Systèmes de refroidissement des centres de données

Concepts du système de refroidissement

Dans un centre de données, la consommation énergétique du système CVC dépend de trois facteurs principaux : les conditions extérieures (température et humidité), l'utilisation de stratégies d'économie et le principal type de refroidissement. Tenez compte des éléments suivants :

1. La consommation d’énergie CVC est étroitement liée aux niveaux de température et d’humidité extérieures. En termes simples, l’équipement CVC récupère la chaleur du centre de données et la transfère à l’extérieur. Plus la température de l'air extérieur est élevée (et plus le niveau d'humidité est élevé pour les systèmes refroidis par eau), plus de travail est requis de la part des compresseurs pour abaisser la température de l'air jusqu'aux niveaux requis dans le centre de données.
2. L'économie pour les systèmes CVC est un processus dans lequel les conditions extérieures permettent de réduire la puissance du compresseur (ou même d'autoriser l'arrêt complet des compresseurs). Ceci est réalisé en fournissant de l'air extérieur directement au centre de données (économiseur d'air direct) ou, comme dans les systèmes refroidis par eau, en refroidissant l'eau, puis en utilisant l'eau froide à la place de l'eau réfrigérée qui serait normalement créée à l'aide de compresseurs.
3. Différents types de systèmes CVC ont différents niveaux de consommation d'énergie. Et les différents types de systèmes fonctionneront différemment selon les climats. À titre d'exemple, dans les climats chauds et secs, les équipements refroidis par eau consomment généralement moins d'énergie que les systèmes refroidis par air. À l’inverse, dans les climats plus frais où les niveaux d’humidité sont plus élevés, les équipements refroidis par air consommeront moins d’énergie. La maintenance et l’exploitation des systèmes auront également un impact sur l’énergie (peut-être l’impact le plus important). En fonction du type de système de refroidissement, la température de l'air soufflé et les niveaux d'humidité admissibles dans le centre de données auront une influence sur la consommation énergétique annuelle.

PRINCIPAUX TYPES D’ÉQUIPEMENT DU SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT

Centrales de refroidissement

D'une manière générale, les systèmes de refroidissement seront connectés à une installation de refroidissement centrale qui génère de l'eau glacée ou de l'eau de condenseur pour une utilisation dans les unités de traitement d'air à distance ou CRAH. La décision d'utiliser une centrale peut être prise pour de nombreuses raisons différentes : taille de l'installation, plans de croissance, fiabilité de l'efficacité et redondance, entre autres. Généralement, une installation centrale comprend des équipements primaires tels que des refroidisseurs et des tours de refroidissement, des canalisations, des pompes, des échangeurs de chaleur et des systèmes de traitement de l'eau. En règle générale, les installations centrales sont utilisées pour les grands centres de données et ont la capacité d'une expansion future.

Équipements d'usine refroidis à l'eau

Les installations d'eau glacée comprennent les refroidisseurs (refroidis par air ou par eau) et les tours de refroidissement (si refroidies par eau). Ces types d’installations de refroidissement sont complexes dans leur conception et leur fonctionnement, mais peuvent produire une efficacité énergétique supérieure. Certains des refroidisseurs à eau très efficaces actuels offrent une consommation d'énergie qui peut être inférieure de 50 % à celle des modèles existants.

Équipement d'usine refroidi par air

Semblable à l’installation de refroidissement refroidie par eau, l’installation de refroidissement refroidie par air peut être complexe, mais efficace. En fonction du climat, le refroidisseur consommera plus d'énergie chaque année qu'un refroidisseur à eau de taille comparable. Pour minimiser cela, les fabricants proposent des modules économiseurs intégrés au refroidisseur qui utilisent l'air froid extérieur pour extraire la chaleur de l'eau glacée sans utiliser de compresseurs. Des refroidisseurs secs ou des refroidisseurs par évaporation sont également utilisés pour prérefroidir l'eau de retour vers le refroidisseur.

Équipement à détente directe (DX)

Les systèmes DX ont le moins de pièces mobiles puisque le condenseur et l’évaporateur utilisent de l’air comme fluide caloporteur et non de l’eau. Cela réduit la complexité, mais peut également réduire l’efficacité. Une variante de ce système consiste à refroidir le condenseur à l'eau, ce qui améliore l'efficacité. (Les unités CRAC refroidies par eau entrent dans cette catégorie.)

Systèmes de refroidissement par évaporation

Le refroidissement par évaporation utilise le principe selon lequel lorsque l’air est exposé à une pulvérisation d’eau, la température sèche de l’air est réduite à un niveau proche de la température humide de l’air. La différence entre le bulbe sec et le bulbe humide de l’air est connue sous le nom de dépression du bulbe humide. Dans les climats secs, le refroidissement par évaporation fonctionne bien, car la dépression du bulbe humide est importante, ce qui permet au processus d'évaporation d'abaisser considérablement la température du bulbe sec. Le refroidissement par évaporation peut être utilisé conjointement avec n’importe laquelle des techniques de refroidissement décrites précédemment.

Économie d'eau

L’eau peut être utilisée à de nombreuses fins pour refroidir le centre de données. Il peut être refroidi via un cycle de compression de vapeur et envoyé vers l'équipement de refroidissement du terminal. Il peut également être refroidi à l'aide d'une tour de refroidissement atmosphérique utilisant les mêmes principes d'évaporation et utilisé pour refroidir les compresseurs ou, s'il fait suffisamment froid, il peut être envoyé directement vers les dispositifs de refroidissement des terminaux. L’objectif d’une stratégie d’économie d’eau est d’utiliser le moins possible le refroidissement mécanique et de s’appuyer sur les conditions de l’air extérieur pour refroidir l’eau jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire pour générer la température d’air soufflé requise. Lorsque le système est en mode économiseur, seuls les ventilateurs de l'unité de traitement d'air, les pompes à eau glacée et les pompes à eau du condenseur fonctionneront. L'énergie nécessaire au fonctionnement de ces équipements doit être soigneusement examinée pour garantir que les économies réalisées grâce à l'utilisation d'un économiseur d'eau ne seront pas diminuées par une consommation d'énergie excessivement élevée du moteur. Les centres de données qui utilisent des serveurs refroidis à l'eau, comme dans une installation informatique haute performance, peuvent utiliser de l'eau beaucoup plus chaude en raison de la capacité du serveur à maintenir la température interne en utilisant de l'eau à une température beaucoup plus élevée que celle généralement observée.

Économisation directe

L'économie directe signifie généralement l'utilisation directe de l'air extérieur sans utiliser d'échangeurs de chaleur. Les systèmes d’économiseurs d’air extérieur direct mélangeront l’air extérieur avec l’air de retour pour maintenir la température d’air soufflé requise. À des températures de l’air extérieur comprises entre celle de l’air soufflé et celle de l’air repris, une économie partielle est réalisable, mais un refroidissement mécanique supplémentaire est nécessaire. Le refroidissement par évaporation peut être utilisé à ce stade pour étendre la capacité d’utiliser l’air extérieur en réduisant la température du bulbe sec, en particulier dans les climats plus secs. Une fois que la température de l’air soufflé ne peut plus être maintenue, le refroidissement mécanique démarre et commence à refroidir la charge. Une fois que les niveaux de bulbe sec et d'humidité extérieurs ont atteint des limites acceptables, l'équipement de refroidissement supplémentaire s'arrêtera et les registres d'air extérieur s'ouvriront pour maintenir la température. Pour de nombreux climats, il est possible d’effectuer une économie d’air directe toute l’année avec peu ou pas de refroidissement supplémentaire. Il existe des climats où la température extérieure sèche convient aux économies, mais le niveau d’humidité extérieure est trop élevé. Dans ce cas, une stratégie de contrôle doit être mise en place pour tirer parti de la température sèche acceptable sans risquer de condensation dans le centre de données ni entraîner involontairement des coûts énergétiques plus élevés.

Économisation indirecte

L'économie indirecte est utilisée lorsqu'il n'est pas avantageux d'utiliser l'air directement de l'extérieur à des fins d'économie. L'économie indirecte utilise les mêmes principes de contrôle que les systèmes d'air extérieur direct. Dans les systèmes directs, l’air extérieur est utilisé pour refroidir l’air repris en mélangeant physiquement les deux flux d’air. Lorsque l'économie indirecte est utilisée, l'air extérieur est utilisé pour refroidir un échangeur de chaleur d'un côté qui refroidit indirectement l'air de retour de l'autre côté, sans contact entre les deux flux d'air. Dans les systèmes à évaporation indirecte, de l’eau est pulvérisée sur une partie de l’échangeur thermique où passe l’air extérieur. L'effet évaporatif abaisse la température de l'échangeur thermique, réduisant ainsi la température de l'air extérieur. Ces systèmes sont très efficaces dans de nombreux climats, même humides. Puisqu'un échangeur de chaleur indirect est utilisé, un ventilateur est nécessaire pour aspirer l'air extérieur à travers l'échangeur de chaleur, parfois appelé ventilateur de récupération. Cette puissance du moteur du ventilateur n’est pas négligeable et doit être prise en compte dans l’estimation de la consommation d’énergie.

Options d'économie

• Il existe plusieurs approches et technologies différentes disponibles lors de la conception d’un système d’économie. Pour les conceptions d’économiseurs indirects, la technologie des échangeurs de chaleur varie considérablement.
  1. Il peut s’agir d’un échangeur de chaleur rotatif, également appelé roue thermique, qui utilise la masse thermique pour refroidir l’air repris en utilisant l’air extérieur.
  2. Une autre approche consiste à utiliser un échangeur de chaleur à flux croisés.
  3. La technologie des caloducs peut également être intégrée dans une stratégie d’économie indirecte.

Au sein de ces options, il existe plusieurs sous-options pilotées par l'application spécifique qui, à terme, éclaireront la stratégie de conception de l'ensemble du système de refroidissement.