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Mise en place d’un Economiseur à Eau (IWSE)

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

7.6. Mise en place d’un Economiseur à Eau (IWSE)

L’objectif d’un système de free-cooling (appelé Economiseur) est d’utiliser au mieux les

conditions climatiques, afin de diminuer le besoin de production d’eau froide par la pompe à

chaleur. Comme nous l’avons vu dans la partie 1 Etat de l’art, ces systèmes peuvent être séparés en

deux catégories :

Les systèmes à air : lorsque les conditions extérieures sont favorables, cette technique

permet d’utiliser directement l’air extérieur pour refroidir les équipements informatiques

dans la salle des serveurs. Ce choix permet de réaliser des économies d’énergie importantes

7.6 Mise en place d’un Economiseur à Eau (IWSE)

mais pose de nombreux problèmes, tels que l’élimination des particules qui nécessite la

mise en place de filtres à air, ou la gestion du taux d’hygrométrie.

Le système à eau : cette technique utilise un échangeur de chaleur eau/eau entre les circuits

évaporateur et condenseur de la PAC. Ainsi une partie de la chaleur extraite de la salle

informatique est directement transférée et évacuée par la tour de refroidissement. Les gains

en énergie réalisés sont moindres, mais il présente d’autres avantages.

o

L’air qui refroidit les serveurs tourne en circuit fermé, il n’y a donc pas de risque

supplémentaire en terme d’hygrométrie ou de traitement des particules.

o

Le système ne requiert que l’ajout d’un échangeur eau/eau et de deux bras de

by-pass équipés de vanne 3 voies. Il s’intègre donc facilement dans une installation

existante et son coût d’investissement est faible.

Pour les deux raisons précédemment citées, nous choisissons de modifier le groupe froid en

intégrant un Economiseur à eau. Ce dernier est régulé selon la méthode Integrated Water Side

Economizer (IWSE) présentée par Myer et al [27]. La Figure ci-dessous présente le schéma

d’implantation du système dans le groupe froid actuel :

Figure 134 : Intégration du système IWSE

La Figure 134 présente la méthode utilisée par Myer et al [27]pour implanter un système de

free-cooling à eau dans une installation existante. L’élément principal est un échangeur eau/eau,

placé entre les réseaux évaporateur et condenseur de la pompe à chaleur. Deux vannes 3 voies V2

et V3 sont placées sur chaque circuit et permettent de réguler le débit d’eau qui traverse l’échangeur,

ou de le by-passer complètement pour retrouver une configuration classique. On remarque

également l’ajout d’une troisième V3V, positionnée aux bornes de la PAC du côté évaporateur et

qui permet de réguler la température 𝑇

𝑙𝑜𝑜𝑝

, en court-circuitant une partie de l’eau issue de

l’échangeur. Les trois vannes sont pilotées par un régulateur IWSE spécialement programmé. Dans

un premier temps, le fonctionnement de la ventilation dans la salle des serveurs n’est pas modifié :

la température 𝑇

𝐶𝑂

est toujours constante, et le principe de régulation du débit d’air 𝑀

𝐶𝑅𝐴𝐻

est

inchangé.

Cependant, si le mode de fonctionnement de la salle n’est pas modifié, le principe de régulation

du groupe froid est très différent. L’objectif du système IWSE est d’évacuer une partie de la chaleur

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de la cuve n’est plus régulée par un système PID. Désormais, les 4 cellules de la tour sont utilisées

(2 cellules du système « classique » + 2 cellules redondantes chapitre 7.3.2) et leurs ventilateurs ont

pour consigne de fonctionner en permanence à 70% de leur puissance maximale. Concernant la

pompe à chaleur, la consigne de température 𝑇

𝑐ℎ𝑖𝑜

est toujours fixée au maximum (10°C) afin de

bénéficier du meilleur COP possible. Finalement, un régulateur pilote les vannes 3 voies et

l’allumage de la PAC en fonction des températures de la tour de refroidissement et de l’échangeur

de chaleur, et ce selon 3 modes: « free-cooling total » aussi nommé TFC, « free-cooling partiel »

nommée PFC ou opération classique. Dans les paragraphes suivants, nous détaillons la méthode

de sélection des modes et leurs fonctionnements.

Mode 1 : free-cooling (TFC)

Cette configuration permet de couper la pompe à chaleur et d’évacuer la chaleur en ne se

servant que de la tour de refroidissement :

Figure 135 : fonctionnement du système en mode TFC

La condition de mise en fonctionnement du système en mode 1 est la suivante :

𝑆𝐼 𝑇

𝑐ℎ𝐻𝑋

≤ 𝑇

𝑠𝑒𝑡

𝐴𝐿𝑂𝑅𝑆 𝑇𝐹𝐶 = 1

Avec 𝑇

𝑐ℎ𝐻𝑋

la température de l’eau à la sortie de l’échangeur et 𝑇

𝑠𝑒𝑡

, la température de consigne

à assurer dans le circuit loop qui refroidit l’échangeur air/eau de l’armoire CRAH. Celle-ci est

définie en fonction de la température 𝑇

𝐶𝑂

souhaitée pour la salle, et selon la formule 𝑇

𝑠𝑒𝑡

= 𝑇

𝐶𝑂

7°𝐶. Lorsque cette condition est remplie, cela signifie que l’eau dans la cuve de la tour de

refroidissement est suffisamment froide pour assurer le refroidissement du circuit évaporateur. La

pompe à chaleur est éteinte, puis le régulateur IWSE commande alors à V3 de faire passer la totalité

de l’eau à travers l’échangeur. La V2 est régulée de manière à assurer un mélange entre l’eau froide

à la température 𝑇

𝑐ℎ𝐻𝑋

sortant de l’échangeur et l’eau chaude 𝑇

𝑐ℎℎ𝑜𝑡

issue de l’armoire CRAH qui

soit à la température 𝑇

𝑠𝑒𝑡

. Ainsi, en fonction de la température de l’eau dans la cuve de la tour

𝑇

𝑠𝑢𝑚𝑝

, une part plus ou moins importante du débit 𝑀

𝑙𝑜𝑜𝑝

est dirigée vers l’échangeur (𝑀

𝐻𝑋𝑃

)

tandis que le reste circule dans la voie de by-pass 𝑀

𝑏𝑝

. Finalement la vanne V1 est fermée et le

débit d’eau traverse l’évaporateur de la PAC sans modifier ses caractéristiques.

7.6 Mise en place d’un Economiseur à Eau (IWSE)

Ce mode de fonctionnement qui permet de couper la pompe à chaleur est le plus économique

en énergie. Cependant il ne fonctionne que lorsque la température de l’eau dans la cuve de

refroidissement est suffisamment basse. Ces conditions sont remplies durant certaines périodes de

la saison hivernale.

Mode 2 : free-cooling partiel (PFC)

Cette configuration permet d’évacuer une partie de la chaleur des serveurs à l’aide de la tour de

refroidissement, et ainsi de décharger partiellement la pompe à chaleur :

Figure 136 : fonctionnement du système en mode PFC

La condition de mise en fonctionnement du système en mode 2 est la suivante :

𝑆𝐼 𝑇

𝑐ℎ𝐻𝑋

> 𝑇

𝑠𝑒𝑡

𝐸𝑇 𝑇

𝑐ℎℎ𝑜𝑡

< 𝑇

𝑠𝑢𝑚𝑝

𝐴𝐿𝑂𝑅𝑆 𝑃𝐹𝐶 = 1

Avec 𝑇

𝑐ℎℎ𝑜𝑡

la température de l’eau en sortie de l’armoire CRAH et 𝑇

𝑠𝑢𝑚𝑝

, la température de

l’eau dans la cuve de la tour. Dans ces conditions, la tour de refroidissement ne parvient pas évacuer

la totalité de l’énergie dégagée par les serveurs informatiques. L’échange de chaleur entre les deux

circuits est alors maximisé afin de décharger la PAC. Le régulateur IWSE ferme les vannes 2 et 3

de manière à faire passer la totalité du débit d’eau des circuits condenseur et évaporateur à travers

l’échangeur eau/eau. Puis la vanne V1 est régulée pour assurer une température 𝑇

𝑙𝑜𝑜𝑝

= 𝑇

𝑠𝑒𝑡

en

mélangeant une partie de l’eau issue de l’échangeur à la température 𝑇

𝑐ℎ𝑖𝑖

, à l’eau refroidie par la

pompe à chaleur 𝑇

𝑐ℎ𝑖𝑜

.

Ce mode de fonctionnement permet de limiter la consommation d’énergie de la PAC en

transférant une partie de la chaleur entre les circuits évaporateur et condenseur via l’échangeur

eau/eau. Le fonctionnement en PFC consomme donc plus d’énergie que le mode TFC mais permet

d’utiliser le système IWSE durant les périodes de mi-saison (printemps, automne), lorsque la

température de l’eau dans la tour de refroidissement augmente.

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

Figure 137 : fonctionnement du système en mode Classique

La condition de mise en fonctionnement du système en mode 2 est la suivante :

𝑆𝐼 𝑇

𝑐ℎℎ𝑜𝑡

> 𝑇

𝑠𝑢𝑚𝑝

𝐴𝐿𝑂𝑅𝑆 𝐶𝑙𝑎𝑠𝑠𝑖𝑞𝑢𝑒 = 1

Lorsque les cellules des tours ne parviennent plus à refroidir suffisamment l’eau dans la cuve,

il n’est plus possible de transférer de l’énergie entre les circuits évaporateur et condenseur sans

l’aide de la pompe à chaleur. Le régulateur IWSE ouvre alors les vannes V2 et V3 afin de by-passer

l’échangeur de chaleur et de limiter la perte de charge dans le circuit. Comme pour le mode 2, la

vanne V1 est régulée de manière à assurer une température 𝑇

𝑙𝑜𝑜𝑝

= 𝑇

𝑠𝑒𝑡

.

A l’exception du bras de régulation et de la Vanne V1 qui a été ajouté au système, la

configuration et le mode de fonctionnement classique est très proche de celui vu au chapitre 7.4.

La totalité de l’énergie des serveurs est transférée via la pompe à chaleur et évacuée par la tour de

refroidissement. Ce mode de fonctionnement est le plus consommateur d’énergie et n’intervient

que durant les périodes de fortes chaleurs en été.

Remarques générales sur le circuit « loop »

Les schémas de principe décris ci-dessus montrent la création d’un circuit « loop » en aval de

la pompe à chaleur, dont la température est régulée par la vanne 3 voies V1. Le régulateur IWSE

module l’ouverture de V1 de manière à assurer 𝑇

𝑙𝑜𝑜𝑝

= 𝑇

𝑠𝑒𝑡

. Comme nous l’avons vu dans les

chapitres précédents, la sélection des modes TFC et PFC est réalisée en fonction de la température

𝑇

𝑠𝑒𝑡

. Ainsi plus celle-ci est élevée, plus le système fonctionne en mode TFC et PFC et réalise des

économies d’énergie. Or, la pompe à chaleur fournit de l’eau froide à une température maximale

de 𝑇

𝑐ℎ𝑖𝑜

= 10°𝐶. Il est donc nécessaire de créer un système permettant d’élever cette valeur.

Cependant, étant donné que 𝑇

𝐶𝑂

= 𝑇

𝑠𝑒𝑡

+ 7°𝐶, l’augmentation de la température dans la boucle

« loop », entraine également une augmentation de la température de l’air soufflé 𝑇

𝐶𝑂

. Par

conséquent, le régulateur PID du ventilateur de l’armoire CRAH augmente le débit 𝑀

𝐶𝑅𝐴𝐻

, de

manière à conserver la température de l’air 𝑇

𝐼𝐼𝑚𝑎𝑥

qui alimente le serveur le plus chaud, en dessous

de 𝑇

𝑠𝑒𝑐𝑢

. Cet accroissement du débit entraine une augmentation de l’énergie absorbée par le

ventilateur, ce qui vient contre balancer les gains réalisés grâce aux opérations TFC et PFC. Une

7.6 Mise en place d’un Economiseur à Eau (IWSE)

étude des consommations en fonction des températures 𝑇

𝐶𝑂

et 𝑇

𝑙𝑜𝑜𝑝

est donc menée dans les

chapitres suivant pour déterminer le couple de température adéquat.

7.6.1. Intégration du système IWSE dans TRNSYS

Le modèle « classique » programmé dans TRNSYS au chapitre précédent est modifié afin

d’intégrer le système de free cooling IWSE. Le nouveau modèle de groupe froid est présenté sur la

Figure 44 :

Figure 138 : Implantation du système IWSE dans TRNSYS

Les connecteurs en noir définissent le circuit de l’air à travers l’armoire de ventilation CRAH

et vers la salle des serveurs. Aucune modification n’est apportée à ce dernier, et son mode de

régulation est inchangé. Les circuits évaporateur et condenseur sont respectivement représentés

par les connecteurs bleu et rouge. Au centre de la Figure 138 le Type 91 modélise l’échangeur de

chaleur à plaque eau/eau. Les bras de by-pass sont modélisés de part et d’autre par des connecteurs

rouges et bleus reliés à des composants modélisant les vannes trois (Annexe 8.2). Du côté

évaporateur de la pompe à chaleur, un bras de régulation est créé afin de maintenir la température

𝑇

𝑙𝑜𝑜𝑝

. Ce dernier est également régulé par deux composants qui schématisent la vanne V1.

Finalement, le Type 806 est programmé pour réguler l’installation, et les connecteurs en pointillé

orange sont des vecteurs d’informations. Ils permettent aux différents contrôleurs d’acquérir des

« mesures » (température, débit), ou d’envoyer des consignes aux composants.

Modélisation de l’échangeur à plaques

Dans le système IWSE, l’échangeur à plaques permet de transférer une partie de l’énergie

depuis le circuit évaporateur vers le circuit condenseur. Du coté « froid » du composant, l’eau issue

de la tour de refroidissement arrive avec un débit constant 𝑀

𝑐𝑜

, et une température 𝑇

𝑠𝑢𝑚𝑝

qui varie

au cours de l’année. Du côté « chaud », le débit d’eau 𝑀

𝑙𝑜𝑜𝑝

dans le circuit et sa température 𝑇

𝑐ℎℎ𝑜𝑡

qui pénètre dans l’échangeur dépendent de la consigne 𝑇

𝑠𝑒𝑡

. Dans ces conditions, il est difficile de

dimensionner un échangeur « a-priori ». On considère donc que ce composant possède une

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des conditions les plus défavorables qui soit capable d’assurer une efficacité au moins égale à 0,9.

Ce dimensionnement pourra être effectué grâce à la méthode NTU présentée par Bouret [71] qui

applique la méthode fournie par le constructeur Alfa-Laval.

Programmation du régulateur IWSE

Le régulateur IWSE est programmé en FORTRAN 70 à partir de la structure fournie par le

logiciel TRNSYS. Il est ensuite compilé sous forme de Fichier *.dll (Direct library link) et intégré

au modèle via le Type_806. Son algorithme, basé sur les recommandations de Myer et al [27] est

présenté dans le graphe ci-dessous :

Figure 139 : algorithme du régulateur IWSE

Sur le logigramme ci-dessus, les variables indiquées en bleu sont des paramètres du programme

fixée par l’utilisateur. 𝑇

𝑐ℎ𝑖𝑜

correspond à la température de consigne de la pompe à chaleur et 𝑇

𝑠𝑒𝑡

à la température de consigne du circuit « loop ». Les variables en orange sont des « mesures »

acquises par le régulateur, dont les points de mesure sont décrits Figure 138. Les valeurs sont mises

à jour à chaque itération du logiciel. Finalement, les variables en vert sont les consignes envoyées

par le régulateur aux différents équipements qu’il contrôle : l’allumage de PAC 𝐶𝑡𝑟𝑙𝑃𝐴𝐶 et le taux

d’ouverture des vannes 3 voies 1,2 et 3 (𝑉3𝑉1, 𝑉3𝑉2, 𝑉3𝑉3).

Les 3 conditions visibles sur la Figure 139 représentent la sélection des 3 modes de

fonctionnement TFC, PFC, CLASSIQUE (de gauche à droite).

Dans les chapitres suivants, le modèle est utilisé afin de déterminer l’impact du système IWSE

sur la consommation du datacenter. La variation des besoins en énergie des composants en

fonction de la température de consigne 𝑇

𝑠𝑒𝑡

est observée, de manière à déterminer les conditions

de fonctionnement optimales de l’installation.