Apports frigorifiques gratuits

1. Sur l’eau

Les puits sont parfois utilisés pour le système de refroidissement des data centers : les puits canadiens, sur nappe, sur rivière, sur eau profonde de lac ou de mer permettent d’assurer un refroidissement constant tout au long de l’année. L’eau à refroidir circule soit directement dans le puit, soit dans un échangeur de chaleur connecté à l’eau du puit.

Avec les puits sur eau profonde, la température de l’eau à refroidir peut diminuer jusqu’à 6°C.

Mais la réalisation des puits est limitée. La surface dédiée à un puit canadien pour un data center est considérable et les puits sur nappe, rivière, lac ou mer ne sont pas réalisables partout.

Le coût d’investissement est élevé mais l’économie réalisée est très importante. Le retour sur investissement est rapide. Selon la configuration du site et la difficulté des travaux, le retour sur investissement peut être de quelques années seulement (3 à 4 ans).

L’avantage des puits sur l’eau est leur prise en compte dans le dimensionnement de la puissance frigorifique à installer dans le data center. La puissance frigorifique à fournir est établie selon le cas le plus défavorable l’été. Or aux conditions extrêmes d’été, les puits

restent une source froide sûre. Ainsi, cet apport de froid gratuit au moment le plus défavorable permet de diminuer la puissance des équipements frigorifiques.

Il existe une autre méthode d’apport de froid gratuit, moins constante mais plus facile à mettre en place : le free cooling, qui permet un refroidissement sur l’air ou sur l’eau.

Le free cooling sur l’eau est possible dans une configuration de production de froid avec des aéroréfrigérants.

fig 34 : schéma de free cooling sur l’eau source : production personnelle

Classiquement, le groupe froid délivre par l’évaporateur de l’eau glacée et par le condenseur de l’eau chaude. L’eau chaude circule dans des tuyaux jusqu’en toiture, puis dans le serpentin de l’aéroréfrigérant. Les ventilateurs de l’aéroréfrigérant soufflent l’air extérieur sur le serpentin. Ce système est un véritable échangeur de chaleur statique air brassé / eau. Par échange thermique l’eau se refroidit d’un delta de température identique à celui de l’eau glacée. Cette égalité de delta de température est une habitude de conception, le delta de température du condenseur peut être plus important que celui de l’évaporateur.

Par exemple, l’eau chaude se refroidit de 52°C à 47°C et le groupe froid fournit de l’eau à 8°C pour un retour à 13°C. L’eau froide à 8°C circule dans le serpentin de l’armoire de climatisation. Les ventilateurs de l’armoire permettent un brassage de l’air ambiant sur le serpentin froid : il y a échange thermique (air brassé / eau). L’air se refroidit et l’eau se réchauffe jusque 13°C. A cette température l’eau circule jusqu’au groupe froid où elle est à nouveau refroidit à 8°C, etc.

Le free cooling sur aéroréfrigérant consiste en l’installation d’un circuit d’eau direct entre l’aéroréfrigérant et l’armoire de climatisation quoi by-passe le groupe froid. Dans le cas d’une température extérieure inférieure à 3°C, il est possible de faire circuler l’eau glacée à 13°C dans un échangeur à plaque. Cet échangeur de chaleur est alimenté d’un côté par l’eau glacée à 13°C et de l’autre par le circuit by-pass de l’aéroréfrigérant.

Le but est de refroidir l’eau glacée de 13°C à 8°C, il faut donc de l’eau dans le circuit by-pass à moins de 8°C en sortie d’échangeur. La température à l’entrée de l’échangeur du circuit by-pass doit être de 8°C moins le delta de température de l’eau glacée : l’eau en entrée d’échangeur doit être à moins de 3°C. Cette eau de by-pass circule dans le serpentin de l’aéroréfrigérant où elle se refroidit de 8°C à 3°C par brassage avec l’air extérieur. Ainsi l’air extérieur doit être inférieur à 3°C.

L’installation d’un échangeur entre les circuits d’eau glacée et de by-pass est fortement recommandée : on parle de free cooling indirect.

Le free cooling direct ne nécessite pas d’échangeur. Le problème majeure du fonctionnement direct réside dans le fait que l’eau glacée circule en partie à l’extérieur (au passage dans les aéroréfrigérants) et de ce fait l’injection de glycol est obligatoire pour la

sûreté du système. Une eau glycolée nécessite des pompes et des armoires de climatisation spécifiques. De plus, l’échange thermique au niveau de l’échangeur de l’armoire de climatisation est dégradé : l’eau glycolée un fluide ayant une capacité calorifique inférieure à celle de l’eau « normale ».

fig 35 : principe du free cooling indirect par eau source : www.eco-info.org/spip.php?article140

fig 36 : principe du free cooling direct par eau source : www.eco-info.org/spip.php?article140 Le free cooling par eau, direct ou indirect, a des limites :

- La période d’une température extérieure à 3°C est faible, voire quasi nulle selon les régions.

- L’installation coûteuse d’un réseau by-pass : tuyauterie calorifugée, pompe, échangeur statique.

- La valeur de 3°C extérieur est théorique, elle est évaluée rapidement sans prise en compte des rendements des deux échanges (serpentin aéroréfrigérant & échangeur à plaques), sans prise en compte de réchauffement par circulation à l’intérieur du bâtiment. En réalité il faut une température encore plus basse, proche de 0°C.

- A 3°C théorique, il y a un risque de condensation dans l’échangeur à plaques et ainsi une dégradation du rendement de l’échange est dégradé.

Le free cooling sur l’eau permet de ne pas utiliser les groupes froids et les pompes associées. Mais les aéroréfrigérants et les pompes réseaux fonctionnent toujours. La pompe du circuit by-pass fonctionne aussi lors du free cooling sur l’eau.

2. Sur l’air

Il est possible de refroidir un data center non pas en allant refroidir de l’eau et injecter cette dernière dans les groupes froids ou directement dans les armoires de climatisation, mais en allant chercher de l’air frais et de le souffler directement dans la salle informatique sans passer par le système de refroidissement.

Il existe plusieurs moyens d’apporter de l’air frais dans le data center :

- Les souterrains : ils sont très rares mais ils représentent un réservoir d’air à température constante toute l’année ; ils sont à prendre en compte dans le dimensionnement de la puissance frigorifique à installer, de la même façon que les puits. Au vue de la rareté des souterrains, nous ne développerons pas leur utilisation.

- L’air extérieur : lorsque sa température est inférieure à celle de la consigne d’air soufflé.

Sauf quelques exceptions, le free cooling sur l’air extérieur est le mode de refroidissement gratuit le plus disponible sur Terre. Les exceptions sont les pays très chauds où l’air extérieur est supérieur à la consigne de soufflage toute l’année.

Le free cooling sur air extérieur est justifié quelque soit l’implantation géographique du site : - Dans un climat chaud, le free cooling permet l’arrêt du système de refroidissement l’hiver et pendant les nuits d’été.

- Dans un climat plus frais, la période disponible de free cooling est étendue.

Habituellement dans un data center, la température de l’air soufflé par les armoires de climatisation est de l’ordre de 15°C. Le free cooling s’effectue jusqu’à 14°C extérieur ; il est compté 1°C de réchauffement par le ventilateur de la centrale de traitement d’air.

fig 37 : moyenne des températures diurnes en mars (2001-2010) source : neo.sci.gsfc.nasa.gov/Search.html?datasetId=MOD11C1_M_LSTDA

Free cooling diurne en mars : l’Europe, les Etats-Unis, le Canada, la Russie et le Japon sont des régions où le free cooling sur l’air est possible une majeure partie de la journée (moyenne journalière inférieure à 14°C).

fig 38 : moyenne des températures nocturnes en mai (2001-2010) source : neo.sci.gsfc.nasa.gov/Search.html?datasetId=MOD11C1_M_LSTDA

Free cooling nocturne en mai : l’Australie, l’Afrique du Sud, le Chili et les pays Caucasiens s’ajoutent à la liste pour un free cooling nocturne.

fig 39 : moyenne des températures diurnes en mai (2001-2010) source : neo.sci.gsfc.nasa.gov/Search.html?datasetId=MOD11C1_M_LSTDA

Free cooling diurne en mai : possible uniquement dans le nord du Canada, de l’Europe et de la Russie, le sud de l’Argentine et du Chili.

Par exemple à Bordeaux, durant 57,2% de l’année la température extérieure est inférieure ou égale à 14°C. En heures cumulées cela représente 209 jours par an, dont 142 jours (=

4,75 mois) entre novembre et mars (= 5 mois).

Pour déterminer le débit d’air soufflé par free cooling dans la salle informatique il faut se référer aux armoires de climatisation.

La puissance frigorifique des armoires de climatisation est surdimensionnée afin de consommer moins. Lorsque les besoins en froid sont faibles, le taux de charge diminue et ainsi la puissance frigorifique de l’armoire diminue. Mais le débit soufflé reste stable afin de maintenir une pression statique disponible maximale. En effet, si le débit soufflé diminue, la pression statique disponible diminue et le flux d’air circule mal, voire pas du tout s’il y a de nombreux obstacles (cas du faux plancher). Donc le débit d’air soufflé par les armoires de climatisation n’est pas surdimensionné, seule la puissance frigorifique l’est.

Le débit d’air soufflé par free cooling est égal au débit total disponible dans la salle informatique.

Le débit soufflé par free cooling est donc très important.

Dans un data center, le volume d’amenée d’air neuf est faible : les besoins en renouvellement d’air son faibles car il n’y a aucun dégagement d’humidité ou de composés organiques volatiles par le matériel informatique. Le réseau de la centrale de traitement d’air neuf est trop petit pour le free cooling, il faut installer de nouvelles centrales dédiées.

Ces centrales sont constituées de :

- Un caisson de mélange afin d’obtenir par mélange entre air repris et air neuf un air soufflé à 15°C.

- Un séparateur de gouttelettes dans le cas d’un air extérieur très humide.

- Un humidificateur dans le cas d’un air extérieur très sec.

- Un ventilateur avec variateur de vitesse.

- Des filtres G4 (les filtres F7 sont intégrés aux armoires de climatisation).

Il faut aussi :

- Un réseau de soufflage et de reprise, avec registres de soufflage, diffuseurs et grilles, clapets coupe-feu.

- Des sondes de température dans la salle informatique pour le retour de l’information sur la centrale.

- Un échangeur de chaleur dans le cas où l’air extérieur est impropre : trop humide ou trop pollué (chargé en particules), dans ce cas on parle de free cooling indirect.

fig 40 : principe du free cooling direct par air source : www.eco-info.org/spip.php?article140

fig 41 : principe du free cooling indirect par air source : www.eco-info.org/spip.php?article140

Le free cooling sur l’air permet de ne pas utiliser le système complet de refroidissement : groupes froids, aéroréfrigérants, pompes évaporateur, pompes condenseur, pompes réseaux. Seules les centrales dédiées au free cooling fonctionnent. Leur consommation est très faible par rapport à la consommation du système de refroidissement complet.

Les coûts d’investissement sont très importants. Selon la zone géographique, le retour sur investissement est très rapide (seulement 1 à 2 ans).