Surdimensionnement

APC de Schneider Electric a recueilli dans son livre blanc n°37 « Comment éviter les coûts liés au surdimensionnement d’infrastructure de centres de données et de salles réseaux » des données auprès de nombreux utilisateurs et a réalisé l’étude suivante :

fig 29 : capacité, charge, gaspillage en fonction du temps source : Schneider Electric, livre blanc n°37

« Comment éviter les coûts liés au surdimensionnement d’infrastructure de centres de données et de salles réseaux »

En phase de conception. La capacité théorique en alimentation et en refroidissement de la salle correspond au seuil 100%. La capacité à installer est égale à la capacité théorique de la salle. Il est prévu que la salle démarre à 30% de ses capacités informatiques : il s’agit de la charge prévue. Cette charge prévue augmente avec le temps jusqu’à un certain seuil poche de 85%. La limite haute de la charge prévue n’excède pas 85% afin de laisser 15% de marge en capacité de refroidissement dans le cas de conditions climatiques extrêmes (canicule) ou la panne d’une (voire deux) armoire de climatisation. L’énergie gaspillée correspond à la différence entre la courbe de capacité à installer et celle de la charge prévue.

La marge de sécurité de 15% n’est pas justifiée car la conception est établie pour les conditions extrêmes et non pour les valeurs réglementaires d’été. De plus, les pannes sont gérées par la redondance du matériel. Afin de maintenir une disponibilité maximale du data center, pour une quantité N de matériel installé, il est choisi d’installer N+1 fois ou 2N fois le matériel nécessaire pour pallier aux éventuelles pannes. Tous les data centers sont au moins en redondance N+1, aucun n’est uniquement en installation N.

La charge finale prévue doit être de 100% et non de 85%. Ainsi la charge initiale doit être de 45% et non de 30%.

fig 30 : capacité, charge, gaspillage en fonction du temps source : Schneider Electric, livre blanc n°37

« Comment éviter les coûts liés au surdimensionnement d’infrastructure de centres de données et de salles réseaux »

En phase de commande. La puissance des équipements est contractuelle et figure dans le CCTP. L’entreprise d’exécution n’est pas censée rehausser la puissance prescrite. Si elle décide de surdimensionner, acheter des équipements plus puissants est plus coûteux et génère moins de bénéfices. De plus un système de refroidissement atteint son rendement maximum lorsqu’il fonctionne à plein régime. Il n’y a donc aucun intérêt à surdimensionner les puissances prescrites.

En phase d’utilisation. La charge réellement installée est de 10% au lieu des 30% prévus. La charge installée augmente avec le temps jusqu’à environ 30% de la capacité installée. Ces 30% installées correspondent pour l’utilisateur à la pleine utilisation de son centre. Ces mêmes 30% correspondent pour le concepteur à la charge initiale. Le gaspillage réel est largement supérieur au gaspillage théorique.

Ci dessous un récapitulatif des consommations et du gaspillage sur 10 ans :

Consommation Gaspillage

Capacité installée (référence) : 100% 0%

Charge prévue (sans sécurité) : 86,4% 13,6%

Charge prévue (avec sécurité) : 70,8% 29,2%

Charge réelle : 26,0% 74,0%

En terme de puissance finale installée, les installations de refroidissement et d’alimentation sont 3 fois trop puissantes : capacité 100%, charge réelle 30%. Selon le type d’installation, simple ou complexe (régulation, technologie des aéroréfrigérants, groupes froids, récupération d’énergie, etc.), cela représente un surcoût d’environ 2 fois le prix nécessaire.

Un groupe froid fonctionnant à 30% de sa charge maximale voit son rendement fortement dégradé. Certaines technologies ne permettent pas de descendre à aussi bas régime : certains groupes à vis ne peuvent pas être régulés en dessous de 50%.

Lorsque la charge installée est inférieure à 20% de la capacité installée il y a risque de sous-charge est extrême. Sur le refroidissement cela peut impliquer :

- Un arrêt sécurisé en raison de la pression de refoulement trop basse sur les compresseurs.

- Des cycles courts des compresseurs en raison des arrêts fréquents et une réduction de la durée de vie des compresseurs.

- L’invalidité possible de la garantie en cas de fonctionnement sous limites minimales de charge.

Grâce à son enquête auprès des utilisateurs de data centers, APC a établi le graphique suivant :

fig 31 : part de la capacité installée réellement utilisée source : Schneider Electric, livre blanc n°37

« Comment éviter les coûts liés au surdimensionnement d’infrastructure de centres de données et de salles réseaux »

On voit que près de 20% des utilisateurs sont en dessous de la limite de sous-charge extrême. On remarque aussi que seulement 3% des utilisateurs atteignent ou dépasse le seuil des 85% de charge prévue à la conception.

Pourquoi le surdimensionnement est-il devenu une habitude ?

Pour l’utilisateur le coût de création d’un data center est élevé. Planifiant son évolution dans les années à venir, l’utilisateur demande un certain surdimensionnement de peur que son nouveau centre soit déjà obsolète quelques années après sa mis en service. Cette anticipation certes logique est bien souvent démesurée. La conception d’un centre capable de s’adapter à un future demande imprévisible est la solution, mais ce n’est pas aussi simple.

Il est possible de réaliser un data center selon plusieurs tranches. Pour simplifier l’étude, nous nous limiterons à une première tranche réalisée, et à une deuxième tranche conditionnelle. Le nombre de tranches n’est pas limité à deux.

Une première tranche concerne l’ouvrage de l’infrastructure (gros œuvre), l’installation de baies alimentées et refroidies : transformateurs, onduleurs, armoires de climatisation, groupes froids, aéroréfrigérants… Une deuxième tranche permet l’installation de baies supplémentaires : il s’agit d’un développement de l’utilisateur. L’ampleur de cette deuxième

Cette tranche impose les installations suivantes :

- Des armoires climatisation : dans le cas où les systèmes d’alimentation et de refroidissement ont été conçus pour supporter les deux tranches.

- Un transformateur, un ou plusieurs groupes froids et aéroréfrigérants, des armoires de climatisation, un système de détection et de protection incendie ; dans le cas où les systèmes d’alimentation et de refroidissement n’ont été conçus pour ne supporter que la première tanche.

Cette deuxième tranche, si elle est conditionnelle, permet à l’utilisateur de planifier son développement, de l’effectuer uniquement si son activité informatique en exprime le besoin.

Le coût des travaux d’une deuxième tranche différée est plus élevé que ceux de deux tranches effectuées à la suite. Avec un tranche future, l’infrastructure est déjà active, les travaux de manutentions, de coupure de courant, de passage de câbles (entre autres) sont plus délicats et donc plus coûteux.

Dans le premier cas, la deuxième tranche concerne uniquement l’installation de nouvelles baies et armoires de climatisation supportées par les systèmes d’alimentation et de refroidissement existants. Il n’y a pas d’adaptabilité de l’infrastructure. La puissance des systèmes d’alimentation et de refroidissement est donc beaucoup trop élevée durant la période qui sépare la première et la deuxième tranche. La data center est donc surdimensionné pendant cette période. Il y a des risques d’indisponibilité liés à la sous-charge.

Dans le second cas, la deuxième tranche concerne l’installation de nouvelles baies associées à un nouveau système d’alimentation et de refroidissement. L’infrastructure s’adapte selon la nouvelle demande informatique. De plus, le temps séparant les deux tranches permet à l’utilisateur de prendre conscience de la différence notable entre la charge prévue à la conception et la charge réellement installée. Le dimensionnement de la deuxième tranche peut alors être revu à la baisse.

Ci dessus un graphique schématisant l’adaptabilité dans le second cas d’étude :

fig 32 : adaptabilité et gaspillage en fonction du temps source : Schneider Electric, livre blanc n°37

« Comment éviter les coûts liés au surdimensionnement d’infrastructure de centres de données et de salles réseaux »

Consommation Gaspillage Charge réelle selon capacité non adaptée 92,8% 7,2%

Charge réelle selon capacité adaptée 96,3% 3,7%

Il est intéressant pour l’utilisateur d’évaluer la perte engendrée par la réalisation de deux tranches distinctes et de la comparer à la perte engendrée par la surconsommation (dues aux pertes fixes) d’une installation surdimensionnée réalisée en une tranche ou en deux tranches (premier cas). Mais dans la majorité des cas, le surdimensionnement de la production de froid n’est pas justifiable.

Le surdimensionnement de la production de froid est inutile, coûteux et parfois dangereux, cependant le surdimensionnement des armoires de climatisation est nécessaire.

Le moteur d’une armoire de climatisation ne présente pas un comportant linéaire dans le rapport puissance fournie ~ puissance absorbée.

La relation de la puissance absorbée en fonction de la puissance fournie est du type parabolique :

fig 33 : puissance absorbée en fonction de l’utilisation (ou puissance fournie) source : production personnelle

A 30% de la capacité frigorifique de l’armoire, l’énergie électrique consommée est de l’ordre de 15% de l’énergie totale absorbée. Et à 50% de la capacité, l’énergie consommée est de l’ordre de 30%.

Pour évaluer la part de la capacité frigorifique utilisée on parle de taux de charge.

Le taux de charge se calcule par la relation suivante :

Taux de charge = puissance frigorifique demandée / puissance frigorifique disponible

Le taux de charge est donc inférieur à 1. Dans le cas d’une production de froid, on cherche à atteindre la valeur théorique maximale de 1. Mais au vue de l’évolution de l’énergie électrique consommée en fonction de la puissance fournie, et donc en fonction du taux de charge, on voit qu’il est judicieux de surdimensionner l’armoire de climatisation afin de

consommer moins. Il ne faut pas non plus tomber dans l’extrême et trop surdimensionner l’armoire. Une armoire de climatisation trop puissante présente les risques suivants :

- Une valeur d’achat plus élevée.

- Un encombrement plus important.

- Le ventilateur ne démarre qu’à partir d’un taux de charge compris entre 12% et 17%. Lors d’une utilisation partielle du data center ou lors de déperditions importantes par les parois (hiver rigoureux, salle informatique donnant sur l’extérieur), le taux de charge d’une armoire surdimensionnée peut être inférieur à son seuil limite d’utilisation. Le non-fonctionnement de l’armoire crée une surchauffe dans la salle, nécessitant ainsi un plus grand besoin en refroidissement, ainsi le taux de charge augmente, l’armoire s’enclenche et refroidit la salle jusqu’à la température de consigne, puis l’armoire s’arrête, etc. : il y a un risque de courts-cycles.

Les aéroréfrigérants à moteur EC se comportent de la même façon : la relation entre l’utilisation et la puissance électrique consommée est parabolique. Cependant le surdimensionnement des aéroréfrigérants induit un surcoût à l’achat et une place nécessaire en toiture non négligeable et donc infructueux en terme d’économie pour le client.

La consommation des armoires de climatisation et des aéroréfrigérants est 4 à 8 fois plus faible que celle de la production de froid : le système de refroidissement représente la part la plus importante dans la consommation totale du data center. Son surdimensionnement accentue sa consommation en abaissant son rendement. Il existe plusieurs moyens de diminuer la consommation en refroidissement : la technologie du groupe froid, la possibilité de régulation plus large en scroll plutôt qu’en vis, la température du régime d’eau plus élevée, la récupération d’énergie, les apports de froid gratuits, etc.

Nous allons nous intéresser à l’économie la plus grande qui est celle des apports de froid gratuits.

Pour profiter d’un froid gratuit et disponible tout au long de l’année il existe plusieurs méthodes. Il est possible de récupérer de l’énergie frigorifique gratuite sur l’eau ou sur l’air.