Configuration du programme TRNSYS

est créé selon la méthode décrite au chapitre 5. Il est programmé grâce au logiciel Matlab, et est

intégré dans le programme TRNSYS sous forme de Type.

7.3. Configuration du programme TRNSYS

Il s’agit maintenant de présenter la façon dont sont modélisés le fonctionnement et la

consommation des équipements de refroidissement dans le logiciel TRNSYS. Dans le chapitre 6,

nous présentions les modèles mathématiques employés pour simuler les différents composants

hydrauliques qui forment le système. Or, la plupart d’entre eux nécessite un calibrage de leurs

constantes à partir de données fournies par les fabricants de matériel. Les chapitres suivant

présentent donc les méthodes et les sources documentaires utilisées pour identifier ces paramètres.

7.3.1. La Pompe à chaleur Type_666

Comme nous l’avons décrit dans le chapitre 8.2, il est nécessaire de fournir la Capacité nominale

𝐶𝑎𝑝

_{𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑}

de la PAC et le coefficient de performance 𝐶𝑂𝑃

_{𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑}

associé. Dans cette étude, le

𝐶𝑂𝑃

_{𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑}

= 4.5 proposé par défaut dans TRNSYS est maintenu, et la Capacité est déterminée en

fonction de la puissance dissipée par les serveurs informatiques. Celle-ci étant de 32kW, la capacité

correspondante est donc de 115 200 kJ/h. Or il est d’usage de sur-dimensionner l’équipement de

30% par mesure de sécurité, la capacité 𝐶𝑎𝑝

_{𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑}

retenue est donc de 150 000kJ/h.

De manière à simuler le comportement de la machine, 2 fichiers annexes supplémentaires sont

requis, chacun indiquant la variation des performances en fonction des conditions d’utilisation :



Le premier document fournit la valeur du 𝐶𝑂𝑃

_{𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜}

et du 𝐶𝑎𝑝

_{𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜}

, en fonction de la

température de consigne 𝑇

_{𝑐ℎ𝑖𝑜}

dans le circuit évaporateur, et de la température de retour

𝑇

_𝑐𝑜𝑖

dans le circuit condenseur



Le second donne la variation de la capacité de la PAC 𝐹𝐹𝐿𝑃 en fonction de son taux de

charge 𝑃𝐿𝑅

Le logiciel TRNSYS, fournit des documents « par défaut », indiquant des valeurs de 𝐶𝑂𝑃

_{𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜}

,

𝐶𝑎𝑝

_{𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜}

et 𝐹𝐹𝐿𝑃, pour différentes conditions de fonctionnement de la PAC. Selon D. Bradley,

ingénieur pour la société TESS, ces données sont issues d’une recherche sur la normalisation des

équipements HVAC et notamment des pompes à chaleurs. Dans une autre étude, Monfet [25],

fournit des valeurs pour une machine de type The CenTraVac CVHF910 Trane utilisant un

réfrigérant R-123. Les coefficients𝐶𝑂𝑃

_{𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜}

, 𝐶𝑎𝑝

_{𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜}

qui sont utilisés sont comparés à ceux de

TRNSYS sur les graphes ci-dessous :

7 Simulation et optimisation des consommations d’un centre de calcul de 32kW

(a) 𝑪𝒂𝒑

_{𝒓𝒂𝒕𝒊𝒐}

pour 𝑻

_𝒄𝒐𝒊

= 𝟑𝟎°𝑪 [25] ^(b) 𝑪𝑶𝑷

_{𝒓𝒂𝒕𝒊𝒐}

pour 𝑻

_𝒄𝒐𝒊

= 𝟑𝟎°𝑪 [25]

Figure 123 : Comparaison des coefficients 𝑪𝒂𝒑𝒓𝒂𝒕𝒊𝒐 et 𝑪𝑶𝑷𝒓𝒂𝒕𝒊𝒐 en fonction de 𝑻𝒄𝒉𝒊𝒐

Les deux études font apparaitre des différences de comportement entre les indices, en fonction

de la température de consigne 𝑇

_{𝑐ℎ𝑖𝑜}

. Les données utilisées par Monfet révèlent une performance

inférieure de la machine TRANE par rapport au fichier par défaut de TRNSYS. De plus il

semblerait que la PAC n’accepte pas de température de consigne supérieure à 8°C dans le circuit

évaporateur. Dans notre étude, et afin d’anticiper le cas le plus défavorable, nous combinerons les

deux courbes comme indiqué en pointillés noirs sur les Figure 123.

Finalement, concernant le coefficient 𝐹𝐹𝐿𝑃 en fonction du taux de charges, les deux fichiers

sont sensiblement différents. Ils sont représentés par les deux courbes Figure 124 :

Figure 124 : évolution du coefficient 𝑭𝑭𝑳𝑷 selon le taux de charge

Une fois de plus, les données expérimentales fournies par Monfet [25], révèlent que la PAC

TRANE est moins performante que celle par défaut proposée par TRNSYS. C’est donc les

données de [25] qui seront utilisées dans nos simulations.

7.3.2. La tour de refroidissement Type_51

Afin d’assurer une redondance, les tours de refroidissement des centres de calcul sont souvent

composées de plusieurs cellules. Ce type de conception est fréquent dans les datacenters récents

[27] et permet d’éliminer tout risque de dérive de température dans la salle informatique en cas de

panne d’un équipement :

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 FF LP [ 0 -1] Taux de charge [0-1] TRANE DEFAUT

7.3 Configuration du programme TRNSYS

Figure 125 : schéma d’un tour de refroidissement à 3 cellules

Les trois cellules fonctionnent de manière indépendante : une ou plusieurs cellules peuvent être

arrêtées pendant que les autres sont en marche. Le débit d’eau entrant dans la tour est

équitablement réparti entre les cellules en fonctionnement. Toutes les cellules partagent la même

cuve. Finalement, les ventilateurs des différentes cuves possèdent les mêmes caractéristiques

(puissance max 𝑃

_{𝑣𝑒,𝑚𝑎𝑥}

et débit max 𝑀

_{𝑣𝑒,𝑚𝑎𝑥}

).

Les caractéristiques de la tour qui sont utilisés dans cette étude, proviennent du fabricant Delta

cooling pour le modèle « pioneer forced draft » et sont synthétisées dans le Tableau 22 suivant :

Tableau 22 : Caractéristiques du modèle de tour de refroidissement

D’après les références de TRNSYS [63], il est très difficile d’obtenir les coefficients 𝑐

_{𝑡𝑜𝑢𝑟}

et

𝑛

_{𝑡𝑜𝑢𝑟}

autrement que par l’expérience. Dans cette étude, nous utiliserons donc les valeurs fournies

par Monfet et al [25].

Dans cette configuration « classique » de groupe froid, seulement 2 cellules sur 4 sont utilisées,

les 2 autres ne démarrent qu’en cas de panne de l’une des deux premières. Les débits de leurs

ventilateurs sont contrôlés par un seul régulateur PID, qui fait varier son signal de contrôle afin de

maintenir une température de 𝑇

_{𝑠𝑢𝑚𝑝}

= 16°𝐶.

7.3.3. L’échangeur de chaleur air/eau

L’échangeur air/eau est responsable du conditionnement de l’air chaud rejeté par les serveurs.

Ce dernier est sélectionné dans la gamme du constructeur Alpha Laval et est adapté au soufflage

en plénum :

Symbole Description valeur unité

𝑁𝑏𝑐𝑒𝑙𝑙 Nombre de cellule 4 /

𝑀

_{𝑣𝑒,𝑚𝑎𝑥}

Débit d’air maximum par cellule 4000 m

3

/h

𝑃

𝑣𝑒,𝑚𝑎𝑥

Puissance maximum du ventilateur 1120 W

𝑉

_{𝑠𝑢𝑚𝑝}

Volume de la cuve 2.4 m

3

𝑐

_{𝑡𝑜𝑢𝑟}

Constante du transfert de masse 1.2 /

7 Simulation et optimisation des consommations d’un centre de calcul de 32kW

Figure 126 : Représentation et schéma de fonctionnement du THOR-LSV

Le THOR-LSV Datacenter air cooler posséde les caractéristiques nominales suivantes :

𝑇

_{𝑎𝑖𝑟 𝑖𝑛}

= 36,5°𝐶, 𝑇

_{𝑎𝑖𝑟 𝑜𝑢𝑡}

= 24°𝐶, 𝑇

_{𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝑖𝑛}

= 15°𝐶, 𝑇

_{𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝑜𝑢𝑡}

= 21°𝐶, pour une puissance

nominale transférée de 78 000W. Un 𝑈𝐴 = 31 707 𝑘𝐽 ℎ. 𝐾⁄ est donc calculé selon les équations

6.27 et 6.26 et sera retenu pour la suite des études.

Cette valeur obtenue permet au modèle de déterminer l’efficacité de l’échangeur 𝜀

_𝐻𝑋

puis la

puissance transférée par l’échangeur 𝑄

_𝐻𝑋

. Par la suite les équations de (8.23) sont appliquées pour

calculer les températures des deux fluides en sortie de l’équipement.

7.3.4. Les pompes de circulation

Le groupe froid requiert 2 pompes de circulation pour maintenir les débits d’eau dans les

circuits condenseur et évaporateur du système. Afin de déterminer les valeurs des coefficients 𝑎

₀

,

𝑎

₁

et 𝑎

₂

, permettant de les modéliser (chapitre 8.2.5), nous utilisons les informations données dans

le catalogue du constructeur Wilo Veroline. La suite présente un exemple pour une pompe à débit

constant de la gamme IPL 40/110. La courbe de puissance en fonction du débit est présentée sur

la Figure 127 :

(a) Pompe Wilo IPL 40/110

(c) Courbe de fonctionnement normalisé

(b) Courbe de fonctionnement IPL 40/110

Figure 127 : caractéristiques et modélisation de la pompe Wilo-Veroline-IPL-80



Les Figures (a) et (b) ci-dessus sont issues du catalogue du fabricant de pompe Wilo [70].

D’après la courbe de fonctionnement, le débit maximal que peut fournir la l’équipement

est 𝑚

_{𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑}

= 6,45 𝑚

3

⁄ℎ_{, ce qui requiert une puissance électrique de} 𝑃

_{𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑}

= 101 𝑊.



La courbe de puissance figure (c) en bleu est issue de la courbe (b) et adimensionnée par le

débit 𝑚

_{𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑}

et la puissance 𝑃

_{𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑}

. La ligne en noire représente une approximation linéaire

de la courbe de puissance normalisée.

y = 0,6935x + 0,3065 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 P ui ss an ce n o rm al isé e [p/p rat ed]

7.3 Configuration du programme TRNSYS

Afin de modéliser cet équipement, les coefficients obtenus seront utilisés dans l’équation (6.31)

avec 𝑎

_{1,𝑝𝑜𝑚}

= 0,3065, 𝑎

_{2,𝑝𝑜𝑚}

= 0,6935. Ces données étant issues d’un constructeur, le modèle

permet de tenir compte des imperfections et du rendement du matériel. Finalement, ce type de

pompe est utilisé pour assurer les débits des circuits condenseur et évaporateur (P1 et P2 sur la

Figure 119).

7.3.5. Le ventilateur de l’armoire CRAH

Le modèle utilisé pour simuler le ventilateur est comparable à celui des pompes de circulation

décrit précédemment. Il s’agit de déterminer un débit et une puissance maximum, puis de définir

un comportement, à l’aide des courbes de fonctionnement. Afin de calibrer le composant, nous

utilisons les données du constructeur Trane pour un ventilateur de type M-Series [69]. La sélection

est réalisée dans le catalogue-produit en considérant le débit d’air requis. Selon les hypothèses

utilisées pour créer le modèle ROM POD, le débit maximum que doit fournir le ventilateur est de

𝐷

_{𝐶𝑅𝐴𝐻}

= 6400 𝑚

3

⁄ℎ_{. Le ventilateur répondant le mieux à ces besoins est le suivant :}

Débit

nominal ^{Pression statique} nominale maximale ^{Vitesse Puissance} maximale ^Puissance minimale

m3/h Pa tr/min kW kW

6796 1495 3595 5,592 0,7456

Tableau 23 : Extrait du catalogue pour un ventilateur M-series 8P

Les courbes de ventilation correspondantes sont fournis Figure 128 :

Figure 128 : courbe ventilation Débit/Pression

La Figure ci-dessus permet de déterminer le débit que peut fournir le ventilateur en fonction

de la perte de charge du système et de la vitesse de rotation. Comme il n’est pas possible de

connaitre la courbe de perte de charge exacte de notre réseau de ventilation, nous sélectionnons

une courbe moyenne correspondant à 70% de la performance du ventilateur à l’air libre (en vert

Figure 128). Grace à la courbe, nous pouvons donc déterminer que le système aura un débit

maximum de 𝐷

_{𝑣𝑒,𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑}

= 8325 𝑚

3

⁄ℎ correspondant à une puissance max 𝑃

_{𝑣𝑒,𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑}

=

5592 𝑚

3

⁄ℎ (Tableau 23). Finalement, cette dernière valeur nous permet de calculer la puissance

instantanée du ventilateur selon l’équation (6.32) dont les coefficients prendrons les valeurs

7 Simulation et optimisation des consommations d’un centre de calcul de 32kW

7.3.6. Création du modèle transversal dans le Studio

L’environnement « Studio » de TRNSYS permet d’arranger et de connecter les modèles de

composants entre eux de manière à simuler le système :

Figure 129 : visualisation du modèle de groupe froid

« classique » dans TRNSYS Studio

Sur la Figure 129 ci-dessus, les connecteurs en rouge définissent le circuit condenseur du

système, qui relie la tour de refroidissement à la pompe à chaleur. La pompe de circulation

fonctionne à un débit constant de 3 m

3

/h. La tour de refroidissement est reliée au modèle

climatique qui lit les données issues de la base METEONORM pour le climat de la ville de

Bordeaux. Un régulateur PID contrôle la température de l’eau dans la cuve et la maintient à 16°C

en faisant varier le débit des ventilateurs des 2 cellules en fonctionnement.

Le réseau de connecteur en bleu définit le circuit évaporateur (circuit froid). La température de

l’eau en sortie de la PAC est une consigne, fixée à 𝑇

_{𝐶𝐻𝐼,𝑜}

= 10°𝐶, correspondant au point de

fonctionnement où la machine bénéficie du meilleur COP Figure 123. Le débit d’eau est assuré par

une seconde pompe de circulation à vitesse variable. Un régulateur PID module le débit à partir

d’une sonde de température positionnée dans le flux d’air à la sortie de l’échangeur air/eau, afin de

maintenir une température de consigne 𝑇

_𝐶𝑂

= 17°𝐶.

Finalement, les connecteurs noirs définissent le circuit de l’air dans la salle des serveurs et à

travers l’armoire de ventilation CRAH. Le Type_155 sert d’interface avec le logiciel Matlab et le

modèle réduit (POD) de la salle informatique programmé. La vitesse du ventilateur est modulée en

fonction d’un régulateur PID qui contrôle la température des équipements 𝑇

_𝐼𝐼

et fait varier le débit

d’air afin de maintenir l’installation en dessous d’une température 𝑇

_{𝑠𝑒𝑐𝑢}

= 32°𝐶. Celle-ci à été

choisie en fonction des recommandations de l’ASHRAE et correspond à la température maximale

autorisée en entrée d’un serveur.

Grâce à ce modèle, une simulation est réalisée avec TRNSYS, sur une année complète (du 1

er

Janvier au 31 Décembre), et avec un pas de temps de 30min. Les résultats qui sont observés lors

de la simulation sont les suivants :

7.4 Analyse des consommations avec une configuration « classique »

Dans le document Optimisation énergétique du rafraichissement des datacenters (Page 166-172)