6. Outils pour la simulation couplée des équipements de production d’air froid et de la
6.2. Présentation de l’outil TRNSYS
Concernant la boucle condenseur, les performances du système seront fonction des conditions de
température et d’hygrométrie de l’environnement extérieur. Ces conditions sont variables au cours
de l’année et elles seront issues d’un fichier de données climatiques.
Dans cette étude, les simulations des systèmes de production d’air froid seront réalisées avec
le logiciel TRNSYS. Elles devront notamment permettre de réaliser :
- une simulation annuelle des consommations d’énergie pour un certain climat,
- la simulation de l’impact de la mise en place d’un système de free-cooling de type Integrated
Water-Side Economize (IWSE),
- la mise en place d’une régulation optimisant le fonctionnement de la salle des serveurs tout
en minimisant les besoins de la production d’air froid,
Le logiciel commercial TRNSYS est employé pour réaliser la simulation de l’ensemble des
équipements composant le groupe froid. Ce dernier dispose de modèles performants capables de
simuler le fonctionnement de chaque élément du système. Ils seront détaillés plus largement dans
les chapitres suivants. Les conditions de températures et d’hygrométries de l’environnement
extérieur sont issues des fichiers climatiques fournis par le logiciel METEONORM. Finalement,
les températures 𝑇
𝐼𝐼de l’air en entrée des serveurs informatiques et 𝑇
𝐶𝐼sont fournies par la
simulation CFD avec le code de calcul Thétis.
6.2. Présentation de l’outil TRNSYS
Le logiciel TRNSYS (TRaNsient System Simulation) est un code de calcul commercial
développé par l’université du Wisconsin-Madison [10]. Il est utilisé par des ingénieurs et des
chercheurs dans le monde entier pour réaliser des modèles allant du stockage d’eau chaude à usage
domestique, à la simulation de bâtiments tertiaires et de leurs équipements. Il permet également de
simuler des systèmes électriques, ou de production d’énergie comme des panneaux solaires ou un
parc éolien et offre la possibilité de réaliser une analyse économique du système [11].
La suite TRNSYS est composée de plusieurs programmes :
Le moteur de simulation, nommé KERNEL : c’est le cœur de TRNSYS, il lit les fichiers
d’entrée décrivant les modèles et résout les équations de manière itérative. Il contient de
nombreuses routines qui permettent de réaliser des interpolations, de calculer les propriétés
thermo physiques de fluides (PSYCHROMETRICS), ou d’inverser des matrices
Le « Simulation studio » : c’est l’interface graphique de TRNSYS. Elle fonctionne sur le
principe du « drag and drop », les composants du système sont représentés par des boites
nommées « Type », et accessibles depuis une librairie. Les modèles sont reliés entre eux par
des connecteurs qui définissent les entrées et les sorties de chaque composant. La version
« de base » de TRNSYS fournit plus d’une centaine de Types, mais pour cette étude, nous
utiliserons en plus certains modèles issus de la librairie développée par la société TESS
(Thermal Energy System Specialist).
6 Outils pour la simulation couplée des équipements de production d’air froid et de la salle
serveur
d’occupation et d’utilisation des équipements, la seconde permet de créer des applications
« stand-alone » (autonome) à partir de modèle TRNSYS afin de réaliser des simulations
spécifiques sans nécessiter l’achat d’une licence. Ces deux programmes ne seront pas
nécessaires dans ce travail.
Pour réaliser ce projet, le logiciel a été sélectionné pour trois raisons principales :
Le code source et la documentation de chaque composant est accessible. Il n’y a pas de
« boite noire » et les méthodes mathématiques employées pour simuler chaque équipement
sont connues.
Il est possible de programmer ses propres modules en langage FORTRAN, de les compiler
et de les intégrer à la simulation sous forme de Types,
Le logiciel propose une interface avec le programme Matlab : Le couplage est réalisé grâce
à un Type spécial qui ouvre une application Matlab qui fonctionne parallèlement au
KERNEL. Un script de type m-file programmé de la même manière que les codes des Types
en FORTRAN est lu et interprété par Matlab, tandis que TRNSYS gère les entrées et les
sorties durant la simulation. Le principal avantage de cette interaction est de pourvoir
programmer des modèles dans TRNSYS qui utilisent les fonctions mathématiques de
Matlab, notamment le calcul et les opérations matricielles.
Le logiciel est employé pour modéliser le comportement et les consommations des systèmes
de production d’air froid dans les datacenter. L’ensemble des équipements composant le groupe
froid sont donc modélisé par un réseau de Type dans le « Simulation studio ». Or leur
fonctionnement dépend à la fois des conditions climatiques extérieures, mais également des
températures de l’air dans la salle informatique. Deux programmes annexes sont donc utilisés avec
TRNSYS pour modéliser l’environnement du groupe de production :
Figure 114 : Environnement de simulation TRNSYS
Sur le schéma ci-dessus, TRNSYS est au centre de la simulation et interagit avec 2 autres entités.
Sur la gauche, le programme METEONORM fournit les données climatiques nécessaires au
modèle. A partir d’une base de données récoltées auprès de 8 300 stations météorologiques, le
logiciel interpole et génère un fichier « année typique » pour une localisation précise dans le monde.
Ce document contient les valeurs de la température sèche de l’air extérieur, de sa température
humide, du taux d’hygrométrie et des radiations solaires directes et diffuses heure par heure sur
une année complète (8760h) [68]. Dans le cas de la simulation d’un groupe froid, seules les
6.2 Présentation de l’outil TRNSYS
informations relatives aux caractéristiques de l’air sont utilisées, les radiations solaires n’ayant pas
d’influence sur le matériel.
Sur la partie à droite de la Figure 114, on représente les résultats d’une simulation CFD d’une
salle de serveurs, fournis par le logiciel Matlab. En effet, comme nous l’avons vu au chapitre
précédent, nous utiliserons un modèle d’ordre réduit de type POD pour interpoler des solutions
de champs de température dans la salle des serveurs en fonction d’une température d’air soufflée
𝑇
𝐶𝑂et d’un débit d’air 𝑀
𝐶𝑅𝐴𝐻. Ce modèle est chargé de prédire le comportement du système de
distribution d’air froid et de fournir à TRNSYS des informations sur la température des serveurs
dans la salle, ou sur la température de l’air qui retourne vers l’unité de climatisation.
Le logiciel TRNSYS, permet donc de créer un environnement de simulation globale, intégrant
l’influence du climat sur les équipements de production d’air froid. De plus, le couplage avec un
modèle réduit programmé avec Matlab, permet de tenir compte et d’évaluer l’impact du SDA de la
salle informatique sur la consommation totale du Datacenter.
Dans les chapitres suivants, les modèles des composants hydrauliques et thermodynamique de
TRNSYS utilisé lors de l’étude sont détaillés. Les annexes 0 et 8.4 présentent un schéma de la
configuration complète où sont connectés les différents composants du système de refroidissement
(avec ou sans economizer).
6 Outils pour la simulation couplée des équipements de production d’air froid et de la salle
serveur
En résumé et conclusion
Afin de prédire la consommation d’énergie des datacenters, il est nécessaire de tenir
compte de la consommation des équipements responsables de la production de l’air froid.
Or leurs comportements dépendent fortement du climat local et de la performance du
système de distribution d’air de la salle informatique. Il est donc nécessaire de concevoir
un modèle capable de simuler une infrastructure complète sur une année climatique
entière.
Pour le programmer, nous avons fait le choix du logiciel TRNSYS :
Le lien avec la base de données METEONORM permet d’obtenir les conditions
climatiques heure par heure d’un site choisi et sur une année complète.
Le couplage avec Matlab permet de prédire rapidement le champ thermique dans
la salle informatique, rendant ainsi possible la régulation des armoires de soufflage.
La programmation de composant additionnel est aisée (programmation en
FORTRAN).
L’accès aux codes sources ainsi qu’une description mathématique est garanti pour
l’ensemble des Types.
La déscription détaillée des modèles numérique est disponible en annexe 8.2.
Dans les chapitres suivants, nous employons l’ensemble des outils précédemment
décrits, pour simuler un datacenter d’une puissance de 32kW. En partant d’une
configuration « classique » [11] dont les consommations prédites servent de référence, nous
testons l’impact énergétique de systèmes innovants tel que le free-cooling à eau (IWSE)
ou une régulation adaptative.
7.Simulation et optimisation des consommations d’un
Dans le document
Optimisation énergétique du rafraichissement des datacenters
(Page 154-158)