC identiques sur toutes les tranches, quitte à avoir un sur-débit. En envisageant d acheter un lot de CTA identiques, cela permet une négociation plus simple avec le fournisseur. De plus, le réseau aéraulique est à dimensionner pour la tranche ferme et est duplicable sur les autres tranches ; cela permet une simplicité dans l achat et l installation des réseaux. 3. Réseau aéraulique Pour assurer l uniformité du soufflage en faux plancher, je choisi de placer autant de diffuseur que d armoires. Chaque diffuseur est placé à proximité d une armoire et constitue une antenne de soufflage. A chaque antenne de soufflage correspond une antenne de reprise placée de l autre côté de la salle informatique, en partie haute. Pour 1 CTA-FC il y a donc : 6 (armoires) / 2 (CTA-FC) = 3 antennes de soufflage et de reprise. Le débit d 1 antenne est de : (m 3 /h) / 3 (antennes) = m 3 /h La vitesse de soufflage et de reprise est choisie volontairement élevée car la place dans la salle informatique est restreinte. Installer de grandes antennes encombrerait la salle informatique et le faux plancher et diminuerait le volume de la salle, et ainsi engendrerait des points chauds et des pannes informatiques. La vitesse de soufflage et de reprise dans les antennes est fixée à 8,2 m/s. La dimension d une antenne est de 600 mm x 600 mm. La vitesse de soufflage et de reprise d une gaine commune à 3 antennes est fixée à 8,8 m/s. La dimension d une gaine commune à 3 antennes est de 1250 mm x 800 mm. Maintenant que les réseaux d antennes de soufflage et de reprise sont dimensionnés, je me base sur les plans d exécution, fournis par le bureau d études Clima Project, pour placer et tracer le réseau aéraulique. Je choisis de placer les CTA-FC en toiture. Je mesure ensuite les tracés pour calculer le poids de gaine et la surface de calorifuge nécessaire. Je compte le nombre de volets coupe-feu, de registres de réglage, de diffuseurs et de grilles. J associe à tous ces matériels des temps de pose. Cegelec possède une base de données des coûts des matériels CVC. Avec cette base de données, j établis un devis pour l ensemble du réseau aéraulique. Le prix de vente fourni-posé est de Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

51 4. Consultation Le réseau aéraulique est chiffré. Par le tracé du réseau aéraulique sur les plans, je repère les pertes de charges singulières (coudes, tés, changement de taille, diffuseurs) et les pertes de charge linéaires (métré). A cette perte de charge, j ajoute les 3 x 20 Pa de pression disponible des 3 armoires de climatisation. J obtiens une pression fournie par le ventilateur de la CTA de 250 Pa. La CTA-FC doit répondre aux caractéristiques suivantes : conditions extérieure : -15 C, 90% conditions de reprise : 29 C, 40 % conditions de soufflage : 15 C, 60% séparateur de gouttelettes caisson de mélange 2 voies ventilateur : aubes à réaction débit constant : m 3 /h vitesse : 8,8 m/s pression disponible : 250 Pa batterie chaude électrique : il n y a pas de production d eau chaude dans le data center humidificateur à pulvérisation filtration G4, F7 : identique à la filtration des armoires de climatisation Je choisis de consulter Ciat pour la CTA-FC. Ciat m indique le prix public d une CTA-FC : Consommation 1. Principe de calcul : CTA-FC Ciat me fournit les données suivantes : - la puissance du ventilateur - les puissances des deux batteries électriques, et les caractéristiques de l air en entrée et en sortie - le débit de pulvérisation de l humidificateur, et les caractéristiques de l air en entrée et en sortie. Avec ces données, j effectue un calcul de consommation de la CTA-FC selon la méthode de calcul de consommation de la CTA d amenée d air neuf du data center (la méthode est décrite dans le chapitre précédent La principale différence avec le calcul de consommation standard est que la CTA-FC fonctionne uniquement lorsque la température extérieure est inférieure à 15 C. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

52 2. Résultats Le réseau de free cooling sur l air représente un investissement global de : Réseau + CTA-FC x 2 = x 2 = Ci après le résultat des calculs de consommation : consommation (kwh) investissement ( ) investissement cumulé ( ) tranche ferme tranche A tranche future La CTA-FC consomme énormément. Cette forte consommation est due aux deux batteries électriques dimensionnées pour réchauffer de l air de 7 C (après mélange) à 15 C. L optimisation de la consommation n est pas possible : - le mélange ne peut pas excéder 7 C à cause de problème de condensation dans la CTA-FC - aucune production d eau chaude n est présente dans le data center, les batteries électriques ne peuvent pas être remplacées par des batteries à eau chaude 3. Principe et résultats du calcul des autres postes Lors d un fonctionnement «normal» sans free cooling, les calculs de consommation des groupes froids, des aéroréfrigérants, des armoires de climatisation et des pompes ont été réalisés mensuellement selon la température extérieure et le coefficient d utilisation (cf. chapitre précédent). Pour calculer la consommation de ces différents postes pendant la période de free cooling, de 10 C à 14 C, il suffit de modifier le temps de fonctionnement mensuel de 15 C à 40 C et d ôter à la charge de fonctionnement normale la part dédiée aux armoires de la salle informatique. Les armoires de la salle informatique étant à l arrêt pendant la période de free cooling, les groupes froids et les pompes Réseau 1 & 2 fonctionnent à charge fortement réduite. Or ces 2 matériels ne fonctionnent qu à partir d une charge minimale proche de 20% de leur puissance nominale. Afin d atteindre ces 20%, une vanne de décharge est installée par groupe froid et par pompe afin d augmenter la charge et d atteindre la cible de fonctionnement minimum. Ainsi, selon la température extérieure et donc selon la charge à fournir, les groupes froids et les pompes fonctionnent à 20% de leur puissance alors que théoriquement ils devraient fonctionner à moins de 20% : il y a donc une surconsommation inévitable pour alimenter les armoires de climatisation hors salle informatique. Une optimisation est réalisée sur cette surconsommation : lors des tranches A2 et future, plusieurs groupes froids et pompes fonctionnent simultanément. Pendant le free cooling, il choisi de n utiliser qu un seul groupe froid et qu une seule pompe de chaque réseau pour alimenter le data center. La charge de fonctionnement n est plus répartie sur 2, 3 ou 4 matériels, mais sur 1 seul : l unique matériel utilisé fonctionne pendant le free cooling à une charge inférieure mais proche de 20%. L augmentation de la charge par la vanne de décharge ne concerne plus qu un seul matériel : la surconsommation persiste mais est réduite. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

53 fig 15 : optimisation du nombre de groupes froids utilisés en période de free cooling source : production personnelle Si toutes les armoires de climatisation sont à l arrêt, alors le système de refroidissement et d alimentation hydraulique est aussi à l arrêt. Le free cooling aurait dû concerner toutes les armoires de climatisation, et non uniquement celles de la salle informatique afin d éviter les problèmes de surconsommation par la vanne de décharge. Alimenter en free cooling toutes les salles ayant des besoins frigorifiques, revient à réaliser un réseau aéraulique complexe et plus encombrant, et d installer d autres CTA-FC. Je n ai pas dimensionné l utilisation du free cooling sur l ensemble des armoires de climatisation. Cependant, pour estimer la consommation énergétique du data center en free cooling total, je considère que les besoins frigorifiques des armoires de climatisation (hors salle info) nécessitent l installation d 1 CTA-FC pour les tranches fermes et A2 et 1 CTA-FC pour la tranche future. PUE Fonctionnement normal Free cooling sur salle info Free cooling total tranche ferme A2 future ferme A2 future ferme A2 future PUE 1,58 1,51 1,47 1,86 1,81 1,78 2,00 1,89 1,87 Contrairement à ce qui peut être pensé, le free cooling par l air dans ce data center n est pas un apport de froid «gratuit» : cette solution est très énergivore. Dans un data center les conditions d ambiance doivent être stables et maintenues proche de la valeur de consigne. L air froid extérieur ne peut pas être injecté sans traitement dans la salle informatique, il doit répondre à des conditions de température et d hygrométrie très strictes. Le free cooling sur l air dans un data center nécessite un traitement de l air extérieur : mélange avec la reprise, pré-chauffage, humidification, chauffage. C est ce traitement entièrement électrique qui consomme énormément et qui rejette le choix de l utilisation du free cooling sur l air dans notre data center. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

54 Tranche : GF & Aéro Armoires Pompes Ventilation CTA-AN CTA-FC TOTAL Différence PUE Trane Stulz Grundfos - Ciat Ciat ferme Référence 1,58 Fonctionnement normal A Référence 1,51 future Référence 1,47 ferme ,86 Consommation (kwh) Free Cooling sur salle info A ,81 future ,78 ferme ,00 Free cooling total A ,89 future ,87 Ci-dessous un comparatif de consommation sur l ensemble du data center : Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

55 Conclusion Le 21 ème siècle est l ère de l informatique et des nouvelles technologies. Les data centers sont nés d un réel besoin de traitement de l information virtuelle, les amenant ainsi à se développer de manière considérable en moins de dix ans. Désormais, ils représentent une part significative de la consommation énergétique mondiale (1%). Il est surprenant de constater que, malgré la politique actuelle de limitation des consommations, aucune réglementation ni aucun logiciel de calcul de PUE n existent. Il est aussi surprenant de constater que la récupération de chaleur sur ces ouvrages frigorifiques que sont les data centers, ne soit pas obligatoire. La méthode de calcul établie par ce projet de fin d études constitue une première approche dans le calcul des consommations des équipements climatiques d un data center. La méthode de calcul à permis d établir un choix cohérent entre technicité et prix d achat. De plus, elle a permis d effectuer des comparaisons entre équipements en modifiant certains paramètres de conception. Ces comparaisons, corrélées à l aspect financier de l exploitation du data center, montre au Maître d ouvrage l importance d un investissement initial lors d une démarche durable : le choix du scénario détermine le temps de retour sur investissement. Cependant, dans la méthode de calcul présentée un certain nombre d hypothèses ont été posées. Il conviendrait pour fiabiliser la méthode de lever les approximations. L évolution des technologies est rapide et les besoins en traitement informatique est exponentielle. La réalisation des data centers est en pleine expansion ; ils constituent un nouveau pôle de compétence au sein du secteur climatique. Les enjeux en termes d économie d énergie sont considérables. Ces ouvrages feront l objet dans la décennie actuel d un enseignement au sein des écoles d ingénieurs. Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

56 Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

57 Bibliographie Ouvrages : Neil Ramussen, - Options d architecture pour la distribution d air dans les installations critiques, Livre blanc 55, APC-Schneider - Affectation des coûts énergétiques et des émissions de CO2 aux utilisateurs informatiques, Livre blanc 161, APC-Schneider - Mise en œuvre de data centers éco-énergétiques, Livre blanc 114, APC-Schneider - Calculer la totalité des besoins en refroidissement des centres de données, Livre blanc 25, APC-Schneider Modélisation du rendement électrique, Livre blanc 113 APC-Schneider John Nieman, - Confinement de l allée chaude / Confinement de l allée froide, Livre blanc 135, APC-Schneider Isabel Rochow, - Systèmes avancés de distribution d eau réfrigérée pour centres de données, Livre blanc 131, APC-Schneider Suzanne Niles, - La virtualisation : une alimentation et un refroidissement optimisés pour des bénéfices accrus, Livre blanc 118, APC-Schneider Victor Avelar, - Méthode de calcul de l efficacité énergétique (PUE) dans les data centers, Livre blanc 158, APC-Schneider - Calcul de l ensemble des besoins en alimentation électrique des centres de données, Livre blanc 3, APC-Schneider Anonyme, - Comment éviter les coûts liés au surdimensionnement d infrastructure de centres de données et de salles réseaux, Livre blanc 37, APC-Schneider Fiches techniques : Trane, Ciat, MTA, Swegon, Stulz, Emerson, Emicon, Salmson, Grundfos. Internet : Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

58 Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet

59 Sommaire des annexes Charles CHRISTIN du 7 février au 29 juillet