Réduction de la consommation énergétique des datacenter : optimisation du conditionnement d air, influence de. l architecture

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1 Réduction de la consommation énergétique des datacenter : optimisation du conditionnement d air, influence de Orange Labs l architecture David Nörtershäuser, Recherche & Développement Stéphane Le Masson, Recherche & Développement 15/03/2011

2 Sommaire 1 Introduction 2 Quelques chiffres significatifs 3 Pistes de réduction de consommation 4 Conclusions et Perspectives Recherche & Développement Colloque Tic & Energie 15/03/2011 Lannion

3 1 Introduction Qu'est ce qu'un datacenter? Source Wikipédia Un centre de traitement des données est un service généralement utilisé pour remplir une mission critique relative à l'informatique et à la télématique. Il comprend en général un contrôle sur l'environnement (climatisation, système de prévention contre l'incendie, etc.), une alimentation d'urgence et redondante, ainsi qu'une sécurité physique élevée Recherche & Développement Colloque Tic & Energie 15/03/2011 Lannion

4 2 Quelques chiffres significatifs Global France (2006) Télécom = 1.5% de la demande nationale Représente 3.1 TWh/an France Télécom (2006) Conso Globale FT = 1.7 TWh (Fr) Consommation énergétique par Réseau (Thèse L Souchon 2008) Evolution aux US de la consommation des Datacentres Recherche & Développement Colloque Tic & Energie 15/03/2011 Lannion

5 2 Problème physique à résoudre Bâtiment 100% livraison Alimentation électrique Groupe Electrogène ASI 40% 55% Chaleur Salle Datacenter Chaleur 99% 45-50% PDU Climatisation Froid Télécom Négligeable Recherche & Développement Colloque Tic & Energie 15/03/2011 Lannion

6 2 Métrique et Bilan PUE=Energie totale/energie équipements IT Les PUE des Datacenter varient Dépend de l'architecture, de la localisation, de la "définition d'un Datacenter" etc. Exemple Source Etude LBNL => Cible "best pratice" = Recherche & Développement Colloque Tic & Energie 15/03/2011 Lannion

7 2 Bilan Le conditionnement d'air présente des disparités énormes Exemple : Pour évacuer 1kW de chaleur => 1kw de froid 0.3 kw électrique (Cop =3) Ici : Pour évacuer 1kW de chaleur => 1 kw électrique (Cop =3) => 3kw de froid Il est nécessaire d'optimiser 1 Le Conditionnement d'air 2 L'alimentation électrique 3 L'architecture informatique Recherche & Développement Colloque Tic & Energie 15/03/2011 Lannion

8 3 1 Optimisations possibles => Informatique Optimiser les serveurs Reprendre la base du problème Chipsets Refroidissement Processeurs qui se réveillent seulement quand on en a besoin? Faut-il utiliser les processeurs les plus puissants pour toutes les applications? Cloud computing / Virtualisation? Pas propriétaire des serveurs Rechercher des ressources chez les autres Partage des calculs Optimisation Recherche & Développement Colloque Tic & Energie 15/03/2011 Lannion

9 3 2 Optimisations possibles Energie Utilisation d'autres sources? Photovoltaïque Revente à EDF? 0,4 à 0.6 /kwh Retour sur Inv > 15 ans Production < 0.1% de la conso du Datacenter (NO de la France) Eolien Tarif de rachat assez peu attractif (8,5 c /kwh pendant 10 ans, puis entre 2,8 et 8,5 c /kwh pendant 5 ans selon les sites) Nombreuses contraintes par rapport au site Pile à Combustible Ca sera une solution intéressante Pas encore mature Recherche & Développement Colloque Tic & Energie 15/03/2011 Lannion

10 3 Optimisations possibles : Environnement climatique Optimiser le conditionnement d'air Elargir les plages de fonctionnement Définir une architecture de bâtiment

11 3 Optimisations possibles : Environnement climatique (1) Optimiser le conditionnement d'air => Aéraulique de la salle But : utiliser au mieux l'air froid pour refroidir les équipements télécom

12 3 Optimisations possibles : Environnement climatique (2) Elargir les plages de fonctionnement Constat: Décalage important entre les spécifications climatiques des constructeurs d'équipements informatiques, et les plages climatiques appliquées dans nos salles: Températur e Hygrométr ie Spécifications climatiques C % des constructeurs Consignes généralement en vigueur dans les DC de FT C % Conséquences: Consommation énergétique énorme des climatisations: Exemple: environ 2 GWh / an pour climatiser une salle de 1000 m 2

13 Démarche expérimentale: Inventaire des équipements présents dans une salle "typique", recherche des spécifications climatiques "constructeurs", et définition de la plage commune à tous les équipements Instrumentation thermique de la salle et de la climatisation associée 1 ère phase de mesure: état des lieux, sans toucher aux réglages existants Suivi climatique et énergétique Bilan aéraulique s'il y a lieu Proposition de modifications 2 nde phase de mesure: fonctionnement avec plages élargies Suivi climatique et énergétique Suivi fonctionnel de la climatisation Bilan comparatif, avec estimation des économies d'énergie réalisées 2 nd palier d'élargissement) Bilan final, avec perspectives de déploiement

14 Exemple: Paris

15 Déroulement de l'expérimentation Température à la reprise ( C) (Consignes de régulation à la reprise) ETSI 3-1 conditions normales Plage commune équipements informatiques Plages initiales constatées à Murat Plages élargies (1er palier) Plages élargies (2nd palier) Humidité relative à la reprise (%) Bilan Etat des lieux 1 er palier 2 nd palier Température ( C) Hygrométrie (%) Consommation d'énergie de la climatisation 170 MWh par mois -10 % -20 % Après 1 année complète de suivi dans les conditions du 2 nd palier: Aucun dysfonctionnement signalé au niveau des baies informatiques Aucune anomalie signalée au niveau du fonctionnement de la climatisation

16 CONCLUSIONS sur l'élargissement des plages climatiques Etude très concluante en cours de généralisation à FT Economies d'énergies minimales attendues: entre 10 et 20 % (suivant les sites) de la consommation énergétique des climatisations Principales limites à cet élargissement : - Vis-à-vis des équipements: la principale limite est, dans le cas des DC à forte charge thermique, le délai d'intervention en cas de panne de clim, qui doit être maintenu à une valeur acceptable Influence du bâtiment sur la montée en Température

17 Problématique Flux solaire Pclim Extraction Peq Apport d'air neuf Pdéperditions Papports Nécessité de maintenir les équipements dans des plages climatiques restreintes. La consommation et le dimensionnement du système de conditionnement d'air dépendent de : La puissance des équipements, Des conditions extérieures (localisation), De la constitution du bâtiment, De l'utilisation de l'air extérieur.

18 Etat de l'art Les règles de thermique du bâtiment sont édictées pour le bâtiment résidentiel Résidentiel => On veut réduire le chauffage Datacenter => On veut évacuer la chaleur -> Nécessité de définir des règles de conception répondant à la problématique télécom Les questions auxquelles on doit apporter une réponse: Quelle architecture adopter? Quels matériaux? Stratégie d'utilisation de l'air externe?

19 Etat de l'art: Data centers actuels Flux solaire Puissance équipements Extraction d'air Text Air neuf Dimensions type: Longueur: 6 m, Largeur: 2,3 m Hauteur: 2,7 m - Pas de dissipation par les parois - Pas d'utilisation de l'air externe (Free-cooling) -->Surconsommation énergétique des climatisations

20 Objectifs à courts terme Proposer des actions permettant une réduction énergétique significative du conditionnement d'air Sur quels leviers agir? Stratégie d'utilisation de l'air externe (Free cooling) Dimensionnement, régulation Définition d'une enveloppe de bâtiment Formes Matériaux Agencement

21 Développement d'un modèle numérique prédictif Text (t) Flux solaire Modèle (t) Peq numérique HRext (t) Tamb (t) HRamb (t) - Permet de traiter un grand nombre de cas dans un délai raisonnable Température ( C) /07/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/2007 Date Heure 1200 Peq Températures ( C) Tb1-1 Tb2-2 Tair 1000 Densité de puissance (W/m²) /07/ /08/ /08/ /08/ /08/ Confirmations expérimentales requises Date Heure 10/08/ /08/ /08/ /08/ /08/2007 -Mesures Labo -Mesures sur les premiers sites qui seront issus de ces recommandations /07/ /08/ /08/ /08/ /08/2007 Date Heure 10/08/ /08/ /08/ /08/ /08/2007

22 Résultats de simulation : conception bâtiment Simulations numériques sur la conception de petits bâtiments (L(6m)* l(2.3m)*h (2.7m))) Configuration climatique : Eté 2003, Carpentras => quelle est la limite de Puissance? Flux solaire Extraction Extérieur Intérieur Extérieur Intérieur Apport d'air neuf Peq Avec utilisation d'une ventilation optimisée Puissance max admissible W/m3 W/m² Bâtiment de référence (parois en parpaings de 10) Parois en parpaings de Isolation interne Isolation externe Paroi en béton de 20 cm Mur ventilé Matériaux à changement de phase Puits provençal Parpaing e=20cm Polystyrène extrudé e=10cm Polystyrène Parpaing e=20cm extrudé e=10cm Isolant Extérieur Béton Tpcm1 Ventilation Béton Tpcm2 Intérieur

23 3 Optimisations possibles : Environnement climatique (3) Simulations expérimentales sur la conception de petits bâtiments Simulations sur la plateforme CLIM@LAN : 3 Maquettes de bâtiments Puissance dissipée = 200W /m3 45 Cas 1: Parpaings creux + dalle béton Cas 2: Béton + dalle en Béton Cas 3: Béton + PCM37 + PCM28 40 Ventilation Températures ( C) M1 Tamb haute M2 Tamb haute M3 Tamb haute Ventilation 15 3/12/08 3/12/08 3/12/08 4/12/08 4/12/08 4/12/08 4/12/08 4/12/08 5/12/08 5/12/08 5/12/ :00 18:48 23:36 4:24 9:12 14:00 18:48 23:36 4:24 9:12 14: Recherche & Développement Colloque Tic & Energie 15/03/2011 Lannion Date Heure

24 Conclusions & perspectives Problématique énergétique et climatique des datacentres va devenir de plus en plus préoccupante Des solutions simples peuvent être proposées Nécessité de faire des mesures quel service consomme combien de W? Beaucoup de chemin à faire pour réduire les PUE vers Pour réduire la consommation des équipements Des travaux sont à mener en prenant le problème dans sa globalité (Equipement IT, alimentation en énergie, conditionnement d'air, bâtiment, supervision de l'environnement etc etc ) Se poser les bonnes questions lors de la construction d'un nouveau centre : Lieu? Risques? Architecture etc etc

25 Merci