SYNTHESE DU PROJET DE FIN D ETUDES

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1 Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg GENIE CLIMATIQUE ET ÉNERGÉTIQUE SYNTHESE DU PROJET DE FIN D ETUDES LES GREEN DATACENTERS Réalité, Utopie ou Affichage? Par Audrey CHOPITON TUTEUR INSA : M. JEGOU TUTEUR Entreprise : M. GARNIER Septembre 2015

2 FICHE D'OBJECTIFS Les Green Datacenters L'état des lieux o Rassembler des informations sur le fonctionnement des datacenters ; o Récolter les informations concernant les utilisations de tels bâtiments : leur rôle, les contraintes, les consommations, la typologie des bâtiments, les localisations géographiques, etc. Les exemples o Visites et études de sites existants. Les technologies utilisées o Analyse des systèmes de refroidissement traditionnellement utilisés : climatisation à eau glacée ou à détente directe. Les innovations et perspectives o Mettre à profit les recherches pour proposer des innovations technologiques adaptées aux datacenters existants et aux projets de datacenter ; o Travailler en collaboration avec des constructeurs ; o Valorisation de la chaleur dégagée ; o Utiliser l ensemble des points soulevés pour proposer et rédiger une méthodologie de dimensionnement, cahier des charges pour aider la maitrise d ouvrage. REMERCIEMENTS Je tiens en premier lieu à remercier Éric AUBSPIN et Alain GARNIER pour m'avoir accordé leur confiance en me proposant de réaliser ce Projet de Fin d'etudes au sein du groupe Phosphoris. Ils ont été mes deux tuteurs et je les remercie pour les responsabilités qu'ils m'ont confiées et les conseils techniques dont ils m'ont fait part. Je remercie ensuite l'ensemble de mes collègues pour leur disponibilité et leur soutien tout au long des six mois et tout particulièrement Frédéric RONFORT et Hachem BEN NEJMA pour leurs nombreux conseils. Je remercie Armel JEGOU, mon tuteur institutionnel. Je souhaite ensuite remercier les responsables de datacenter qui m'ont ouvert leurs portes et qui ont pris du temps pour répondre à mes questions : Adrien CAROULLE (TelecityGroup), Aurélien PORET (Ikoula), Stéphane LOCATELLI et Arthur JOLY (Hexanet). Egalement, je souhaite remercier les intervenants que j'ai rencontré à plusieurs reprises et qui m'ont donné un bon aperçu des technologies actuelles : Séverine HANAUER (Emerson Network Power) et Vincent KACZOREK (GEA Happel).

3 Keywords : IT (Information Technology), RÉSUMÉ L'étude que j'ai menée a consisté à obtenir des informations sur les systèmes traditionnels de refroidissement des datacenters. Pour cela, j'ai effectué de nombreuses recherches, j'ai réalisé des visites de sites et j'ai échangé avec des hébergeurs et des constructeurs. J'ai pu constater que cette discipline, bien que récente, présente déjà un certain nombre d'habitudes de dimensionnement qui sont bien ancrées et qu'il est dur de faire changer. Pourtant, des améliorations pourraient se faire pour rendre les systèmes de climatisation traditionnels plus performants et bien plus économiques. Un constat s'impose : il y a un manque de collaboration et d'échanges entre les climaticiens et les gérants de datacenters. Il faudrait commencer par rapprocher ces deux professions pour qu'ils comprennent mieux les contraintes et les objectifs des autres et qu'ils le prennent plus en compte. L'idée de ce rapport est d'informer le lecteur sur ce qui se fait aujourd'hui en termes de systèmes de refroidissement. Le but est de lui faire prendre conscience que d'autres systèmes de climatisation existent, performants, fiables et économes en énergie. Mots-clés : Datacenter, équipement informatique, baie informatique, PUE, Classes ASHRAE, urbanisation, densité, confinement, systèmes de refroidissement, armoire de climatisation, groupe de production d'eau glacée, refroidissement naturel, valorisation, chaleur de réjection. Mots-clés : ABSTRACT I conducted a study to get information on traditional datacenters cooling systems. This is why I have carried out of many research, visited sites and exchanged opinions with hosting services provider teams and IT manufacturers. I noticed that this discipline, although recent, presents already some habits. Those sizing habits are well anchored and it's hard to change them whereas, improvements could be made to drive the traditional cooling system more efficient and more energy saving. Obviously there is a lack of collaboration and exchange between the different professions. Stakeholders should understand they could work together to better understand constraints and goals of each other. The aim of this report is to inform the reader about what is being done today in terms of cooling system. The goal is to make him aware that other more efficient, more reliable and more energy-efficient systems exist. Keywords : Datacenter, IT equipment, rack, PUE, ASHRAE Class, urbanization, density, aisle containment, cooling system, Computer Room Air Conditioner (CRAC), chiller, natural cooling, valorization, heat rejection. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 1

4 SOMMAIRE INTRODUCTION Généralités sur les datacenters Description d'un datacenter... 4 Les clients et les offres... 4 La localisation géographique... 5 Les indicateurs de performance... 5 Les recommandations Qu'est-ce qu'un green datacenter? Le refroidissement des datacenters Typologie des salles informatiques L'urbanisation La densité des baies Le confinement...13 La distribution et la diffusion d'air Systèmes traditionnels Les innovations BILAN ET LIMITES...19 Les systèmes de refroidissement traditionnels Les systèmes à détente directe Les systèmes de production d'eau glacée Les innovations BILAN ET LIMITES...24 Les systèmes de refroidissement naturel Le free cooling enthalpique Le rafraichissement adiabatique indirect Le free chilling BILAN ET AVANTAGES...34 Valorisation de la chaleur rejetée...36 Les bonnes pratiques Visites de sites Les systèmes de refroidissement de demain...46 CONCLUSION...48 SITOGRAPHIE...49 SOMMAIRE DES ANNEXES...50 PRESENTATION DE L'ENTREPRISE D'ACCUEIL...51 Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 2

5 INTRODUCTION Contexte et objectifs Les datacenters, ou centres de données informatiques, sont des bâtiments spécifiques hébergeant des équipements contenant le patrimoine de milliers d'entreprises sous forme de données numériques. Ils se situent majoritairement dans les grandes villes des pays industrialisés en raison de l'importante quantité des réseaux qu'on y trouve. Un datacenter moyen de 5000m² consomme MWh. Très énergivores, ils consomment à eux seuls 10% de l électricité française. Si leur fonctionnement reste inchangé, d'ici 10 ans cette part pourra être de 25% [1]. Les datacenters sont responsables de 2% des émissions de CO 2 dans le Monde et ont une empreinte carbone qui augmente de 10% par an [2]. Véritables usines de l économie numérique, énergivores et consommateurs d espaces, les datacenters sont souvent montrés du doigt car construits suivant un modèle qui ne tient pas compte de la dimension environnementale, ni de la consommation électrique. L augmentation constante du nombre de datacenters due à nos habitudes de communication implique un changement dans la manière de les concevoir. Ils stockent et traitent des données dans des serveurs qui émettent une chaleur considérable et qui ont des besoins en froid extrêmement conséquents. Les datacenters sont donc dotés de systèmes de climatisation imposants dont les consommations représentent en moyenne entre 30% et 50% de la consommation globale d un site. Pourtant, à l'aube de 2020, des solutions de refroidissement naturel pourraient être introduites, celles-ci étant déjà utilisées dans d'autres secteurs. Déjà des prises de conscience ont débuté à l'échelon mondial avec le GreenIT (ou l'informatique Verte). Des organismes regroupant des hébergeurs, des constructeurs, des utilisateurs et des ingénieurs de toutes les spécialités se réunissent en groupes de travail pour proposer des solutions permettant de réduire leur empreinte carbone. La climatisation représente donc un des enjeux phares de la réduction de la consommation globale de ces bâtiments. Le bureau d'études Alain Garnier est un bureau d'études innovant spécialisé dans les systèmes de climatisation. Il intervient dans les datacenters pour mettre en œuvre ses compétences innovantes qui ont fait leurs preuves. Dans ce rapport, des solutions pérennes, ayant recours aux énergies renouvelables et valorisant les énergies fatales vous seront présentées. Les objectifs vont donc être d étudier le fonctionnement et l architecture d un datacenter et il va notamment être question de s intéresser aux systèmes de refroidissement actuels. Ensuite, il va s agir de proposer des solutions innovantes mettant en place des équipements techniques efficaces, performants et écologiques. Présentation du plan Dans une première partie, nous allons effectuer un état des lieux et présenter les généralités sur les datacenters. Ensuite, nous étudierons les systèmes de refroidissement actuels : la production de froid et la distribution d'air. Nous comprendrons pourquoi ces systèmes sont ainsi faits et quelles sont leurs limites. Dans une troisième partie, nous étudierons des solutions de refroidissement naturel et nous verrons celles qui sont les plus adaptées. Par la suite, des bonnes pratiques de dimensionnement vous seront données. Et pour finir, les trois datacenters visités vous serons présentés et analysés. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 3

6 1. Généralités sur les datacenters 1.1. Description d'un datacenter Un datacenter est un centre de traitement de données informatiques. C est un lieu où se trouvent de nombreux équipements électroniques comme des serveurs, des routeurs et des équipements de télécommunications. Ce bâtiment sert à stocker, traiter et protéger les données nécessaires aux activités d entreprises ou de particuliers. Il existe deux types de datacenter : les hébergeurs, ceux qui proposent des services de location pour les entreprises et les particuliers qui souhaitent externaliser leurs données ; et ceux d importants industriels et qui ne sont exploités que par l entreprise qui en est propriétaire. Nous verrons que les enjeux de ces différents datacenters ne sont pas les mêmes et notre étude portera principalement sur les datacenters hébergeurs. Un datacenter hébergeur est un bâtiment contenant avant tout des salles informatiques autour desquelles s'articulent des salles annexes comme un poste de contrôle, des locaux techniques (électricité et climatisation) des bureaux voire des salles de réunions (Figure 1). Figure 1 : Organisation interne d'un datacenter Dans l'architecture type, une salle informatique est un grand plateau, avec un faux plancher et des chemins de câbles au plafond. Le faux plancher est destiné au passage de l'air climatisé et des câbles pour les alimentations électriques. Les chemins de câbles, sont eux destinés à l'arrivée de la fibre pour la connexion Internet. Sur le plateau des baies remplies de serveurs sont placées; elles sont organisées par allées. Des baies de climatisation sont placées le long des murs pour refroidir les équipements informatiques. Au plafond, ou trouve généralement des buses pour la sécurité incendie et des caméras pour la sécurité physique Les clients et les offres Lorsqu elles en ont un, il est difficile pour les entreprises de bien gérer leur datacenter interne (stockage des données, alimentation électrique, refroidissement de l'infrastructure, respect des réglementations). D autant plus, qu une mauvaise gestion induit des surcouts directs. L'externalisation informatique consiste à sous-traiter tout ou partie de son système informatique vers un prestataire de service. Concrètement, les serveurs ne se trouvent physiquement plus dans l'entreprise, mais sont hébergés dans des datacenters et les compétences nécessaires au bon fonctionnement de ce système informatique sont confiées tout ou partie aux ingénieurs et techniciens de ces sites. L externalisation des données dans un datacenter permet aux entreprises d'atteindre rapidement la flexibilité et l'évolutivité requises pour soutenir efficacement leurs projets ; d optimiser leur sécurité informatique et leur stockage de données et de Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 4

7 réaliser des économies considérables. De plus, externaliser leurs données permet aux entreprises de pouvoir se concentrer pleinement sur leur cœur de métier et ainsi elles peuvent rester compétitives. Les datacenters hébergeurs ont des clients très variés : des particuliers, des PME, des banques et des très grosses entreprises. Les offres d hébergement de données sont de quatre sortes : La location de services : le client loue une surface nue du datacenter dont il dispose d'un accès réservé et il y place ses installations ; La colocation : le client loue un emplacement libre dans une baie de stockage (l emplacement va d un serveur à une baie complète) et il y place son ou ses équipements ; La prestation totale : le client loue plusieurs baies voire plusieurs couloirs de baies. L'hébergement livré clé en main, le client place ses données ou ses applications dans les serveurs qu'il loue ; Le datacenter privatif : le client loue une salle entière destinée à son usage exclusif nommée «suite». Hébergement livré clé en main. Concernant la performance globale (PUE), les hébergeurs sont tentés de donner des renseignements faux pour attirer les clients en leur faisant croire que leurs coûts sont attractifs. Il n existe aucune obligation de passer par un organisme indépendant avec des critères d évaluation standards La localisation géographique Bien souvent les datacenters sont construits dans les grandes villes à proximité des réseaux électriques et Internet. Les hébergeurs et clients évitent les zones de conflits géostratégiques. En France, on compte cent-soixante-seize datacenters hébergeurs dont cinquante-neuf en Ile-De-France. C'est d'abord la proximité des réseaux qui définit l'emplacement d'un tel bâtiment. La typologie du bâtiment découle ensuite du prix de la surface au sol et enfin les choix techniques devront s'adapter à la typologie de bâtiment. Une étude détaillée des datacenters mondiaux m'a permis de voir qu'une tendance se dessine. Désormais le choix de l'emplacement se fait de plus en plus sur un site qui possède des températures extérieures faibles qui sont favorables à un refroidissement naturel. A l inverse, dans les prochaines années, il est possible qu'on se place dans une logique totalement différente et qu'on trouve des datacenters dans des pays très chauds. En effet, le froid solaire (par capteurs thermiques à concentrateur ou électrique par photovoltaïque) est de plus en plus utilisé et pourra très prochainement permettre la construction de datacenters en Afrique par exemple Les indicateurs de performance Dans le domaine des datacenters, plusieurs indicateurs sont utilisés. Je n'en citerai que deux : le PUE qui est le seul indicateur réellement utilisé aujourd'hui et le DCEM qui n'est que très peu utilisé mais la tendance actuelle laisse à penser qu'il sera de plus en plus dans le futur. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 5

8 PUE Le PUE ou Power Usage Effectiveness s'apparente à un rendement du site. Il compare la consommation énergétique totale du datacenter à la consommation électrique des équipements informatiques. La consommation énergétique totale comprend les équipements informatiques, la climatisation, l'alimentation électrique (éclairage, transformateurs, onduleurs, ) et les éléments de sécurité. Il est généralement donné en moyenne annuelle. Consommation énergétique totale (kwh) Consommation énergétique des équipements informatiques (kwh) Plus le PUE est tend vers 1, moins le datacenter consomme d'électricité pour le service qu'il propose, plus il va réduire sa facture énergétique et plus il va pouvoir être compétitif. Quelques chiffres PUE Moyen Européen 2,53 PUE site performant 1,80 PUE site très performant 1,20 : Equipements Informatiques : Refroidissement : Alimentation électrique Avant 2010, les consommations de l'alimentation électrique représentaient une part importante de la consommation d'un datacenter. Depuis, beaucoup de travail a été fait par les fabricants sur le matériel et cette part a fortement diminué. C'est aujourd'hui la climatisation qu'il est impératif d'améliorer car elle représente près de la moitié de la consommation totale d'un site, le PUE moyen français étant supérieur à 2. Aujourd hui les entreprises se servent du PUE à but commercial pour attirer les clients. Le PUE est devenu un coefficient que les entreprises utilisent pour se comparer entre elles. Or un PUE dépend uniquement du site en question : de la région et du climat, du niveau de sécurité pour la redondance des appareils électriques, de son utilisation (serveurs anciens ou récents), de son taux de remplissage C est pourquoi le PUE est un coefficient qui doit être utilisé par les gérants de datacenter pour comparer l évolution de leur consommation dans le temps. Pour que les clients puissent comparer les performances énergétiques de datacenters concurrents, il faut utiliser un autre coefficient : le DCEM. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 6

9 DCEM Le PUE présentant quelques limites, le DCEM, ou DataCenter Energy Management a fait son apparition il y a quelques années. Ce coefficient représente un réel outil de classification et de comparaison des datacenters. Il se calcule à partir de 4 indicateurs de performances, les KPI : Le KPI EC : Consommation énergétique totale du datacenter (kwh) Le KPI TE : Coefficient d'efficacité énergétique, c'est le PUE. Le KPI REUSE : Valorisation de la chaleur de réjection Le KPI REN : Utilisation d'énergies renouvelables Le DCEM se présente sous la forme d'un couple de deux valeurs calculées à partir des indicateurs de performances : Le DC G : Indicateur de consommation énergétique du datacenter. Il classe les sites en taille (S, M, L, XL) en fonction de leur consommation (grâce au KPI EC ). Le DC P : Indicateur de performance. Un calcul utilisant les indicateurs KPI donne une classe de performance au datacenter (A, B, C, D, E, F, G, H et I). Enfin, le DCEM s'énonce sous la forme (DC G, DC P ). En France, même les datacenters les plus performants se situent au niveau des classes énergétiques E ou F, ce qui prouve que beaucoup de travail reste à faire. Il faut sensibiliser les hébergeurs et les inciter à utiliser les énergies renouvelables et à valoriser la réjection de chaleur. Ce coefficient est encore trop peu utilisé. Seuls trente datacenters anonymes en France utilisent le DCEM. Les responsables des centres informatiques ne souhaitent pas être transparents vis-à-vis de leurs concurrents en ce qui concerne leur consommation énergétique. A terme, une certification sera mise en place (avec contrôle par un bureau de contrôle et validation des indicateurs) et on aboutira à une base de données avec la classe de tous les datacenters en France et en Europe. Chaque entreprise pourra classer ses installations avec l aide de l outil DCEM. Le DCEM est un pas en avant vers une meilleure évaluation et une meilleure prise de conscience de l'impact environnemental des datacenters. Ce nouvel indicateur pourra servir de référence pour les entreprises voulant héberger leurs données de façon plus écoresponsable et mettra ainsi les hébergeurs dans une concurrence plus fondée. Un outil de calcul prévisionnel des consommations et des performances énergétiques d'un site réalisé pendant ce stage permet d'aboutir au calcul des indicateurs de performance d'un datacenter : PUE et DCEM Les recommandations Les classes A - ASHRAE Pour déterminer les conditions de fonctionnement ambiantes des salles informatiques, il faut se référer au travail réalisé par l'ashrae. L ASHRAE ou American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers. C est une organisation internationale technique notamment connue pour ses publications qui font référence. De plus, elle est très reconnue dans le secteur du refroidissement industriel pour être une source d information impartiale. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 7

10 Les directives thermiques de l ASHRAE sont particulièrement bien documentées dans le domaine des datacenters en raison des nombreux retours d expérience des groupes de travail des fabricants d équipements informatiques. En effet, les principaux fabricants d ordinateurs (IBM, HP, Intel, Sun, Dell) sont fortement représentés au sein de ce comité. Les informations publiées par l'ashrae permettent donc d avoir une idée assez précise des exigences environnementales actuelles et futures du matériel informatique et répondent à certaines questions fondamentales comme les températures et les taux d humidité recommandés. En mai 2011, l ASHRAE a publié une amélioration de son guide de directives thermiques de 2008 concernant les températures et les taux d humidité recommandés et autorisés dans les datacenters [3]. Les fabricants de matériel informatique ont fait des efforts significatifs pour certifier le fonctionnement de leurs produits dans des conditions environnementales moins contraignantes. On voit en effet, dans ce nouveau guide, que deux nouvelles classifications de datacenters sont apparues (A3 et A4) et qu'elles permettent un élargissement des plages de fonctionnement. Ces recommandations de l'ashrae vont permettre des modifications des conditions en ambiance sans impact sur le matériel. On pourra augmenter la consigne de soufflage sans avoir d'impact sur la durée de vie des équipements ni sur leur consommation. Classe Température de rosée ( C) Température sèche ( C) Humidité Relative (%) Plage Recommandée 5 à à 27 < 60 Plages Autorisées A1 < à à 80 A2 < à à 80 A3-12 à 24 5 à 40 8 à 85 A4-12 à 24 4 à 45 8 à 90 Equipement éteint ou période de maintenance < 27 5 à 45 8 à 90 Figure 2 : Classes de l'ashrae pour les datacenters Dans le tableau ci-contre et sur le diagramme de l'air humide (Figure 2 et 3), nous avons les conditions environnementales ambiantes recommandées et autorisées par l'ashrae pour les datacenters. Ces conditions sont applicables à l'air qui est à l'entrée des équipements informatiques. Il va de soi que l'air envoyé par les climatiseurs devra être plus froid pour prendre en compte le réchauffement de l'air avant son arrivée au serveur. Figure 3 : Plages de fonctionnement recommandée et autorisées (document ASHRAE) Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 8

11 Pour assurer un bon fonctionnement des équipements informatiques, il faut contrôler la température et l'humidité. - Si l'hygrométrie est trop faible, de l'électricité statique apparait ; - Si l'hygrométrie est trop élevée, des courts circuits peuvent se produire. Généralement, les baies sont raccordées à la terre ce qui réduit très fortement les risques liés à l'électricité statique. Malgré tout, des humidificateurs sont souvent placés dans les salles pour le confort des personnes car les serveurs agissent véritablement comme des batteries froides et déshumidifient l'air. En revanche, une attention particulière sera apportée à la limite haute d'humidité fixée à 15g eau /kg air sec. Différents modèles de déshumidificateur sont souvent installés en salle pour ne pas dépasser cette limite. La classe A1 correspond à un datacenter où les conditions environnementales sont strictement contrôlées. Dans les classes A3 et A4, les conditions sont beaucoup moins strictes et les conditions internes peuvent dériver dans la plage de fonctionnement tout en maintenant un fonctionnement correct des équipements informatiques. L'apparition de classes moins restrictives permet de réduire fortement les puissances de refroidissement et augmente les opportunités de refroidissement naturel. Cependant, on trouve le plus souvent des conditions ambiantes bien plus restrictives : température comprise entre 18 et 25 C et humidité relative comprise entre 35 et 70%. On peut donc affirmer que la grande majorité des datacenters fait le choix de la sécurité et beaucoup de sites sont encore dans la classe A1. Pour les climaticiens, les classes A3 et A4 sont assimilées à des plages de fonctionnement tolérées lors des pannes du système de refroidissement. Elles correspondent aux plages données sur les fiches techniques des équipements et permettent de savoir s'il présentera une défaillance pour une panne plus ou moins longue. De plus, on sait que si un équipement reçoit en entrée une température supérieure ou égale à 37 C pendant au moins une minute, il tombera en panne dans l'année qui suit. Un constat s'impose : même parmi les plus gros hébergeurs, les datacenters sont majoritairement de classe A1 voire A2. Plusieurs raisons expliquent cette tendance : Les datacenters de plus de 10 ans ont besoins de ces conditions pour leurs équipements anciens ; Méfiance et crainte des responsables de datacenters face aux risques de défaillances électroniques et volonté de mettre en confiance les clients qui se sentent rassurer dans une atmosphère bien fraiche. Il y a vingt ans, il était bien vu de refroidir très fortement les salles (soufflage à C), cela était considéré comme une bonne gestion et était rassurant quant aux risques de surchauffes. Mais à l'époque les densités étaient plus faibles et l'électricité était moins chère. Un tel raisonnement n'est plus adapté aujourd'hui et encore moins pour les années à venir. Le conformisme et le scepticisme étant difficiles à combattre, il faut mettre en avant l'avancée technologique en matière de conditions de fonctionnement des équipements. Ainsi, on pourra convaincre les hébergeurs d'augmenter leur consigne de soufflage et leur permettre de réaliser des économies pouvant être très importantes. Dans la suite de ce rapport, nous allons principalement nous intéresser aux salles informatiques, les paramètres influençant le refroidissement étant nombreux. Les certifications Tier - Uptime Institut L'Uptime Institut a mis en place un système qui certifie les niveaux de disponibilité et de sécurité des datacenters à l'échelle mondiale : Les Tiers. Il prend en compte les niveaux de redondances pour l'électricité et la climatisation. Les certifications sont données en fonction de la somme des durées de coupures annuelles (en heures) : plus la durée est faible, plus le niveau de certification augmente. La certification Tier IV étant la plus difficile à obtenir. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 9

12 Tier I II III IV Niveau de redondance Pas ou peu de redondance Redondance des équipements importants Redondance passive des voies d'alimentation et de refroidissement Redondance active des voies d'alimentation et de refroidissement Taux de disponibilité Durée annuelle moyenne d indisponibilité tolérée Maintenance sans indisponibilité Résistance à toute défaillance 99,67% 28,8 heures Non Non 99,75% 22 heures Non Non 99,98% 100,00% 1,6 heures = 96 minutes 0,4 heures = 24 minutes Oui Oui Non Oui A ce jour, aucun datacenter n'a été certifié en France, les certifications étant très difficiles à obtenir. Cependant, en ce qui concerne le marché en Europe, on peut dire que les datacenters sont majoritairement aux niveaux Tier II et Tier III. Les hébergeurs les plus importants sont tous au niveau de la certification Tier III. Par contre, aucun n'a le niveau Tier IV. 2. Qu'est-ce qu'un green datacenter? Définition Du point de vue écologique, un datacenter "green" se définit en plusieurs points : Urbanisation des salles informatiques méticuleusement organisée ; Utilisation d'énergies renouvelables (hydroélectricité bien souvent) ; Refroidissement naturel ; Réduction de l'impact sonore ; Réduction de l'impact visuel ; Valorisation de la chaleur de rejection. Attention, le concept de green n est pas qu environnemental, il est aussi et surtout économique. Un green datacenter, c'est avant tout un datacenter qui consomme peu. Il doit être écoresponsable et avoir pour objectif la diminution de la consommation électrique. Quelques exemples vous sont présentés. On peut voir qu'ils tous adaptés à leur environnement et qu'ils présentent un PUE très faible. Par un système de refroidissement innovant, une typologie de bâtiment adaptée, ils ont su réduire leur empreinte carbone. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 10

13 Quelques exemples Nom : Datacenter Marilyn Hébergeur : Céleste Localisation : Marne-la-Vallée Photo et schéma de principe : Nom : Datacenter Lulea Hébergeur : Facebook Localisation : Lulea, suède, cercle arctique Schéma de principe : Commentaires : - Equipements refroidis par free cooling ; basé sur l'effet cheminée 80%/an ; - Recyclage de la chaleur dégagée pour chauffer leurs bureaux. PUE annoncé : 1,30 Commentaires : - Utilisation d'hydroélectricité uniquement ; - Equipements refroidis par free cooling 80%/an ; - Recyclage de la chaleur dégagée pour chauffer les bureaux du personnel. PUE annoncé : 1,07 Nom : Datacenter Nantes Hébergeur : NeoCenter Ouest Localisation : Nantes Photo : Nom : Datacenter BHS Hébergeur : OVH.com Localisation : Montréal Photo : Commentaires : - Bâtiment HQE semi-enterré ; - Toiture végétalisée ; - Bâtiment intégré dans son environnement extérieur ; - Modules de baies confinées ; - Recyclage de la chaleur dégagée pour chauffer leurs bureaux. PUE annoncé : 1,35 Commentaires : - Utilisation d'hydroélectricité uniquement ; - Choix d'équipements hautement performants refroidis par surventilation, pas de climatisation. PUE annoncé : < 1,10 Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 11

14 3. Le refroidissement des datacenters Dans un datacenter, il est nécessaire de refroidir principalement plusieurs types de salles dont principalement les salles informatiques et les locaux électriques. A chaque fois, il faudra se référer aux données du cahier des charges du client et adapter le dimensionnement au matériel qui sera installé. Dans un datacenter, les besoins en froid des salles informatiques sont majoritaire par rapport aux autres locaux c'est pour cela que nous allons principalement nous intéresser au refroidissement des salles informatiques dans la suite de ce rapport Typologie des salles informatiques L'urbanisation Du point de vue du thermicien, l'urbanisation d'un datacenter consiste à agencer les baies informatiques de façon à optimiser la circulation des flux d'air. De la même façon que dans une bibliothèque où les armoires sont organisées en allées permettant ainsi de fluidifier la circulation des personnes. Nous verrons qu'une bonne urbanisation est une urbanisation dans laquelle les baies sont organisées en allées permettant une bonne circulation des flux d'air froids et chauds. Figure 5 : Flux d'air frais à travers une baie Sur le plateau, on place les baies, on fait en sorte de placer des rangées contenant les faces avant et des rangées contenant les faces arrière. C'est ce qu'on appelle les allées froides et les allées chaudes (Figure 6). On va donc amener l'air frais dans les allées froides et reprendre l'air chaud des allées chaudes. Figure 4 : Baie Informatique Les baies informatiques (Figure 4), ou racks en anglais, ont une hauteur comprise entre 2m et 2,50m, une largeur de 60cm et une profondeur de 1m pour les cas les plus standards. Dans ces armoires, on glisse les équipements (serveur, disque dur, routeur, switch ) par la face avant et la face arrière va servir aux câblages de ces équipements. Pour le refroidissement, la technique consiste à faire passer un flux d'air frais dans les équipements. L'air frais entre par la face avant, refroidit les composants électroniques et ressort chaud à l'arrière (Figure 5). Figure 6 : Principe des allées chaudes et froides L'urbanisation est essentielle. Une bonne urbanisation peut fortement améliorer l'efficience énergétique du datacenter. C'est un paramètre qu'il faut prendre en compte lors des études de dimensionnement pour le neuf et pour la rénovation. D'ailleurs, les visites de sites réalisées m'ont permises de constater que l'urbanisation des salles est souvent un point faible. Un réagencement des baies et une meilleure répartition des émissions de chaleur ont des conséquences immédiates sur l'efficacité du système de refroidissement. On va réorganiser les dégagements de chaleur et réduire le phénomène de points chauds. Une ré-urbanisation complète d'un site peut permettre une réduction des consommations énergétiques du système de refroidissement pouvant aller jusqu'à 15%. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 12

15 La densité des baies L'hébergeur, dans son cahier des charges, choisit la densité électrique à laquelle il souhaite faire fonctionner les baies. L'électricité utilisée par les équipements étant presque intégralement transformée en chaleur par Effet Joule, le thermicien assimilera les densités électriques en quantité de chaleur à refroidir. Dans les datacenters anciens (10ans minimum), les équipements sont en faible voire très faible densité : 0,5 à 2 kw/baie. Dans les datacenters récents, on se situe principalement dans la faible densité : de 2 à 10 kw/baie. C'est seulement dans les sites les plus performants qu'on commence à voir des densités pouvant dépasser les 15kW/baie (Figure 7). Figure 7 : Les densités de baies Avec le temps, la tendance est à la miniaturisation des composants. Les équipements deviennent de plus en plus denses et dégagent des quantités de chaleur de plus en plus importantes. Il va donc falloir adapter les systèmes traditionnels pour les rendre plus performants Le confinement Pour maximiser les échanges thermiques et répondre à la demande de densification des baies, il est possible de confiner les allées. Le confinement consiste à ajouter des portes et un toit autour de certaines allées. De cette façon, on limite au maximum le mélange des flux d'air froids et chauds et on réduit le réchauffement de l'air frais avant son arrivée à l'avant des équipements. Figure 8 : Module Confiné Figure 9 : Confinement sur allée froide (Doc Climaveneta) On trouve dans le commerce, des modules complets avec accès par badges (Figure 8). Dimensionnement possible sur le site de Schroff [4]. Sur le marché, on observe une large préférence pour le confinement des allées froides (Figures 9 et Figure 10). Il a l'intérêt majeur de refroidir plus efficacement. Lorsque l'air frais arrive du faux plancher, il arrive dans une sorte de sas, le module confiné, est se dirige naturellement vers l'entrée de tous les serveurs. On refroidit au plus près des appareils et on optimise l'efficacité de la climatisation. S il est difficile de connaître le rendement de ces salles, on peut estimer que le gain est d environ de 15% par rapport aux salles traditionnelles (Figure 11). Figure 10 : Salle Informatique avec plusieurs modules confinés sur l'allée froide Figure 11 : Thermographie d'un site sans puis avec confinement (Doc Climaveneta) Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 13

16 Le confinement d'allée chaude (Figure 12) existe aussi et présente quelques avantages : module plus petit et allée chaude non pressurisée. Toutefois, cette solution reste à déconseiller pour de raisons de sécurité des personnes. Dans une allée chaude en haute densité, la température peut monter à C ; si cette allée est confinée, alors elle peut atteindre 45 voire 50 C. Il n'est pas envisageable de faire intervenir un technicien dans de telles conditions. De plus, le système d'extinction incendie doit être entièrement revu pour respecter le référentiel APSAD, ce qui est contraignant et plus cher. Toutefois, rappelons que chaque projet de datacenter est différent et qu'il est nécessaire de procéder au cas par cas. Il faut prendre en considération la configuration de la salle. Figure 12 : Confinement sur allée chaude Solution pour la rénovation Figure 13 : Solution de confinement pour site existant CONTEG CONTEG, un fabricant de baie innovant, propose une solution modulaire adaptée pour tous types de salles (Figure 13). Le système s'appuie sur une structure autoportante avec panneaux de polycarbonate et feuilles de PVC pour le toit. Les sections verticales sont en PVC. Pour les portes, il est possible d'installer des rideaux PVC ou des portes à double battant. Cette solution et adaptée dans le cas où il faut confiner des baies de hauteurs différentes où même comportant des espaces vides La distribution et la diffusion d'air Les systèmes traditionnels Dans un système traditionnel, la technique de refroidissement est la suivante : 1/ Les baies sont organisées selon le principe des allées chaudes et froides au centre de la salle (Figure 14). 2/ La salle est équipée d'un faux plancher (Figure 15) d'une hauteur comprise entre 30cm et 1,20m. Il est composé de dalles pleines et perforées de 60*60cm. Sa conception doit faire l'objet d'une étude approfondie pour pouvoir supporter les lourdes charges des matériels informatiques. Figure 14 : Salle Informatique 3/ Des unités intérieures de climatisation appelées armoires de climatisation ou CRAC ("Computer Room Air Conditioner" qui signifie Climatiseur de salle Figure 15 : Vue du faux plancher informatique en anglais), sont placés le long des murs. Ils vont souffler l'air frais dans le faux plancher et l'air va sortir à travers des dalles perforées (Figures 16 et 17) et se diffuser dans les allées froides. Traditionnellement, la température de soufflage est comprise entre 18 C et 22 C. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 14

17 Figure 16 : Soufflage d'air à travers une dalle perforée Figure 17 : Soufflage du faux plancher dans une allée froide Les armoires de climatisation sont composées d'un filtre, d'une ou plusieurs batteries froides et de plusieurs ventilateurs. Ces climatiseurs fonctionnent par recyclage, ils reprennent l'air de la salle pour le refroidir et le souffler à nouveau dans la salle. La reprise se fait généralement sur le haut de l'armoire mais elle peut aussi se faire en face avant. Le soufflage se fait généralement en faux plancher dans les salles informatiques et en face avant dans les locaux techniques mais elle peut aussi se faire par le dessus (Figure 18). Concernant la régulation, chaque armoire possède une sonde de régulation sur le retour d'air et en fonction de la température, elle va réguler le débit d'air soufflé. Dans la salle, des sondes sont placées sur les faces avant de certaines baies. Elles servent de suivi et de contrôle pour les techniciens et servent notamment pour témoigner du bon fonctionnement de leur installation aux clients. Figure 18 : Différentes modes de soufflage et de reprise d'air par les armoires Il existe aussi des systèmes moins traditionnels qui sont utilisés dans les sites où les configurations de salles sont atypiques. Lorsqu'il manque de place dans la salle, il est possible de mettre les armoires en dehors des salles. Dans ce cas, l'air est repris par une grande grille et soufflé en faux plancher directement (Figure 19). 4/ Cet air va traverser les baies, refroidir les équipements et ressortir Figure 19 : Armoire située hors de la salle dans les allées chaudes. Ce sont les ventilateurs intégrés dans les équipements qui vont expulser l'air en dehors de la baie (Figure 20). Figure 20 : Flux d'air à travers une baie 5/ Ensuite, l'air chaud va monter et se trouver en haut de la salle. Il va être repris par les différents climatiseurs, être refroidi, puis à nouveau soufflé dans le faux plancher (Figure 21). Figure 21 : Flux d'air dans une salle informatique Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 15

18 Cette solution est simple et flexible. Elle permet de changer rapidement la configuration de la salle. Lorsque les besoins augmentent, il suffit d'intervertir les dalles pleines par des dalles perforées à l'aplomb des baies ayant des plus grands besoins en froid. Il est également possible de reprendre l'air chaud en faux plafond (Figure 22). Cette solution est très peu utilisée car elle est efficace lorsque les allées chaude sont confinées or nous avons déjà expliqué pourquoi cette solution était peu utilisée. Figure 22 : Reprise de l'air chaud en faux planfond Les limites Dans une salle traditionnelle, l'informaticien place ses équipements au centre de la salle selon l'organisation en allées chaudes et froides, et le climaticien place ses climatiseurs le long des murs. L'efficacité de cette méthode est à remettre en cause car l'apport de froid se fait beaucoup trop loin des sources de chaleur. On laisse la chaleur se dissiper partout dans la salle puis on demande une importante puissance de refroidissement. Cette méthode a été en partie améliorée par la couverture d'allée mais on verra que pour la haute densité, cette méthode ne convient plus. De même, dans les salles, les hébergeurs ordonnent les équipements par clients ou par utilisation sans jamais prendre en compte les performances thermiques des équipements. Cependant, il faudrait prévaloir une sectorisation en température dans les salles et sectoriser les appareils en fonction de leurs contraintes thermiques (consigne plus ou moins stricte, capacité à supporter de forte variations de température et d'humidité ) Les innovations Innovations apportées sur les systèmes traditionnels Figure 23 : Ventilateur déporté en faux plancher sur l'ultradenco Pour plus d'efficacité dans le soufflage, sur le marché on voit apparaitre des modèles pour lesquels les ventilateurs sont déportés dans le faux plancher (Figure 23). C'est notamment GEA Happel qui propose ce type d'armoire de climatisation : l'ultradenco. Avantages : la batterie a une plus grande surface d'échange, meilleure filtration, on peut avoir une plus grande puissance frigorifique, réduction des pertes de charges aérauliques car diffusion directe, moins d'échauffements au niveau du ventilateur, moins de bruit, et plus grande durée de vie du ventilateur. GEA Happel annonce jusqu'à 60% d'économies sur le ventilateur. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 16

19 Figure 24 : Armoire X Type de RCGroup Au salon "Datacenter Management Solution" (compte rendu de visite en Annexe 1) était présentée une armoire de climatisation à eau glacée refroidie à l'aide de deux batteries en V : l'armoire X Type du fabricant RCGroup. Avantages : les sections de filtration, traitement d'air et soufflage sont mieux sectorisées et plus efficaces. Le refroidissement se fait avec un régime d'eau glacée de 18/28 C qui est possible car il y a deux batteries : consommation des pompes du circuit hydraulique diminuée, régime d'eau élevé qui permet des économies importantes en free chilling. Diffusion d'air meilleure qu'avec batteries en diagonales. Consigne de soufflage idéal à 25 C donc armoire adaptée aux équipements récents. Les systèmes complémentaires Pour les salles équipées en haute densité, les systèmes actuels ne suffisent plus. La technique du soufflage par le faux plancher devient inadaptée, principalement pour une question de limite du débit d'air au travers les dalles perforées du faux plancher mais aussi pour sa précision. Pour atteindre cet objectif, il faut installer des systèmes complémentaires et notamment rapprocher le froid des sources de chaleur. Sortis sur le marché très récemment, il faut installer des climatiseurs de précision autonomes, également appelés systèmes à couplage étroit. Ce sont des systèmes modulaires qui permettent d'apporter du froid là où il est le plus nécessaire sans abaisser la température de toute la salle. La nature modulaire de ces systèmes complémentaires permet aux responsables de datacenters de reconfigurer rapidement le refroidissement pour mieux gérer des équipements en surchauffe ou l'installation de nouveaux équipements. Nom : Modèle In-Row (que l'on peut traduire par "dans la rangée") Principe : On intercale des échangeurs thermiques entre les baies ou en fin de rangée. Ils fournissent un flux d'air horizontal. Ces unités refroidissent les faces avant des baies (soufflage à C) et reprennent l'air chaud des allées chaudes (35 C). Modèles à eau glacée ou à détente directe. Avantages : On climatise très près des équipements : réaction plus rapide et plus efficace. Capacité de refroidissement par baie plus importante et redondance du datacenter améliorée. Soufflage d'air froid régulier sur toute la hauteur des baies. Adaptable en rénovation sur architecture ouverte ou confinée. Contrôles de la température, l'humidité et la filtration de l'air. Fabricants : Climaveneta, Liebert, APC, Schroff Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 17

20 Nom : Modèle Enclosure (que l'on peut traduire par "encloisonné") Principe : Un échangeur thermique est intégré dans la même enceinte que les équipements informatiques. Ces unités fonctionnent avec un flux d'air horizontal. L'air est traité à l'intérieur même de la baie : reprise à C et soufflage à C. Modèles à eau glacée ou à détente directe. Avantages : On climatise au plus près des équipements donc forts gains énergétique dus à la très faible quantité d'air utilisé. Puissance de refroidissement installée plus importante. Soufflage d'air froid régulier sur toute la hauteur de la baie. Absence de mélange des flux d'air. Fabricants : Climaveneta, Schroff Nom : La porte froide (ou porte arrière refroidissante) Principe : C'est un échangeur eau-air que l'on place sur la face arrière d'une baie. Il pré-refroidit l'air qui sort de la baie. Pour un air qui sort à C, on pourra le refroidir à C. Avantages : On élimine complètement les points chauds et on réduit le risque de panne ou de dysfonctionnement des équipements. Adaptable sur tous types de baies. Adaptable en rénovation pour soulager le système de climatisation existant. Modèles de Schroff et Emerson : avec échangeur passif eau-air sans ventilateur. Fabricants : Climaveneta, Knurr, Schroff Nom : Le climatiseur plafonnier Principe : Ce système utilise du R134a et fonctionne à basse pression sans compression comme un caloduc. Il se fixe au plafond au-dessus des baies, au niveau des allées froides. Avantages : Il refroidit plus de W/m². Il permet un refroidissement localisé particulièrement adapté aux équipements à haute densité. Il ne requiert aucun espace au sol et permet de ne pas avoir d'eau en salle. Adaptable pour tous les types de salle. Solution flexible et évolutive qui peut venir compléter un refroidissement par armoires. Fabricants : Liebert (modèle XDO) Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 18

21 BILAN ET LIMITES D'après ce que nous venons de présenter, on peut récapituler les informations dans le schéma suivant (Figure 24) : Figure 24 : Choix du système de refroidissement en fonction de la densité Pour la faible densité, une urbanisation en allées chaudes et froides est suffisante. Au-delà de 10kW/baie, il faut utiliser la couverture d'allée. Au-delà de 20kW/baie, la charge thermique importante pousse le système de climatisation traditionnel à ses limites. Il faut apporter des solutions complémentaires (unité in-row, unité enclosure, porte froide ). Le refroidissement à l'aide d'armoires de climatisation et d'un faux plancher est le système le mieux adapté lorsque les baies sont organisées en allées. Bien qu'une telle installation soit couteuse, le temps de retour sur investissement est très intéressant. Ce système est devenu la norme en ce qui concerne le refroidissement des datacenters. On a pu voir que pour aller vers la haute densité, il est nécessaire d'ajouter des systèmes de refroidissement complémentaires et on peut même dire que ces innovations remettent en cause l'intérêt d'un faux plancher. D'ailleurs, nombreux spécialistes ont affirmé que le faux plancher n'aura plus sa place dans les futurs systèmes de climatisation. En effet, un climatiseur tel que le modèle "enclosure" est complètement autonome et permet un refroidissement plus efficace. Il engendre un gain de place et permettra aux hébergeurs d'augmenter leur capacité d'hébergement. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 19

22 3.3. Les systèmes de refroidissement traditionnels Les contraintes de sécurité sont telles que les hébergeurs cherchent avant tout à avoir un système de refroidissement qui ne tombe pas en panne, c'est pour cela que deux systèmes principaux de production de froid. Nous verrons ensuite qu'il est possible d'optimiser ces systèmes à l'aide de solutions simples Les systèmes à détente directe Figure 25 : Schéma simplifié d'une installation en détente directe Pour un datacenter qui fait le choix d'une installation en détente directe, le fonctionnement est très simple (Figure 25). Les armoires à détente directe L'armoire de climatisation à détente directe contient une grande partie des éléments du circuit frigorigène : déshydrateur, voyant de liquide, détendeur, évaporateur, compresseur(s). En fonction du niveau de redondance souhaité par le client, certain de ces éléments pourront être doublés. Bien souvent, c'est le cas du compresseur. Chaque armoire a son propre système de dissipation de chaleur pour évacuer les calories. Soit c'est un condenseur à air déporté à l'extérieur, soit c'est un condenseur à eau (Figure 26) qui est à l'intérieur de l'armoire et qui évacue ses calories vers un aéroréfrigérant situé à l'extérieur. On aura majoritairement des condenseurs à air. Fluides frigorigènes utilisés : R134a, R410a Puissance frigorifique d'une armoire : 4 à 140 kw Configurations : en voici 2 exemples : Figure 26 : Types d'armoires à détente directe Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 20

23 Exemple du MultiDENCO de GEA Happel (Figures 27 et 30). Il existe plusieurs tailles, possédant 2 batteries froides (Figure 28) et 2 compresseurs en cascade (Figure 29). Figure 27 : L'armoire MultiDENCO de GEA Happel Figure 28 : Vue sur les batteries du MultiDENCO Figure 29 : Vue éclatée du circuit frigorifique Figure 30 : Détails de la composition d'une armoire à détente directe MultiDENCO Les condenseurs à air Il y a des condenseurs à air traditionnels comme ceux que l'on peut trouver dans d'autres applications de climatisation (Figure 31). Il y a également des modèles plus particuliers qui sont adaptés aux contraintes de redondance. Exemple : datacenter Ikoula. Figure 31 : Condenseurs à air Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 21

24 Les systèmes de production d'eau glacée Figure 32 : Schéma simplifié d'une installation en eau glacée avec groupe de production d'eau glacée à condensation par air Les armoires à eau glacée L'armoire de climatisation à eau glacée est bien plus simple que son homologue en détente directe. Comme elle fonctionne avec de l'eau glacée, elle ne contient aucun élément du circuit frigorifique. En eau glacée, on pourra donc être sur des puissances plus élevées car sa ou ses batteries froides pourront occupées toute la largeur de l'armoire. Il existe de nombreuses configurations pour ces armoires qui dépendent de l'installation et qui peuvent se faire sur-mesure. On les appelle modèles hybrides. Puissances frigorifiques : 40 à 220kW Régime d'eau glacée : de 7/13 C à 9/15 C Exemple du PCW fabriqué par Leibert et vendu par le Groupe Emerson Network Power (Figure 33). Il existe plusieurs tailles, possédant 1 ou 2 batteries à eau glacée. Figure 33 : Armoire de climatisation à eau glacée PCW de Liebert Fonctionnement Classique Economique Régime d'eau 7/12 C 10/15 C Consigne en ambiance 22 C, 50% 24 C, 50% Puissance frigorifique : de 20kW à 180kW Débit d'air : de à m3/h Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 22

25 Figure 34 : Détails de la composition d'une armoire à eau glacée Cyber Air de STULZ Groupe de production d'eau glacée Figure 35 : Groupe de production d'eau glacée à condensation par air. Modèle FOCS2 Climaveneta Bien souvent les groupes de production d'eau glacée sont à condensation par air. Les bureaux d'études optent souvent pour une installation avec un groupe à condensation par air qui est une solution simple et moins chère. De même que pour les condenseurs à air, on trouve les mêmes groupes de production d'eau glacée que dans d'autres applications de climatisation et il y a également des modèles plus particuliers qui sont adaptés aux contraintes de redondance. Exemple : Datacenter Hexanet Préconisations choix du groupe: - Choisir le meilleur EER possible ; - Choisir un détendeur électronique qui permettra une modulation du régime d'eau glacée ; - Nous sommes dans le cas d'un bâtiment ayant des besoins en froid constant toute la journée et variant peu au cours des journées. Choisir un groupe qui peut adapter sa température de condensation en fonction des conditions extérieures et mettre un place une HP flottante ; - Préférer des compresseurs à vis qui peuvent fonctionner en cascade modulable et qui ont une meilleure durée de vie que les compresseurs scroll Les innovations Innovations apportées sur les systèmes traditionnels Désormais les condenseurs sont de plus en plus équipés de ventilateurs de technologie EC (Figure 36). En effet, un moteur EC se révèle être bien plus efficace qu'un moteur asynchrone. Avantages : vitesse régulée, réduction de la puissance consommée pouvant aller jusqu'à 45%, débit d'air plus important (Figure 37), réduction du bruit de 10%, conforme ErP Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 23

26 Modèles proposés par GEA Happel, Climaveneta Figure 37 : Passage d'un ventilateur AC axial à un ventilateur EC axial Figure 36 : Evolution des débits pour des ventilateurs AC et EC BILAN ET LIMITES Récapitulatif des éléments présentés en amont : Système Détente directe Eau glacée Taille du site Petit - Moyen Moyen - Grand Puissance d'une armoire kw kw Installation Simple Compliquée Emplacement compresseur(s) Armoire de Groupe de production climatisation Armoire raccordée à Condenseur à air ou à eau Fluide frigoporteur Fluide frigorigène Eau glacée Présence d'eau dans le datacenter Non Oui d'eau glacée Groupe de production d'eau glacée Les systèmes traditionnels sont des systèmes efficaces. Aujourd'hui, les sites présentent des niveaux de sécurité de plus en plus élevés grâce à l'amélioration des technologies. De plus, les risques de panne du système de climatisation sont de plus en plus faibles et ils sont d'autant plus minimes que les pannes sont immédiatement secourues pas les forts niveaux de redondance mis en place. Premier constat : il est d'usage de choisir un régime d'eau très bas. Il n'est absolument pas nécessaire d'avoir une eau si froide compte tenu des températures de soufflage requises aujourd'hui et celles permises par les équipements de haute performance. Les bâtiments contenant des centres de données sont apparus en France dans les années Les datacenters comme on les connait aujourd'hui sont donc assez jeunes. Une méconnaissance des datacenters a incité les bureaux d'études de l'époque à dimensionner les systèmes de climatisation comme ceux des secteurs tertiaire et industriel. Cependant, un régime d'eau si bas n'est pas adapté et il a de lourdes conséquences sur la consommation électrique du site. De plus, moins on souffle froid, plus on réduit le risque de condensation. Il est a déploré qu'une remise en question n'ait pas été faite plus tôt. Il faudrait préconiser des régimes plus élevés et calculés au plus juste pour optimiser la production de froid. Second constat, les niveaux de redondance exigés par les clients poussent les bureaux d'études à doubler voire tripler les puissances en froid. Ceci donne des installations de climatisation extrêmement surdimensionnées et cela est d'autant plus choquant que les salles ne sont parfois occupées qu'à 30 ou 40% de leur capacité. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 24

27 Le surcout engendré par le surdimensionnement de l'installation de froid entraine bien souvent le choix d'un système de production d'eau glacée à condensation par air. Cependant, il faudrait préconiser l'installation d'un condenseur à eau. Cette installation est plus chère mais permet sur le long terme de réduire la consommation du groupe de froid d'au moins 20%. Troisième constat, tout aussi alarmant, les armoires de climatisation travaillent uniquement en recirculation d'air et s'évertuent à refroidir à C un air qui est repris à C. Il est important de retenir que les 2 solutions traditionnelles, à détente directe et à eau glacée, ne proposent pas de refroidissement naturel. De plus, le fonctionnement en recirculation d'air n'est pas cohérent et engendre des puissances de refroidissement importantes. Il faudrait envisager de refroidir les salles autrement Les systèmes de refroidissement naturel Une question se pose : pourquoi produire du froid en hiver et en mi-saison alors que la température extérieure pourrait à elle seule le réaliser? Pour améliorer le refroidissement des datacenters, il faudra préconiser l'utilisation de systèmes de refroidissement naturel. Ils sont à valoriser dans ces bâtiments car la climatisation entraine des coûts d'énergie électrique élevés qui, de plus, entrent dans une grille tarifaire hivernale peu favorable. De plus, ils ont un besoin en froid qui reste constant la nuit, on pourra profiter de l'écart diurne pour utiliser l'air extérieur frais la nuit. Ces solutions peuvent parfois être très simples à mettre en place, avec des temps de retour sur investissement pouvant être inférieur à 4 ans et elles permettent une réduction immédiate de la facture énergétique. Sur le plan commercial, le PUE est extrêmement mis en avant, une réduction des consommations électriques permettra aux hébergeurs d'afficher un meilleur PUE. De plus, le DCEM qui prend en compte l'utilisation d'énergies renouvelables sera également amélioré Le free cooling enthalpique Le free cooling signifie en anglais "rafraichissement gratuit". Un système de free cooling est un système dans lequel on utilise l'air extérieur pour refroidir un air intérieur. Le free cooling direct, qui s'apparente à une ventilation naturelle intensive, consiste à introduire directement l'air extérieur dans un local. Il sera à bannir dans les datacenters pour des raisons de non contrôle de l'humidité et de non contrôle de la pollution de l'air. Rappelons que ce sont deux contraintes imposées par l'ashrae. Un free cooling enthalpique couplé à un très fort niveau de filtration sera possible. Le free cooling enthalpique est un free cooling indirect dans lequel on met en place un contrôle de l'humidité de l'air extérieur. Il tient son nom de sa méthode basée sur un calcul du différentiel d'enthalpie entre l'air intérieur et l'air extérieur. Pour réaliser une installation en free cooling, ion utilise généralement une CTA (Figure 38). Figure 38 : CTA FCD-DX de GEA Happel Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 25

28 Précédemment, les systèmes traditionnels ont été remis en cause, notamment pour le mode de refroidissement basé sur la recirculation d'air. Il est vrai qu'il serait plus judicieux d'évacuer la chaleur dégagée par les équipements et d'utiliser l'air extérieur pour refroidir les locaux (schéma simplifié ci-dessous : Figure 39). Au vue des températures de reprise, un tel système pourrait fonctionner presque toute l'année sans avoir recours au système de production de froid. Figure 39 : Proposition schématique de refroidissement en free cooling A noter qu'il existe des armoires de climatisation adaptées pour le free cooling comme les modèles innovants de STULZ (Figure 40). Ces armoires prennent directement l'air extérieur et le filtrent. En fonction de la température extérieure, il y a mélange entre l'air repris et l'air neuf. Figure 40 : Modèles de STULZ L'utilisation du free cooling en datacenter Pour un site neuf, il faut travailler sur la typologie du bâtiment. L'installation sera performante si les choix architecturaux se sont faits autour du free cooling. L'enjeu va être de s'adapter aux contraintes du site où le bâtiment sera implanté pour choisir la configuration la plus adaptée. Il faudra prendre en considération les conditions météorologiques : température extérieure, humidité extérieure, direction et puissance des vents, mais aussi la surface au sol dont nous disposons. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 26

29 Bâtiment en longueur : Bâtiment en hauteur : - Arrivée d'air en bas des façades - Traversée horizontale des salles - Extraction en haut des façades Free cooling Mécanique - Arrivée d'air en bas des façades - Traversée verticale des salles - Extraction an toiture Free cooling Naturel - Effet cheminée On peut citer l'exemple du datacenter Marilyn construit par l'opérateur Céleste après plusieurs années de dimensionnement. C'est le premier datacenter écologique haute densité au monde. La société Céleste a conçu un nouveau type de centre informatique breveté car unique en terme de refroidissement. C est la première fois au monde que cette architecture est utilisée pour un datacenter. Le datacenter a pour objectif de devenir une référence dans l'hébergement de données. L innovation principale de ce projet repose sur la construction verticale du bâtiment et sur un free cooling presque total pour refroidir les salles informatiques. Cellesci aménagées sur cinq niveaux et profitent d un effet de tirage naturel et d une optimisation des rendements aérauliques. Figure 41 : Circulation des flux d'air - Datacenter Marilyn L air extérieur est d'abord traité dans de grosses CTA (Figue 41), il entre par le bas du bâtiment puis il est insufflé à l intérieur. L'air monte à travers les étages en circulant le long des murs. Chaque étage est séparé par de grosses grilles. L air traverse les serveurs et ressort au centre (Figure 42). L'air chaud est poussé vers le bas où il va être valorisé et utilisé pour chauffer les bureaux annexes. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 27

30 Figure 42 : Coupe d'un étage La consigne de soufflage est fixée à 23 C. Si T ext < 15 C : Mélange air extérieur et chaleur récupérée dans les centrales ; Si 20 C <T ext < 35 C : Soufflage d'air extérieur; Si T ext > 35 C, si HR ext >10,5g eau /kg airsec ou si des fumées sont détectées, le bâtiment passe en recyclage total avec mise en route du système de refroidissement de secours. Le bâtiment, situé à Marne-La-Vallée utilise le free cooling 95% de l'année dont 60 à 70% de pur free cooling en mi-saison. Après 2 ans d exploitation, Céleste estime que le dispositif de free cooling réduit de 30 % Figure 43 : Effet Cheminée la consommation électrique globale. L économie est de 6 GWh par an, ce qui équivaut à la consommation de m² de bureaux classiques, et d environ 250 tonnes/an de carbone. Marilyn est compact, bien ventilé, moins énergétivore et valorise la chaleur dégagée, c'est un datacenter responsable, c'est un Green Datacenter. L'installation du free cooling pourra être couplée à des climatiseurs split. Le couplage à un système en détente directe constitue une solution de secours financièrement très intéressante car les climatiseurs en détente directe sont très peu chers. On fonctionnerait en froid gratuit dès que les conditions extérieures le permettent et l'appoint pourrait se faire avec les climatiseurs. Le free cooling peut aussi s'adapter en rénovation. Il s'agirait de garder l'installation de froid existante et d'installer des équipements pour le free cooling. Le fonctionnement en free cooling se ferait dès que possible et lors de trop fortes chaleurs ou trop forts taux d'humidité (r max =10,5g g eau /kg air sec ), l'installation existante servirait d'appoint. Cette idée a plusieurs avantages : fonctionnement en froid gratuit tant que les conditions le permettent puis mise en route des machines thermodynamiques en fonctionnement mixte en mi-saison puis seules en été. Les anciennes installations du site constituent un secours idéal : faux plancher en place et armoires adaptées aux besoins (bonne puissance frigorifique, filtres et ventilateurs). Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 28

31 Commentaires Le free cooling n'est pas encore la solution idéale pour les datacenters à cause des débits d'air qu'il demande : gaines de plusieurs mètres de diamètres, puissance des ventilateurs énormes. Il convient davantage aux plus petites applications de climatisation ou aux sites neufs dans lesquels toute l'architecture du bâtiment est pensée pour le free cooling comme en témoigne le bon exemple du green datacenter Marilyn de l'opérateur Céleste avec un PUE de 1, Le rafraichissement adiabatique indirect Le rafraichissement adiabatique est une méthode simple, naturelle et très économique. Le fonctionnement est basé sur le phénomène d'évaporation : de l'air chaud et sec qui passe à travers un échangeur humide apporte l énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau. L eau est extraite de l'air et donc l air se refroidit. On travaille sur la température humide et non plus sur la température sèche de l'air. Le refroidissement adiabatique peut être : - direct : L'air frais humidifié est directement injecté dans le bâtiment. Celui-ci doit par conséquence être équipé d'une extraction d'air performante ; - indirect : Il y a un échange et non un mélange entre l'air neuf et l'air à refroidir via un échangeur. Ce système recourt à un type de centrale de traitement d'air. Il en existe qui sont adaptées aux datacenters et qui sont bien plus performantes que dans une solution de free cooling classique. Attention au choix du matériel, rappelons que les réglementations concernant les problèmes de légionellose interdisent les systèmes d'humidification par pulvérisation. Exemple d'une CTA avec rafraichissement adiabatique indirect par évaporation. Système mis au point par GEA Happel pour les datacenters. Elle comporte un double récupérateur à plaques, un système d'humidification par brumisation, plusieurs rangées de ventilateurs et une batterie froide pour l'appoint (Figure 44). Figure 44 : L'AdiaDENCO de GEA Happel Figure 45 : La CyberHandler de STULZ Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 29

32 Données techniques de l'adiadenco de GEA Happel : Puissance frigorifique : 100kWf Débit soufflé : m3/h Température de soufflage : 25 C Température de reprise : 38 C Les modes de fonctionnement : Température extérieure ( C) < 18 C 18 < T < 29 C > 29 C Vitesse des ventilateurs sur l'air rejeté Régulée Régulée Maximale Fonctionnement de l'humidification Non Oui Oui Fonctionnement de la batterie froide Non Non Oui Commentaires : - En France, en moyenne, on pourra fonctionner entre 70% et 90% de l'année en refroidissement naturel dont 20% en adiabatique. C'est seulement entre 10% et 30% de l'année qu'il faudra recourir à un système thermodynamique ; - Cette CTA permet de réaliser des économies considérables mais présente plusieurs défauts : elle est extrêmement coûteuse du fait des débits d'air très importants et nécessite beaucoup d'espace car il faut beaucoup de CTA et elles sont très volumineuses (7m de long et 4,5 tonnes) ; - Il est préférable de positionner les CTA en toiture à l'aplomb des salles pour réduire les distances de gaines et donc il faut plutôt choisir un bâtiment en longueur. Pour des besoins identiques en froid mais un bâtiment en hauteur, il faudra opter pour une solution en free chilling ; - Un tel système est très efficace dans de salles équipées de matériels récents. Tout l'intérêt va être de travailler avec une température de soufflage la plus élevée possible pour utiliser le système thermodynamique le moins possible.* Le free chilling Le free chilling signifie en anglais "refroidissement gratuit". Alors que le free cooling consiste à introduire de l'air extérieur frais dans un local ; le free chilling est un système de refroidissement obtenu à partir d'aéroréfrigérants (Figure 46) ou de tours de refroidissement. Il ne nécessite aucun apport d'énergie frigorifique et refroidit l'eau à la place du groupe de production d'eau glacée avec l'air extérieur sec ou humide tant qu'il est suffisamment froid. Figure 46 : Aéroréfrigérant Adiabatique - BAC Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 30

33 Pour travailler en free chilling, on va utiliser des aéroréfrigérants (Figure 47). Pour qu'il n'y ait pas de risques de légionellose, l'usage d'une tour de refroidissement est à exclure. De plus, un aéroréfrigérant consomme 80% d'eau en moins qu'une tour de refroidissement humide. Figure 47 : Aéroréfrigérant Adiabatique - Jacir Un aéroréfrigérant est un échangeur eau-air qui se place à l'extérieur. Il refroidit l'eau qui le traverse par passage naturel ou forcé de l'air extérieur. Il ne faut pas les confondre avec des condenseurs, ce n'est pas du fluide frigorigène qui circule à l'intérieur. Pour améliorer son efficacité, on choisira un aéroréfrigérant adiabatique (Figure 48). On place un média sur les parois de l'aéroréfrigérant et on l'humidifie. L'air extérieur au contact de ces parois humides va évaporer l'eau et va ainsi se refroidir. Avec un aéroréfrigérant, on va pouvoir refroidir un réseau d'eau gratuitement avec l'air extérieur sur une certaine plage de températures en sec. Au-delà, il faudra humidifier l'aéroréfrigérant et on pourra travailler sur une plage de températures extérieures plus grandes puisqu'on travaillera avec les températures humides. Figure 48 : Aéroréfrigérant sans et avec média humide Comme les datacenters ont des besoins constants toute la journée. L'intérêt de l'adiabatique se justifie d'autant plus car on pourra profiter de l'écart diurne qui est de 10 C en moyenne en France. De plus, une attention particulière est à porter au choix du pincement, il faut travailler avec un pincement le plus faible possible. On préconisera un pincement de 5 C en mode sec et de 2 C en mode adiabatique. Pour l'installation, on aura de nombreuses configurations possibles en fonction du système de production de froid et du type de projet. Datacenter existant en détente directe Il est impossible d'ajouter un mode free chilling à une installation existante en détente directe. Les armoires de climatisation n'étant pas prévues pour, on ne pourra pas ajouter une batterie pour faire du pré-refroidissement gratuit. Datacenter neuf en détente directe On trouve des armoires à 2 batteries : une première au-dessus fonctionne à eau glacée. Elle sera reliée à une boucle d'eau refroidie par un ou plusieurs aéroréfrigérants adiabatiques et permettra de pré-refroidir l'air en amont de la batterie froide à détente directe. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 31

34 Datacenter existant en eau glacée Dans ce cas, il est possible de faire du free chilling en faisant des travaux sur l'installation existante. Bien souvent le bureau d'études est face à des groupes de production d'eau glacée à condensation par air. Dans ce cas, il est possible de proposer d'installer des aéroréfrigérants adiabatiques sur le retour des groupes pour refroidir et pré-refroidir l'eau en hiver et en mi-saison. En fonction des conditions extérieures, on peut réduire de 30% à 45% la consommation des groupes de froid. Datacenter neuf en eau glacée On va choisir des condenseurs à eau pour des plusieurs raisons : 1/ Impact sur la consommation des groupes : Il permet d'avoir une température de condensation plus faible qu'avec un condenseur à air. On estime que les économies réalisées au condenseur sont de 3% par 1 C. Pour des conditions extérieures identiques, on peut avoir une différence de 8 C soit une économie de 24% sur les groupes de production d'eau glacée. 2/ Utilisation d'aéroréfrigérants adiabatiques : L'installation de free chilling nécessite des aéroréfrigérants adiabatiques. Le choix de condenseur à eau sera rapidement amorti car tout l'intérêt de cette installation est d'utiliser les aéroréfrigérants adiabatiques pour la réjection de chaleur et pour le free chilling. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 32

35 Le free chilling est encore mal connu et les installations qui l'utilisent ne vont que très rarement permettre d'exploiter entièrement le potentiel de rafraichissement gratuit mis à disposition. Compte tenu du surcoût qu'auront engendré les travaux, cela explique beaucoup de désillusions. Les installations que l'on trouve aujourd'hui fonctionne en mode alternée (solution américaine), elles recourent alternativement ou free chilling ou à une machine thermodynamique. Sur le schéma ci-dessous (Figure 49) est présenté un schéma de principe simplifié d'une installation fonctionnant en mode bivalent (solution Alain Garnier). Ce schéma est adapté aux niveaux de redondances des datacenters : 2 boucles d'eau glacée séparées. Sur une boucle on aura les armoires principales, sur la seconde, on aura les armoires redondantes. L'installation présente 2 aéroréfrigérants adiabatiques. En fonction de la saison, ils vont servir : - Eté : 2 pour la dissipation de chaleur des groupes ; - Mi-saison : 1 pour la dissipation de chaleur des groupes + 1 pour le free chilling ; - Hiver : 2 pour le free chilling. On voit bien que ce schéma de principe permet un mode mixte. Par une régulation judicieusement choisie, on pourra adapter le rôle des aéroréfrigérants en fonction de la température extérieur et on profitera au maximum du potentiel en free chilling. Figure 49 : Schéma de principe simplifié du free chilling en mode bivalent (Solution Alain Garnier) Il faut mettre à profit les nouvelles classes de l'ashrae qui permettent des plages de fonctionnement beaucoup moins strictes en ambiance, pour réhausser les régimes d'eau glacée et optimiser le potentiel de free chilling. Alors que des régimes en 7/12 C, 8/13 C sont majoritairement utilisés et qu'ils permettent d'utiliser le free chilling entre 20% et 30% de l'année, il faudrait préconiser des régimes entre 13/18 C ou 17/22 C qui permettent entre 30% et 50% d'économies d'énergie supplémentaires. Il faudrait également préconiser des groupes de production d'eau glacée avec des détendeurs électroniques pour permettre une modulation du régime d'eau en fonction des besoins de la salle. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 33

36 BILAN ET AVANTAGES A retenir sur les systèmes de refroidissement naturels Les avantages du refroidissement naturel sont nombreux : utilisation d'énergies renouvelables, utilisation de ressources inépuisables et gratuites, augmentation de la durée de vie des matériels, effet vitrine Il y a beaucoup plus d'avantages qu'une simple réduction de la facture énergétique. A noter que les éléments de refroidissement naturel n'ont pas besoin d'être surdimensionnés. Habituellement, les condenseurs des groupes de froid sont calculés pour une température extérieure de 40 C ou 45 C. Il sera possible de dimensionner les aéroréfrigérants pour 35 C et lors des périodes de canicule, le système thermodynamique prendra le relai. De même, ils n'ont pas besoin d'être en double car lors d'une panne, le système thermodynamique se met en route. Il est aujourd'hui plus que nécessaire d'intégrer une part de refroidissement naturel dans tous les datacenters. Pour construire les datacenters de demain, il faut que les hébergeurs et les énergéticiens travaillent ensemble. Il faut prendre en compte la situation géographique d'un datacenter (conditions extérieures et habitations) et travailler sur la typologie du bâtiment pour l'intégrer à son environnement et choisir une façon adaptée de le refroidir. Il faut que les salles puissent être refroidies soit en froid naturel seul, soit en système thermodynamique seul mais il faut aussi prévoir un fonctionnement mixte ou les deux modes sont couplés. Puis il faut installer une gestion intelligente du bâtiment pour qu'il soit autonome. Les armoires doivent pouvoir dialoguer entre elles pour se répartir les charges. Seuls les hébergeurs les plus importants ont de tels systèmes, nombreux datacenters choisissent une simple régulation interne à chaque armoire. Concernant les certificats d'économie d'énergie, il n'existe pas de fiche sur le rafraichissement adiabatique indirect ni sur le free chilling. L'ATEE et le CSTB n'ont peut-être pas pris conscience des économies d'énergies que l'on peut tirer de ces solutions. Ces solutions méconnues restent donc des solutions peu installées. Bilan général sur les systèmes de refroidissement Système Commentaires Applications Free cooling - Flux d'air énormes - Poussières INTERDIT direct - Pollution - Humidité Free cooling - Flux d'air énormes Adapté aux petits enthalpique - Installation complexe datacenters - Investissement énorme Rafraichissement - Problème d'autonomie en eau Adapté aux petits adiabatique - Forte maintenance datacenters indirect - Beaucoup de pertes de charges sur l'air Free chilling - Très favorable en Europe - Idéal pour des régimes d'eau glacée élevés - Fort investissement - Retour sur investissement < 4,5 ans Adapté à tous les types datacenters Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 34

37 Tableaux récapitulatifs sur le choix de la solution 1. Choix du système de production de froid Typologie < 1 kw/baie < 370 W/m² Densité De 1 à 10 kw/baie De 370 à 3700 W/m² > 10 kw/baie > 3700 W/m² Petit Datacenter. S < 500 m² Moyen Datacenter. De 500 à 1500 m² 1 niveau Plusieurs niveaux 1 niveau Plusieurs niveaux RAI + EG (air) ou FCO + DD DD + FCH ou EG (air) + FCH ou FCO + DD RAI + EG (air) ou FCO + DD DD + FCH ou EG (air) + FCH ou FCO + DD EG (air) + FCH avant les groupes de froid EG (air) + FCH avant les groupes de froid ou EG (eau) + FCH Mixte EG (eau) + FCH Mixte + Climatiseurs Complémentaires EG (eau) + FCH Mixte + Climatiseurs Complémentaires Grand Datacenter. > 1500 m² 1 niveau EG (air) + FCH avant les groupes de froid Plusieurs ou EG (eau) + FCH niveaux Mixte EG (eau) + FCH Mixte EG (eau) + FCH Mixte + Climatiseurs Complémentaires Légende DD = Système à détente directe FCO = Free cooling EG = Système à eau glacée FCH = Free chilling RAI = Rafraichissement adiabatique indirect 2. Choix du système de distribution et diffusion d'air Petit Datacenter. S < 500 m² Moyen Datacenter. De 500 à 1500 m² Grand Datacenter. > 1500 m² Typologie 1 niveau Plusieurs niveaux 1 niveau Plusieurs niveaux < 1 kw/baie < 370 W/m² Grilles de soufflage Grilles d'extraction Armoires de clim + faux plancher ou Faux plancher + Grilles de reprise Grilles de soufflage Grilles d'extraction Armoires de clim + faux plancher ou Faux plancher + Grilles de reprise 1 niveau Armoires de clim + Faux Plancher Plusieurs niveaux + Confinement Conseillé Densité De 1 à 10 kw/baie De 370 à 3700 W/m² Armoires de clim + Faux Plancher + Confinement Conseillé Armoires de clim + Faux Plancher + Confinement Conseillé Armoires de clim + Faux Plancher + Confinement Fortement Conseillé > 10 kw/baie > 3700 W/m² Armoires de clim + Faux Plancher + Confinement Obligatoire + Climatiseurs Complémentaires Armoires de clim + Faux Plancher + Confinement Obligatoire + Climatiseurs Complémentaires Armoires de clim + Faux Plancher + Confinement Obligatoire + Climatiseurs Complémentaires Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 35

38 3.5. Valorisation de la chaleur rejetée Un point sur le vocabulaire s'impose : - Chaleur de réjection : C'est la chaleur rejetée par les condenseurs des groupes de production d'eau glacée ; - Energies fatales : Ce sont toutes les énergies perdues par le bâtiment : la chaleur de réjection + la chaleur dégagée par les équipements informatiques. Il a été question à plusieurs reprises, d'évacuer la chaleur dégagée par les équipements vers l'extérieur. Il serait bien évidemment plus avantageux de tirer profit de cet air préchauffé. En fonction de la densité des baies, l'air pourra être à 35, 40 ou 45 C. La valorisation consiste à récupérer la chaleur dégagée par le site pour la réutiliser. Une valorisation intelligente consistera à valoriser toutes les énergies rejetées, c'est-à-dire les énergies fatales. Ces énergies fatales peuvent être réutilisées pour nous-même ou pour nos proches voisins. Valorisation pour soi-même Un datacenter est un bâtiment pouvant contenir des bureaux et d'autres salles ayant des besoins en chaud. Il est possible de rendre le bâtiment plus indépendant et autonome : - Chauffage des locaux annexes : Chauffage en faux plancher sans besoin de rehausser la température Valorisation en Hiver ; - Préchauffage ECS locaux annexes Valorisation toute l'année ; Ilots énergétiques et éco quartiers Il faut observer l'environnement d'un datacenter pour trouver comment valoriser ses énergies fatales. La proximité d'un bâtiment ayant des besoins en chaud constants toute l'année sera idéale, comme par exemple un hôpital, une piscine ou un centre aquatique. Les datacenters étant souvent dans des grandes villes, il est envisageable de faire de la revente à un réseau de chaleur. Pour cela il faudra remonter la température avec une pompe à chaleur adaptée. Il faudra choisir une PAC air-eau parmi les plus puissantes du marché qui pourra remonter la température jusqu'à 70 C pour que la revente soit intéressante comme sur le schéma simplifié (Figure 50). Figure 50 : Récupération de la chaleur Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 36

39 Ces installations sont très différentes car elles se font à plus ou moins grande échelle. Elles ont des couts d'installation très variés, engendrent des gains financiers plus ou moins importants et se déterminent au cas par cas. Rappelons qu'il n'existe pas de sectorisation en température dans les salles. Cependant un sectorisation en température pourrait être intéressante et permettrait d'adapter le système aux besoins de la salle. Les salles à faible densité pourraient être refroidies par des systèmes naturels et dans les salles à moyenne ou haute densité on pourrait récupérer la chaleur pour la valoriser. En se projetant vers l'avenir, on peut penser que dans 30 ans les écoquartiers seront la norme en France et en Europe. Dans cette logique, il faut dès maintenant commencer à valoriser les énergies fatales au sein d'ilots énergétiques. Il faudrait utiliser la chaleur de réjection des datacenters pour aider leurs proches voisins à chauffer leurs installations de génie climatique. Ainsi, on va se diriger vers les ilots énergétiques qui eux mèneront vers les écoquartiers. De même, il n'existe pas de fiche CEE qui met en avant la valorisation des énergies fatales. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 37

40 3.6. Les bonnes pratiques La première partie du stage a consisté à rassembler le maximum de connaissances. Il a s'agit de faire des recherches technologiques, de rencontrer des professionnels du monde de l'informatique et des visiter des datacenters en activité. Comme nous avons pu le voir, le manque d'outils de dimensionnement est pénalisant. Ainsi, l'objet de la seconde partie du stage a été de réaliser des utilitaires Excel pour avoir à disposition des outils permettant de prévoir les consommations et les performances énergétiques d'un site. La potentialité en free chilling On sait que les bureaux d'études sont limités car ils manquent d'outils adaptés au refroidissement naturel. Il n'est effectivement pas facile de prendre en compte l'impact d'un fonctionnement adiabatique dans les calculs. C'est pour cela qu'un premier utilitaire Excel a été réalisé pour prévoir les potentialités en Free Chilling pour une installation donnée (Annexe 2). Les paramètres à renseigner sont : le département, le type de bâtiment et ses heures de fonctionnement, le régime d'eau souhaité, le pincement de l'aéroréfrigérant. L'utilitaire donne alors les pourcentages de fonctionnement en sec et en adiabatique sur une année. Les consommations et les performances énergétiques Un outil de calcul prévisionnel des consommations et des performances énergétiques d'un site (Annexe 3) a ensuite été réalisé. C'est un outil complet dans lequel il faut renseigner : Les caractéristiques du site : année de construction, situation géographique, surface du site, surface des salles informatiques, système de refroidissement, pourcentages annuels de refroidissement naturel ; Le détail des consommations : o Equipements informatiques ; o Système de refroidissement avec séparation entre la production de froid et la distribution d'air dans les locaux ; o Alimentation électrique : TGBT, Onduleur, éclairage, etc Puis un bilan est présenté. Il donne une estimation des paramètres suivants : o Consommation globale [MWh] o Coût de la facture électrique annuelle [ /an] o PUE o DCEM Cet outil permet d'aboutir à une estimation des consommations et des indicateurs de performance d'un datacenter (PUE et DCEM). Il permet de voir immédiatement l'impact d'un choix technologique sur la consommation globale d'un site. Pour l'utiliser, il faut connaitre les installations ou bien on peut utiliser des ratios (fournis dans l'exemple ci-dessous). De plus, une aide est à disposition de l'utilisateur. Ces deux utilitaires sont l'aboutissement d'un long travail et se révèlent être des outils indispensables pour la conception ou la rénovation de datacenters. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 38

41 Méthodologie de dimensionnement Cette partie va servie de méthodologie pour les bureaux d'études. C'est une aide au dimensionnement du système de refroidissement d'un centre de données. Ici un exemple vous est présenté, il est accompagné de ratios et de conseils de dimensionnement. C'est l'exemple classique : datacenter de taille moyenne, équipé de matériel neuf et avec des baies en moyenne densité. 1. Données issues du cahier des charges o Situation géographique Reims o Typologie de bâtiment 2 étages o Surface bâtiment m² o Surface salles informatiques 900 m² Ratio : S salles infos = k.s bât Avec 0,5<k<0,7 o Surface locaux électriques 225 m² Ratio : S locaux élecs = S salles infos /k avec 2,5<k<4 o Nombre de salles 4 de 225m² chacune Ratio : 150m² < S salle info < 300m² o Nombre de baies /salle 86 Ratio : n baies = S salle info /k Avec 2,5<k<2,7 o Densité des baies 6 kw/baie o Technologie des équipements Equipements neufs ou moins de 1 an o Niveau de redondance 50% o Taux d'indisponibilité < 1h Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 39

42 2. Paramètres à déterminer o Urbanisation Allées chaudes / Allées froides Pour chaque salle, il faut prendre en compte : la surface de la salle, le nombre de baies et leur densité. Pour une salle rectangulaire classique, opter pour une urbanisation en allées chaudes / allées froides. Dès 10kW/baie, travailler avec confinement des allées froides. o Certification Tier Niveau Tier III o Conditions ambiantes 5 C<T amb <40 C, 8%<HR amb <85% (ASHRAE Classe 3) Elles se déterminent à partir de la technologie des équipements. En salle, les équipements sont très récents, ils pourront supporter ces conditions sans défaillance. Elles conviennent également aux nouvelles générations d'onduleurs. Généralement le client impose les conditions d'ambiances et elles sont bien plus strictes que nécessaires. Le bureau d'études doit mettre en œuvre son rôle de conseil et expliquer aux clients que des conditions moins strictes lui seront bénéfiques. o Conditions extérieures Fichier météo de la ville o Les besoins frigorifiques kwf / datacenter Salles informatiques : Besoins réels = 0,95 x 86 x 6 = 490 kw /salle Les besoins réels sont toujours dimensionnés pour des baies remplies à 100%. Dans la réalité, celle-ci seront remplies que entre 30 et 70% de leur capacité. On estime que 95% de l'électricité utilisée est transformée en chaleur par effet Joule. Locaux électriques : Le bureau d'études n'a pas toujours connaissance des appareils qui seront installés dans les locaux électriques. Il faudra utiliser le ratio suivant : Ratio : P frigo locaux élecs = P frigo salles infos /k avec 3<k<5 Besoins réels = (490*4) /5 = 390 kw 3. Système de refroidissement o Distribution d'air - Choix du système : Salles informatiques : Armoires à eau glacée avec une batterie, soufflage en faux plancher et reprise en haut des armoires ; Locaux électriques : Armoires à eau glacée avec une batterie, soufflage en haut de la face avant et reprise en face avant. - Température de soufflage : En considérant qu'une température de 30 C pourra être tolérée en entrée de serveurs et que la température peut se réchauffer de 2 C en faux plancher (longues distances et présence de câbles électriques), on va souffler à 24 ± 4 C. - Régime d'eau glacée : Le régime d'eau glacée se calcule avec la méthode de l'adp qui utilise le diagramme de l'air humide. La méthode de l'adp consiste faire un bilan thermique puis à calculer le rapport entre les gains sensibles et les gains latents : G S /G L. Ensuite, sur le diagramme de l'air humide, on trace une droite de pente G S /G L en passant par le point qui correspond aux conditions qu'on veut en ambiance. Lorsque la droite coupe la courbe de saturation, on lit la température : C'est le cœur de la batterie et avec un delta de ±3 C ou trouve le régime d'eau. Dans un datacenter, l'apport des parois ne représente que 5%, les 95% restants sont apportés par les équipements. On prendra une pente de 0,95. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 40

43 En prenant T amb = 28 C, 50%, je trouve un régime d'eau de 13/19 C. - Calcul des puissances frigorifiques à fournir : Je choisis un surdimensionnement de 15%. Salles informatiques : Puissance frigorifique = (1+0,15) x 490 = 560 kw / salle Locaux électriques : Puissance frigorifique = (1+0,15) x 390 = 450 kw / salle - Nombre d'armoires : Leur nombre dépend de la puissance à fournir et du niveau de redondance. Salles informatiques : Ratio : n armoires = S salle info /k avec 40m²<k<60m² n= (225/60) = 4 armoires / salle sont nécessaires n'= 1,50 x 4 = 6 armoires / salle sont à installer Choix d'armoires STULZ de 140kW, débit de soufflage maximal de m 3 /h. Locaux électriques : Ratio : n armoires = S local élec /k avec 40m²<k<60m² n= (225/60) = 4 armoires sont nécessaires n'= 1,50 x 4 = 6 armoires sont à installer Choix d'armoires STULZ de 110kW, débit de soufflage maximal de m 3 /h 24 armoires à soufflage en faux plancher + 6 armoires à soufflage en face avant o o Production de froid - Choix du système : Groupes de production d'eau glacée à condensation par eau, réjection de chaleur sur Aéroréfrigérants Adiabatiques. - Calcul des puissances des groupes : J'applique un surdimensionnement de 10% sur les besoins réels de la salle. Puissance frigorifique = (1+0,10) x (490 x ) = kw / datacenter - Nombre de groupes : Leur nombre dépend de la puissance à fournir et du niveau de redondance. Ratio : 1 groupe pour 1000kW froid maximum : n groupes <P frigototale /1000 n < (2580/1000) = 3 groupes sont nécessaires n'= 1,50 x 3 = 5 groupes sont à installer Choix de groupes à condensation par eau CLIMAVENETA de 860kW - Choix des aéroréfrigérants adiabatiques : Chaleur à évacuer = /3 = kw / groupe 5 aéroréfrigérants de 1.150kW seraient nécessaires mais comme il n'en existe pas dans le commerce, on en prendra 7 de 820 kw. Choix d'aéroréfrigérants adiabatiques JACIR de 820kW 5 groupes à condensation par eau + 7 aéroréfrigérants adiabatiques Refroidissement naturel - Choix du système : Intégration de la solution Alain Garnier. Elle consiste à mettre en commun les aéroréfrigérants de la réjection de chaleur des condenseurs et ceux du free chilling. Par le biais de plusieurs boucles d'eau et d'une régulation bien ajustée, on aura 3 modes de fonctionnement. Mode 100% free chilling l'hiver, mode mixte (free chilling + froid thermodynamique) en mi-saison et 100% froid thermodynamique l'été. - Calcul des économies réalisables : Estimation à partir de l'utilitaire Excel : 53% (28% en free chilling sec et 25% en free chilling humide) d'économies sur la consommation des groupes de production d'eau glacée. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 41

44 Estimations à l'aide de l'outil de calcul prévisionnel des consommations : Site sans free chilling Conso= MWh Site avec free chilling Conso= MWh Soit d'économie (calcul basé sur 8c /kwh) o Valorisation de la réjection - Choix de la solution : Chauffage des bureaux annexes - Economies réalisables : On pourra fournir entre 60% et 100% des besoins en chauffage des locaux annexes Les économies réalisables dépendent de la surface à chauffer et des conditions extérieures. 4. Les indicateurs de performance Ils sont estimés à l'aide de l'outil de calcul prévisionnel des consommations et des performances énergétiques d'un site : o PUE Sans free chilling 2,4 Avec free chilling 1,8 o DCEM Sans free chilling (XL,I) Avec free chilling (L,F) Il faudra prêter attention au rapport puissance/volume. Plus il est élevé, plus un concept de gestion thermique inapproprié sera lourd de conséquences et coûteux. Les fondamentaux Voici présentées ici, quelques règles fondamentales sur l'urbanisation et le dimensionnement des installations de refroidissement pour datacenter. Un suivi méticuleux de toutes ces règles permet de faire des économies d'énergies non négligeables pour ces sites qui sont de gros consommateurs d'énergie. Organiser la salle suivant le principe des allées chaudes et allées froides ; Homogénéiser la hauteur des baies dans les allées ; Pour les équipements de forte densité, fermer les allées en confinant les baies ; Positionner les équipements informatiques dans les baies de façon à répartir les puissances consommées et réduire l'apparition de points chauds ; Obturer les emplacements sans serveur. Gérer les débits d air par des armoires de climatisation à vitesses variables ; Définir une hauteur du faux plancher adaptée au débit d'air à fournir ; Calculer et sélectionner les dalles perforées pour les débits requis ; Réduire au minimum et organiser les obstacles à l intérieur du faux plancher ; Contrôler le refroidissement par des sondes placées sur les faces avant des baies ; Installer une gestion intelligente entre les armoires. Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 42

45 4. Visites de sites Benchmark de 3 sites visités : Ville Aubervilliers Reims Reims Surface du bâtiment (m²) Surface des salles informatiques (m²) Typologie de bâtiment Urbanisation m² m² 500 m² m² m² 280 m² Bâtiment tout en longueur. 2 niveaux Allées Chaudes / Allées Froides Bâtiment tout en hauteur. 4 niveaux Ancienne salle : aléatoire Nouvelles salles : Allées chaudes/froides Bâtiment tout en longueur. 1 niveau Allées Chaudes / Allées Froides Densité (kw/baie) > 5 kw/baie < 4 kw/baie < 1 kw/baie Confinement Hauteur faux plancher (cm) Type de climatiseurs locaux électriques Température de soufflage ( C) Type de climatiseurs salles informatiques Système de production de froid Température de soufflage ( C) Conditions en ambiance ( C) 70% des salles avec confinement sur l'allée froide Non Non Armoires : soufflage par face avant + split muraux (secours) Armoires : soufflage par le haut + split plafonniers Armoires : soufflage par face avant 24 ± 2 C 14 ± 1 C 21 ± 1 C Climatiseur hybride : 1 batterie à eau en free chilling + 1 batterie à détente directe Aéroréfrigérants secs pour le free chilling + compresseurs pour la détente directe Climatiseur à 2 batteries en détente directe hybride Chaque armoire à son condenseur à air Climatiseur à eau glacée à 1 ou 2 batteries Groupe de production d'eau glacée à condensation par air 22 ± 4 C 12 C 22 ± 1 C 18 à 27 C 20 à 80% 21 ± 2 C 20 à 80% 21 à 23 C HR > 40% Régime d'eau glacée / 15 C Capacité maximale du système de climatisation (kw) kw? 650 kw PUE Entre 1,4 et 1,8? 1,7-1,8 2,5 Tier Tier III+ Tier II Tier III Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 43

46 4.1 Datacenter TelecityGroup (Aubervilliers) Les armoires sont des modèles hybrides, elles possèdent 2 batteries superposées (Figure 51). La première batterie est une batterie à eau de pré-refroidissement, elle fonctionne en free chilling avec des aéroréfrigérants secs (Figure52). La seconde batterie est une batterie à détente directe qui sert de complément en été Ce système hybride est innovant mais il n'est pas optimisé car il ne permet pas un fonctionnement mixte (free chilling + machine thermodynamique) en mi-saison. De plus, les aéroréfrigérants ne fonctionnent pas en adiabatique. Lors des périodes de free chilling, on ne travaille qu'en température sèche. On estime qu'avec un fonctionnement adiabatique, on pourrait avoir entre 10 et 20% de gains supplémentaires. Figure 51 : Principe d'une armoire hybride Figure 52 : Principe de l'installation Régulation simple : elle se fait en fonction de la température extérieure. Dès que le free chilling n'est plus possible on passe en mode froid thermodynamique. Analyse critique : - Monter la température de soufflage permettrait de réduire le travail de la production de froid ; - Il faudrait changer les aéroréfrigérants secs pour des aéroréfrigérants adiabatiques : gain supplémentaires de 10 à 20% ; - Il faudrait confiner les baies pour une meilleure diffusion d'air ; - Il faudrait modifier la régulation pour pouvoir fonctionner en mode mixte (couplage free chilling + détente directe) en mi-saison. - Il n'y a qu'une seule boucle d'eau pour toutes les armoires. Pour avoir un meilleur secours sur la climatisation, il faudrait une seconde boucle d'eau. Il faudrait une boucle pour les armoires principales et une boucle pour les armoires redondantes. Compte rendu de visite : Annexe Datacenter Ikoula (Reims) Les armoires de la marque STULZ (Figure 53) possèdent 2 batteries à détente directe cote à cote. Il y a 2 circuits frigorifiques indépendants et doublement surdimensionnés pour assurer la redondance. Chaque armoire possède son condenseur à air de la marque GEA Happel dans lequel on distingue bien les 2 circuits distincts (Figure 55). Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 44

47 Figure 5327 : Armoire de climatisation avec 2 circuits frigorifiques Figure 54 : Schéma simplifié de l'installation Une future salle en construction sera urbanisée avec des modules de baies confinés sur l'allée froide avec des climatiseurs in-row uniquement. Analyse critique : - Monter la température de soufflage permettrait de réduire le travail de la production de froid ; - Il faudrait confiner les baies pour une meilleure diffusion d'air ; - Il faudrait changer l'installation de refroidissement pour une installation en eau glacée et y intégrer une part de refroidissement naturel. Compte rendu de visite : Annexe Datacenter Hexanet (Reims) Figure 55 : Condenseurs à 2 circuits frigorifiques Le froid est produit par deux groupes de production d'eau glacée à condensation par air indépendants de la marque CIAT (Figure 56). Dans chaque salle informatique de 140m², il y a 3 armoires à eau glacée de la marque CIAT (Figure 57) : - 1 armoire à 1 batterie sur le réseau d'eau glacée A - 1 armoire à 1 batterie sur le réseau d'eau glacée B - 1 armoire à 2 batteries sur les réseaux d'eau glacée A et B Figure 57 : Armoire de climatisation à eau glacée Figure 58 : Schéma de principe de l'alimentation des armoires Figure 56 : Groupe à condensation à air Tuteur : Armel JEGOU Septembre 2015 Page 45