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
𝐶𝑂est toujours constante, et le principe de régulation du débit d’air 𝑀
𝐶𝑅𝐴𝐻est
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
7 Simulation et optimisation des consommations d’un centre de calcul de 32kW
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
𝑐ℎ𝑖𝑜est 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
𝑠𝑒𝑡𝐴𝐿𝑂𝑅𝑆 𝑇𝐹𝐶 = 1
Avec 𝑇
𝑐ℎ𝐻𝑋la 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
𝐶𝑂souhaitée 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
𝑐ℎ𝐻𝑋sortant de l’échangeur et l’eau chaude 𝑇
𝑐ℎℎ𝑜𝑡issue 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
𝑙𝑜𝑜𝑝est 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
𝑠𝑒𝑡𝐸𝑇 𝑇
𝑐ℎℎ𝑜𝑡< 𝑇
𝑠𝑢𝑚𝑝𝐴𝐿𝑂𝑅𝑆 𝑃𝐹𝐶 = 1
Avec 𝑇
𝑐ℎℎ𝑜𝑡la 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
𝑠𝑒𝑡en
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
𝑠𝑢𝑚𝑝𝐴𝐿𝑂𝑅𝑆 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
𝐼𝐼𝑚𝑎𝑥qui 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
𝐶𝑂et 𝑇
𝑙𝑜𝑜𝑝est 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
𝑠𝑢𝑚𝑝qui varie
au cours de l’année. Du côté « chaud », le débit d’eau 𝑀
𝑙𝑜𝑜𝑝dans le circuit et sa température 𝑇
𝑐ℎℎ𝑜𝑡qui 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
7 Simulation et optimisation des consommations d’un centre de calcul de 32kW
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
𝑐ℎ𝑖𝑜correspond à la température de consigne de la pompe à chaleur et 𝑇
𝑠𝑒𝑡à 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
𝑠𝑒𝑡est observée, de manière à déterminer les conditions
de fonctionnement optimales de l’installation.
Dans le document
Optimisation énergétique du rafraichissement des datacenters
(Page 177-184)