Audrey CHOPITON Génie Climatique et Energétique INSA de Strasbourg BE Alain Garnier Projet de Fin d Études : Les Green Datacenters AUDIT DATACENTER HEXANET Visite du 18/06/2015
Table des matières I) Remerciements... 3 II) Introduction... 3 III) Etude complète de l'installation... 5 1) Fonctionnement des groupes de production d'eau glacée... 5 2) Etude de l installation... 7 3) Etudes des consommations actuelles (cas de référence)... 9 IV) Propositions d'amélioration... 10 1) Optimisation de la diffusion d air climatisé... 10 2) Augmentation du régime d eau glacée... 10 3) Pré-refroidissement naturel des groupes de froid existants... 11 4) Remplacement des groupes de production d'eau glacée par des groupes à condensation par eau... 12 2
I) Remerciements La visite d Hexanet s est effectuée dans le cadre de mon stage de fin d études afin d étudier le système de climatisation de ce datacenter. J ai effectué une première visite d observation qui fut fort intéressante. Le site est récent et bien réalisé alors j ai demandé à effectuer une seconde visite. Lors de ce second passage, j ai étudié plus en détails le fonctionnement de l installation, j ai pu prendre des mesures, étudier les consommations et poser de nombreuses questions. Je tiens tout particulièrement à remercier M. Arthur JOLY et M. Stéphane LOCATELLI pour leur accueil, leur aide et leur gentillesse. Ils m ont tous deux consacrés beaucoup de temps et se sont montrés très coopératifs. M. JOLY et M. LOCATELLI m'ont fourni des données qui sont souvent difficiles à obtenir et qui ont rendu l'étude de leur installation très intéressante et utile dans le cadre de mon stage de fin d'études. Grace à la coopération de M. JOLY et M. LOCATELLI, j ai pu réaliser cet audit. Je commence par décrire la situation, puis je décris l installation, ensuite viendront les propositions d améliorations et les économies réalisables. II) Introduction Rappel de la situation : Le projet de la construction d'un nouveau site a été mené par Pertuy construction. La partie CVC a été menée par Imhoff. Le site a été livré clés en main fin janvier, une première phase de migration de serveurs de leur ancien site a été faite fin mars. L installation de froid a été réalisée simplement pour être fonctionnelle. De nombreuses optimisations peuvent être faites, c est ce que nous aborderons. Dans la conception du bâtiment, 2 salles informatiques de 140m² chacune ont été construites cote à cote. Pour prévoir une éventuelle extension, la structure a été prévue pour ajouter 2 salles supplémentaires sur la toiture terrasse des salles existantes. Ainsi la surface IT totale pourrait atteindre 560m². Les murs sont constitués de 20cm de béton armé, pas d isolation, pas d ouverture vers l extérieur et pas d éclairage naturel. 3
Actuellement seule 1 salle est équipée (faux plancher, armoire de climatisation, baies informatiques) et occupée à 80% (46 baies en place sur une disponibilité de 58 baies). La migration entre l'ancien datacenter et le nouveau est en cours. Le taux de remplissage de la salle est exactement de 29%. Le refroidissement a été dimensionné pour les 2 salles informatiques, avec une occupation de 58 baies par salle, et je suppose, un taux remplissage supérieur à 50%. Ceci nous donne une climatisation énormément dimensionnée par rapport à l'occupation actuelle. Le système de climatisation est composé de CRACs à une batterie à eau glacée et d un groupe de production d eau glacée à condensation par air. Tous les équipements sont de marque CIAT. Dans la salle informatique, la climatisation suit une logique allée chaude / allée froide avec soufflage en faux plancher, reprise par le haut des CRACs et CRACs placés le long des murs. Elle ne comporte pas de baie confinée. Dans les locaux électriques, pas de faux plancher : soufflage en haut et reprise en face avant des CRACs. Salle Informatique Locaux Electriques Le site est raccordé sur la fin de la même boucle d'edf, sur l'allé et le retour. Sur le site, l'électricité et la climatisation sont redondés avec même un double niveau de redondance sur la climatisation. Le site est donc un Tier III. Salle informatique 1 : Elle comporte 4 rangées de 11 ou 12 baies et 3 CRACs (=Armoires de climatisation) répartis sur 140m² pour une répartition maximale de 4 rangées de 15 baies. Remplissage des baies : 29% Densité : 27kW/salle, ce qui correspond à 590 W/baie 4
III) Etude complète de l'installation 1) Fonctionnement des groupes de production d'eau glacée Groupes de production d'eau glacée à condensation par air de marque CIAT. Chaque groupe froid contient 2 circuits frigorifiques indépendants assurant une redondance de la production de froid. Chaque circuit contient : - 2 compresseurs hermétiques scroll en cascade (=en parallèle), - 3 condenseurs à air en série, - 1 déshydrateur, - 1 voyant de liquide, - 1 détendeur électronique. - 1 évaporateur (commun aux deux circuits) 5
EER Quelques détails : Pièce verte en sortie de compresseurs : Sondes de pression, permettent de suivre la haute pression et de couper l installation si la HP monte trop haut Pièce en laiton en sortie de compresseurs : clapet anti retour, pour ne pas que le fluide liquide retourne au compresseur. C est un clapet anti coup de liquide Performances des groupes de froid (fournies par CIAT) : Charge (%) 100 75 50 40 30 20 10 EER 3,11 3,78 4,30 4,52 4,75 4,97 5,20 6 5 4 Titre du graphique 3 2 y = -0.0226x + 5.425 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Charge (%) 6
2) Etude de l installation Simplification du schéma électrique du courant fort : Voici un relevé de la consommation au niveau des TGBT : Les groupes fonctionnent en alternance par période de 30 minutes. Ainsi la salle est alimentée en permanence par 2 armoires. Lorsque les groupes se mettent en route, sur les courbes on observe un pic de 21kW de consommation supplémentaire ce qui correspond à la consommation de groupes de froid. Calcul simplifié du PUE moyen du 18/06/2015 : Consommation TGBT A : 37,5 kw Consommation TGBT B : 31,1 kw Consommation TDO A : 15,3 kw Consommation TDO B : 12,9 kw PUE référence = 37,5+31,1 = 2, 43 15,3+12,9 Ce PUE de référence est en dessous de la moyenne européenne (2,53) mais est supérieur à 2 ce qui montre qu on est bien loin d une consommation optimisée. 7
Mesures relevées sur site : Groupe Froid A Groupe Froid B Circuit 1 Circuit 2 Circuit 1 Circuit 2 T extérieure ( C) 19.0 19.0 Energie MWh 57.9 63.4 T départ eau ( C) 9.0 8.6 8.8 8.5 T retour eau ( C) 11.2 10.4 10.9 10.9 HP (bar) bar 20.7 19.0 21.0 12.7 T condenseur ( C) 35.6 19.5 36.3 18.2 BP bar 8.1 9.3 8.0 9.3 T évaporateur ( C) 3.8 8.4 3.9 8.2 T aspiration ( C) 9.3 16.4 10.4 15.6 Surchauffe ( C) 5.4 8.4 6.3 7.4 T réf1 ( C) 62.0 27.0 66.0 29.0 T réf2 ( C) 67.0 30.0 39.0 26.0 T fluide frigo ( C) 4.3 87.0 4.7 8.3 T liquide ( C) 33.1 19.2 31.2 18.4 Commentaires : - Les valeurs relevées en température et pression pour le circuit 2 des groupes A et B sont incohérentes. Cela s'explique simplement par le fait que les besoins en froid sont très faibles et le fonctionnement du circuit 1 seul permet de satisfaire aux besoins. - Plus de consommations sur le TGBT A. Normal car c est le TGBT A qui s occupe de l éclairage, du chauffage, de la sécurité et de la CTA. Tracé du cycle du circuit 1 du réseau A : 8
3) Etudes des consommations actuelles (cas de référence) Calculs simplifiés des besoins en froid actuels : Aperditions 1 Hiver (kw) Aperditions Eté (kw) Equipements Informatiques 28 28 Bâtiment 0 17,15 Eclairage 1,12 1,12 Occupant 0,14 0,14 TOTAL 29,3 46,4 Besoins réels moyens sur une année de ((29,3+46,4)/2 = 37,9kWf et groupes de froid dimensionnés pour délivrer chacun 300kWf ce qui fait une production de froid 8 fois surdimensionnée. Si la charge actuelle se maintenait sur une année, on pourrait avoir : - Besoins froid annuels : 37,9 * 8760= 332 MWh /an - Hypothèse : EER à 25%=4,75 (L EER est en quelque sorte le rendement de la machine) - Consommation annuelle des GF : 332/4,75 = 70 MWh / an En prenant en compte le tarif EDF du site : En prenant les approximations suivantes : - Abonnement à 0,6 c /kwh - Consommations a 5,2 c /kwh Energie (MWh) Coût ( /an) Consommation actuelle 121,3 7035 Consommation théorique 70 4060 Actuelle la production de froid induit une surconsommation de 51,3MWh électrique, ce qui représente un surcout de près de 3000. 1 Aperdition = Dissipation de chaleur 9
IV) Propositions d'amélioration Avant tout chose, il est nécessaire de préciser que pour chaque proposition d amélioration que je soumets, j ai étudié les fiches techniques des produits. Ces propositions sont basées en partie sur des hypothèses car je n ai jamais reçu les descriptifs techniques détaillés de la part de CIAT malgré de nombreuses relances. Elles ont toutefois, toutes été vérifiées par mes 2 responsables : M. GARNIER, M. AUBSPIN. Voici les personnes dont j ai pu bénéficier des aides et des conseils techniques. M. Alain GARNIER : Directeur Innovation du BE Alain Garnier M. AUBSPIN : Président de Phosphoris Dans ce datacenter, nous l'avons vu, le PUE n'est pas bon. Nous sommes face à une installation où la climatisation est très fortement surdimensionnée par rapport à la charge de la salle. La réduction des consommations électriques du site passe avant tout par la diminution des consommations induites par le refroidissement. Le BE Garnier, filiale de Phosphoris, met son savoir-faire au service de Hexanet. Voici quelques propositions d améliorations permettant de réduire les consommations de manière significative. 1) Optimisation de la diffusion d air climatisé Il a été prouvé que l utilisation de cache baie avait un impact non négligeable sur la diffusion de l air climatisé. Il est nécessaire d'en installer de façon systématique pour maximiser la diffusion d'air. 2) Augmentation du régime d eau glacée Dans la salle informatique 1, la consigne est de Ts=22±1 C. Cette consigne est à la fois basse et stricte. Il est possible d'agir sur la température de soufflage sans altérer le bon fonctionnement du matériel informatique. En supposant que les salles informatiques du site soient de classe A1 parmi les classes de l ASHRAE, on peut tolérer une température de 30 C en entrée des serveurs, soit une température de soufflage de 26 C, 40% et un régime d eau glacée de 13/18 C. L augmentation de la température de soufflage permet une augmentation du régime d eau glacée. 10
3) Pré-refroidissement naturel des groupes de froid existants Dans le système de climatisation, un des équipements sur lequel il est le plus facile de réduire les consommations est généralement le groupe de production d'eau glacée. Il est très fortement conseillé, dans les régions situées dans la moitié Nord de la France de choisir un système de refroidissement naturel pour pouvoir refroidir le réseau d'eau glacée gratuitement une bonne partie de l'année. Ici, l'installation ne contient que des groupes de production d'eau glacée à condensation par air, c'est donc les groupes qui doivent refroidir la totalité de l'eau toute l'année. Avec quelques travaux, il est possible de profiter du climat rémois pour pré-refroidir le groupe froid existant gratuitement en hiver et mi-saison. 11
4) Remplacement des groupes de production d'eau glacée par des groupes à condensation par eau Il est également possible de changer les groupes de production d'eau glacée pour des groupes à condensation par eau. D'après mes estimations, on pourrait bénéficier d'un refroidissement par free chilling plus de la moitié de l'année. Ce qui signifie que pendant toute cette période, les compresseurs sont à l'arrêt et que des économies très importantes peuvent être réalisées. Recommandations : Il faut des groupes de production d eau glacée avec un meilleur EER Préférer des compresseurs à vis qui ont une durée de vie plus longue Installer les aéroréfrigérants adiabatiques de façon à permettre un free chilling en mi-saison. La solution proposée permet un free chilling en hiver et mi-saison. - Hiver : 100% en free chilling, les groupes sont à l'arrêt - Mi-saison : Un aéroréfrigérant est utilisé pour le free chilling et permet de pré-refroidir l'eau. Un groupe est en fonctionnement et apporte le complément de froid. Le second aéroréfrigérant sert pour la réjection et évacue les calories du groupe. - Eté : Les 2 groupes produisent le froid et les 2 aéroréfrigérants servent pour la réjection. Remarque : La bouteille de mélange est utilisée pour homogénéiser les fluides. Elles sert à mélanger l eau de réjection venant des 2 groupes de production d eau glacée pour mieux répartir le chaud à évacuer au niveau des 2 aéroréfrigérants. Les canalisations se piquent directement dessus, il n y a pas de vannes, de pompes ni de contrôle électrique. L homogénéisation est basée sur la stratification des températures au sein de la bouteille. Ensuite il faut piquer judicieusement les canalisations sur la bouteille. 12