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 :
- 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.
- 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.
- 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.
Cooling System Comparison Tables for HVAC Professionals
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.
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.
Cooling System Types Comparison
| System Type | Efficacité énergétique | Climate Suitability | Complexité | Entretien | Capital Cost |
|---|---|---|---|---|---|
| Water-Cooled Central Plant | Très haut | Hot & Dry Climates | Haut | Haut | Haut |
| Air-Cooled Central Plant | Modéré | Cool & Humid Climates | Modéré | Modéré | Moderate-High |
| Direct Expansion (DX) | Lower | All Climates | Faible | Faible | Low-Moderate |
| Evaporative Cooling | Haut | Hot & Dry Climates | Modéré | Modéré | Modéré |
| Water-Cooled Servers | Très haut | Any Climate | Haut | Haut | Très haut |
Economizer Types and Applications
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.
- 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.
- Une autre approche consiste à utiliser un échangeur de chaleur à flux croisés.
- La technologie des caloducs peut également être intégrée dans une stratégie d’économie indirecte.
| Economizer Type | Principe de fonctionnement | Efficiency Gain | Best Climate Applications | Limites |
|---|---|---|---|---|
| Direct Air | Uses outside air directly | 25-40% | Temperate, Low Humidity | Air Quality, Humidity Control |
| Indirect Air | Heat exchange without mixing airstreams | 15-30% | Wider Range of Climates | Additional Fan Power Required |
| Water-Side | Cooling tower water for free cooling | 20-35% | Moderate to Cool Climates | Water Treatment Needs |
| Rotary Heat Exchanger | Thermal mass transfer via wheel | 60-80% effectiveness | All Climates | Moving Parts, Maintenance |
| Heat Pipe | Passive heat transfer | 45-65% effectiveness | All Climates | Fixed Capacity |
| Cross-Flow Heat Exchanger | Air-to-air heat transfer | 50-70% effectiveness | All Climates | Exigences spatiales |
HVAC Energy Consumption Factors
| Facteur | Impact Level | Optimization Strategy | Potential Savings |
|---|---|---|---|
| Outdoor Temperature | Haut | Economization, Night Cooling | 15-35% |
| Outdoor Humidity | Moyen-élevé | Indirect Cooling in Humid Areas | 10-25% |
| Supply Air Temperature | Haut | Raise Set Points Where Possible | 2-4% per °C increase |
| Economization Strategy | Très haut | Climate-Appropriate Selection | 20-50% |
| Equipment Efficiency | Haut | Modern High-Efficiency Equipment | 30-50% vs. Legacy |
| Entretien | Haut | Regular Preventive Maintenance | 10-30% |
Evaporative Cooling Performance
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.
| Climate Type | Wet-Bulb Depression | Cooling Effectiveness | Energy Savings vs. Conventional |
|---|---|---|---|
| Hot & Dry (e.g., Phoenix) | 11-22°C | 70-90% | 60-80% |
| Hot & Humid (e.g., Miami) | 1-5°C | 20-40% | 5-15% |
| Temperate (e.g., San Francisco) | 6-10°C | 50-65% | 30-50% |
| Cold & Dry (e.g., Denver Winter) | 8-15°C | 60-75% | 40-60% |
| Cold & Humid (e.g., Chicago Winter) | 1-3°C | 15-30% | 10-20% |
Water Economization Temperature Ranges
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.
| Application | Water Supply Temp | Economizer Activation Point | Annual Economizer Hours (Temperate Climate) |
|---|---|---|---|
| Traditional CRAH Units | 7-12°C | <18°C Wet-Bulb | 3,000-5,000 |
| Elevated Temperature CRAH | 15-20°C | <24°C Wet-Bulb | 5,000-7,000 |
| Water-Cooled Servers | 25-35°C | <32°C Wet-Bulb | 7,000-8,500 |
| Rear Door Heat Exchangers | 18-22°C | <27°C Wet-Bulb | 5,500-7,500 |
