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Mise en place d'un système de rafraichissement d'un local informatique par ventilation hybride

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Academic year: 2021

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HAL Id: hal-01525044

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01525044

Submitted on 19 May 2017

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Mise en place d’un système de rafraichissement d’un local informatique par ventilation hybride

Olivier Fruchier, Philippe Egea, Thierry Talbert, Dorian Gachon

To cite this version:

Olivier Fruchier, Philippe Egea, Thierry Talbert, Dorian Gachon. Mise en place d’un système de rafraichissement d’un local informatique par ventilation hybride. CETSIS2017, May 2017, Le Mans, France. �hal-01525044�

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Mise en place d'un système de rafraichissement d'un local informatique par ventilation hybride

Olivier Fruchier, Philippe Egea, Thierry Talbert, Dorian Gachon Olivier.Fruchier@promes.cnrs.fr

Adresse : PROMES-CNRS, Tecnosud, Rambla de la thermodynamique, 66100, PERPIGNAN, FRANCE RÉSUMÉ :

Les systèmes de freecooling existent dans des centres de calculs de grandes dimensions où les flux d’air sont parfaite- ment maitrisés. L’originalité du projet est de réaliser et démontrer qu’un système de freecooling peut être efficace dans une pièce technique où les flux d’air ne sont pas canalisés. Pédagogiquement, le problème sera abordé sous forme d’un projet client-fournisseurs, le client étant représenté par le service informatique et les fournisseurs par les étudiants. Les matières abordées seront informatique industrielle, électronique embarquée, les bases de données, la programmation et les réseaux informatiques

Mots clés : Informatique industrielle, électronique embarquée, freecooling, centre de données, base de données, python.

1 INTRODUCTION

En 2005, la consommation électrique des centres de données (ou datacenters) représentait 1% de la con- sommation électrique mondiale [1]. Entre 2007 et 2012, celle-ci a augmenté de plus de 50% et la con- sommation électrique des datacenters est évaluée à 1,8% de la consommation mondiale [2]. Avec la hausse du coût de l’électricité, la facture énergétique des centres de données s’alourdit au fil des années. La densité de puissance des équipements installés a été multipliée par 16 depuis 1992 (figure 1).

fig 1 : Évolution des consommations énergétiques des data- centers au USA (DatacenterDynamics, 2013).

L’impact écologique est loin d’être négligeable. Pu- bliée en 2008 par ClimateGroup, l’étude Smart 2020 [3] soulignait que les émissions de gaz à effets de serre liées aux centres de données devraient augmenter de 7% par an jusqu’en 2020, et qu’elles devraient at- teindre 12% des émissions de C02 à travers le monde.

Simultanément, le nombre de centres de données de- vrait augmenter de 9% par an sur cette période. Il est important de souligner qu'au niveau mondial, les centres de données sont responsables d’une empreinte carbone plus importante que celles de certains pays comme l’Argentine ou les Pays-Bas.

Indispensable au maintien de bonnes conditions de fonctionnement des équipements informatiques des

centres de données, la climatisation est un poste parti- culièrement énergivore (jusqu'à 50% des consomma- tions parfois). Dans ce contexte, le freecooling – locu- tion anglophone signifiant littéralement rafraîchisse- ment gratuit – apparait être une méthode à privilégier, car elle est économique et utilise la différence de tem- pérature entre l’air de sortie des ordinateurs et la tem- pérature de l’air extérieur afin d’aider, voire de rempla- cer le système de refroidissement par détente. Le prin- cipe consiste à faire circuler de l'air extérieur dans la pièce à refroidir lorsque la température de l’air exté- rieur passe en dessous d’une température de consigne.

Celui-ci consomme moins d’énergie que les climati- seurs et utilise l'air frais extérieur pour refroidir le centre de calcul. Ce système est parfois installé dans l’industrie et dans les centres de traitement de don- nées économes en énergie.

Dans notre cas, nous avons installé un jet d’air plus frais qui provient de l’extérieur en supplément du re- froidisseur existant. Le système utilise de l'électronique embarquée qui commande la ventilation de la pièce.

Ces économies peuvent aller jusqu’à 75 %, sans com- promettre les exigences de refroidissement d’un centre de traitement de données.

2 LE CONTEXTE

Le centre de données du laboratoire est un local de 10m2 d'informatique et d’ingénierie refroidie par deux climatiseurs. Il est composé d’une armoire contenant des matériels actifs réseau (commutateurs et routeurs), une armoire comprenant dix serveurs informatiques, un onduleur 30KVA pour pallier aux pannes EDF et enfin des onduleurs pour des panneaux photovoltaïques.

Ainsi, l’ensemble de ces éléments compose un tout hétérogène non compartimenté en termes de flux d’air.

Cette pièce est située au premier étage du bâtiment et possède l'avantage d'avoir un mur mitoyen avec l'exté- rieur. Le défi est donc de pouvoir refroidir cette pièce sans remettre en cause l’organisation technique de la salle.

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Ainsi, notre expérience vise à répondre aux questions suivantes :

Est-il possible de refroidir une salle informatique polyvalente par freecooling si les flux d’air ne sont pas clairement canalisés ?

Est-il possible de réchauffer notre bâtiment avec l’air chaud sans gêner les usagers du bâtiment ?

Quelles seraient les économies énergétiques et financières réalisées ?

Comment se comporte ce système avec des climati- seurs existants ?

Comment recevoir des messages en cas de panne ? Toutes ces questions nous ont conduits naturellement à développer un projet pédagogique pluridisciplinaire et de recherche associant des aspects de thermiques, élec- troniques, informatique industrielle, et enfin de pro- grammation.

3 LE PROJET FREECOOLING

Le projet freecooling est donc né de la synergie sui- vante : la demande de la part du service informatique du laboratoire PROMES-CNRS d'un souhait d'écono- miser l'énergie électrique consommée par le système de climatisation de la salle informatique du laboratoire et de l'offre en terme de ressources humaines et tech- niques que représentent les projets en informatique industrielle.

Ce projet a été réalisé dans le cadre de l'enseignement informatique industrielle en troisième année de la li- cence Science Pour l'Ingénieur (SPI) à l'Université Via Domitia (UPVD) de Perpignan, propose de mettre en place un système de freecooling dans le local informa- tique d'un laboratoire de recherche (Laboratoire PROMES CNRS UPR 8521). Ce local était refroidi par deux climatiseurs qui fonctionnaient en permanence : été comme hiver. Le souhait de mettre en place un tel système provient du constat simple que l'air extérieur pourrait suffire à refroidir la pièce informatique du laboratoire principalement durant la période hivernale.

Le laboratoire PROMES CNRS est une Unité Propre de recherche du CNRS (UPR 8521) rattachée à l’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS) conventionnée avec l’université de Perpignan via Domitia (UPVD). Le laboratoire est localisé sur trois sites : Odeillo-Font Romeu (Four solaire de 1MW du CNRS), Targasonne (Thémis, centrale à tour de 5MW, site du Conseil général des PO) et Perpignan, Tecnosud. Le laboratoire réunit environ 150 personnes, dont 90 permanents du CNRS et de l'UPVD, organisé en 8 équipes et 5 services. Le service commun infor- matique est localisé sur deux sites Odeillo-Font Romeu et Perpignan.

Une équipe de 3 étudiants de la licence SPI 3ème année parcours Électronique, Énergie électrique, Automatique (L3 EEA) et 2 étudiants de la licence SPI 2ème année parcours Énergies et Matériaux (L2 Enermat) s’est

proposée de travailler sur le sujet sous à la demande du service informatique (service INFO) du laboratoire PROMES.

3.1 Apprentissage par projet

La littérature met en avant un certain nombre de carac- téristiques pédagogiques des projets, et leurs effets favorables sur les apprentissages. Un projet doit mettre l’apprenant dans une situation qui constitue un défi [4];

il est initié à partir d’une thématique concrète de la vie [5]; il doit s’orienter vers une production concrète et évaluable [4] [6] [7].

Le projet est présenté comme la demande d'un client à un bureau d'étude. Après plusieurs réunions de mise au point où le "client" définit ses souhaits, un cahier des charges est rédigé par les étudiants et approuvé par "le client".

Il apparait que deux études sont nécessaires pour éva- luer l'impact que va avoir le projet sur l'aspect énergé- tique. Tout d’abord, une étude thermique sera réalisée afin d'évaluer la quantité et la meilleure façon d'éva- cuer la chaleur de la pièce informatique. Puis, une étude électrique évaluera la chaleur produite par le matériel informatique et technique de la pièce.

L'objectif du système à installer est de réduire de façon significative la consommation voire à remplacer pen- dant un maximum de temps l'utilisation des climati- seurs servant à réguler la température de la pièce in- formatique.

Le système installé devra permettre la réduction des coûts énergétiques pour rafraîchir la salle tout en of- frant la possibilité de récupérer la chaleur de la pièce pour injecter de l’air chaud dans le bâtiment. Le sys- tème doit pouvoir être piloté et contrôlé à distance.

Dans le cursus des étudiants de la Licence SPI l'appren- tissage par projet prend une part importante du par- cours éducatif surtout en fin de cycle. Notamment lors de la matière intitulée Systèmes EEA (3 ECTS :13,5h CM – 13,5h TD) au semestre 4, les étudiants travaillent dans cette matière transversale à l'étude d'un système proposé par les enseignants de trois matières : l'électronique, l'énergie électrique et l'automatique.

Cette étude permet de mettre en pratique les propriétés théoriques fondamentales vues dans les trois matières et permet de faire prendre conscience de l'imbrication des disciplines. L'objectif de cet enseignement est éga- lement d'introduire la capacité à travailler en groupe sur un projet technique liée à l'EEA.

L'année suivante, au semestre 6, dans la matière intitu- lée informatique industrielle (3 ECTS : 9h CM – 18h TP), le même principe est appliqué pour la mise en pratique de la programmation de microcontrôleurs. Les étudiants étant accoutumés à la méthode de l'apprentis- sage par projet, l'enseignant propose une série de sujets pluridisciplinaires les plus concrets possible. Ces sujets

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peuvent être issus du laboratoire de recherche où sont affectés les enseignants de la licence, mais également peuvent être l'occasion de développer des prototypes sur des idées provenant d'étudiants.

3.2 Initiation à la programmation

De mémoire collective de l'équipe pédagogique de la licence SPI, l'apprentissage de la programmation a toujours été difficile pour les étudiants et par consé- quent pour les enseignants ! L'enseignement par projet nous offre l'opportunité d'aborder l'enseignement de la programmation sous un autre angle. En effet, l'ensei- gnement de la programmation était mutualisé avec la licence informatique de l'UPVD, les attentes des ensei- gnants dans ce domaine ne sont pas les mêmes et cela se faisait ressentir sur la motivation qu'exprimaient les étudiants en EEA pour cette discipline ; finalement au bilan les étudiants en EEA ressortaient découragés voire avec un niveau quasi nul en programmation.

Concrètement, l'apprentissage par projet proposé en informatique industrielle procède par phases : premiè- rement, l'initiation à la programmation se fait sur des microcontrôleurs très simples à prendre en main : des cartes électroniques de type Arduino(TM) utilisant un microcontrôleur ATmega328P par exemple. Deuxiè- mement, lorsque les étudiants se sentent un peu plus à l'aise avec l'outil, ils peuvent envisager de "passer" sur des cartes plus performantes munies de microproces- seur d'architecture ARM très basse consommation comme des cartes Raspberry Pi(TM) (par exemple).

Dans la pédagogie par projet, l’évaluation se compose de plusieurs phases qui prennent place à différentes étapes du déroulement du projet et non pas seulement à l’étape terminale [7] [8] [9] [10]. La dernière étape consiste donc à demander aux étudiants de présenter leurs projets sous la forme d'un site web, la création de ce site leur permet d'intégrer des photos et des vidéos qui illustrent le travail réalisé.

Pour chaque projet, les étudiants effectuent l’analyse du besoin, puis l’étude de faisabilité et établissent le cahier des charges [8]. Enfin la méthode de type Roue de Deming PDCA [13] est utilisée afin de s'inscrire assurément dans une logique d'amélioration continue.

L'idée étant de répéter 4 phases : Plan, Do, Check, Act (PDCA) tant que le niveau attendu n'est pas atteint.

Cette méthode permet de ne pas figer le cahier des charges et d'améliorer ainsi le résultat final.

3.3 Étude électrique et thermique

L'étude électrique et l'étude thermique ont été réalisées par deux groupes d'étudiants de la licence SPI. L'étude électrique est assurée par les L3 EEA alors que l'étude thermique est assurée par les L2 Enermat. La méthode employée pour déterminer la puissance thermique à dissiper dans la salle informatique est la suivante : nous avons considéré les puissances électriques de chaque appareil présent dans la salle, cela nous a donné une

idée de la puissance thermique maximale à évacuer de la salle. Après un relevé des puissances nominales des appareils, il apparait que la totalité des serveurs infor- matiques produit 5kW thermiques. Dans la salle, sont également présents cinq onduleurs photovoltaïques et un onduleur de sécurité de 30kVA ; nous pouvons estimer la production thermique (pertes) de ces élé- ments à environ 2kW thermiques. Au total, la pièce informatique dissipe 8kW modulée par l'utilisation des ordinateurs pour effectuer des calculs ou bien par l'en- soleillement (Onduleurs photovoltaïques).

Ainsi, si l'on considère la consommation électrique journalière à la moitié de la puissance nominale, la pièce produit environ 100kWh thermiques par jour. La climatisation ayant un COP (Coefficient de Perfor- mance) de facteur 3 consomme 33kWh/jour soit 12MWh par an.

3.4 Étude aérodynamique

Connaissant la puissance thermique à évacuer nous avons estimé le débit d'air minimal qu'il faudrait pour renouveler l'air de la pièce. La pièce informatique pos- sède un volume de 25m3 et si on souhaite un renouvel- lement de l'air de la pièce toutes les 5 minutes, il faut un débit d'air de 300m³h-1 pour ventiler la pièce. Le choix d'un ventilateur de 830m³h-1 (débit maximal), bien au-dessus de ce qui est nécessaire, a été fait pour compenser les pertes de charge des filtres et des grilles de ventilations. Cela permettra de le faire fonctionner, grâce à un variateur, à des débits plus faibles pour une consommation électrique réduite. Ce ventilateur pos- sède un diamètre de conduite de 200mm, ce qui est suffisant compte tenu du débit proposé.

3.5 Réalisation

Le mur a été percé deux fois pour un diamètre de 200mm, un pour l’insufflation, l’autre pour l’extraction. Le ventilateur est donc placé en hauteur pour extraire l’air chaud de la pièce. L’air chaud étant moins dense que l’air froid, il s'élève dans la pièce et son extraction est plus efficace. L'insufflation se fait au niveau du sol en plein centre du mur, dans l’axe de l’allée centrale de la pièce et de façon "naturelle", on parle ici d'un système de ventilation hybride combinant une ventilation "naturelle" et "mécanique". Un filtre au niveau de l'entrée d'air est placé afin d'éviter les pous- sières de l'extérieur. Concernant la consommation du ventilateur, il absorbe au maximum une puissance de 125W pour un courant de 0,5A. Afin de récupérer l'air chaud pour l'insuffler dans le bâtiment, un extracteur d'air de type VMC silencieux et discret est installé entre le mur de la salle informatique et le couloir du bâtiment.

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fig 2 : Flux d'air dans le local informatique.

La figure 2 représente une vue schématique des flux d'air à l'intérieur de la pièce informatique. L'air chaud est représenté en rouge et le l’air froid est représenté en bleu. Sur la figure 3 on peut apercevoir les deux trous au fond de la pièce donnant sur l'extérieur.

fig 3 : Positionnement des trous servant à la ventilation de la pièce.

3.6 Électronique embarquée

Dans le cadre du projet, le choix d'utiliser une carte Raspberry Pi a été fait. En effet, l’apprentissage par projet est marqué par la collaboration, la coopération, la coordination [11], une multitude de tutoriels sont présents sur le web ainsi que des forums d'entraide, etc.

Le Raspberry Pi est un nano-ordinateur mono carte à processeur ARM il a la taille d'une carte de crédit, est

destiné à encourager l'apprentissage de la programma- tion informatique ; il permet l'exécution de plusieurs variantes du système d'exploitation libre GNU/Linux et des logiciels compatibles.

Pour réguler la température de la pièce, il est nécessaire de connaitre la température à l'intérieur, mais aussi à l'extérieur de la pièce. Ainsi un réseau de capteurs a été réalisé en utilisant le protocole I2C et connecté au port GPIO de la carte. Trois capteurs : extérieur, intérieur de la pièce et bâtiment, sont suffisant pour permettre la régulation des deux ventilateurs : ventilateur qui extrait l'air vers l'extérieur et le ventilateur qui extrait l'air vers le bâtiment. Un boitier permettant à terme de contrôler la puissance du ventilateur extérieur est également installé (figure 4).

fig 4 : Boitiers de commande électronique embarquée.

Le système de régulation doit permettre le rafraichis- sement de l'air dans la pièce et doit respecter les normes de l'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) [12] fig 3.

Recommandation ASHRAE en 2008 Limite basse de température 18°C

Limite haute de température 27°C

Limite basse de taux d'humidité Point de condensation à 5,5°C Limite haute de taux d'humidité 60% d'humidité relative

et point de condensation à 15°C

fig 3 : Tableau des recommandations ASHRAE 2008 pour Datacenters de classe 1 et 2.

Des conditions de températures et d'humidités doivent être respectées. Si le système de freecooling ne permet pas de rester dans les normes choisies, la climatisation prend le relais et le système freecooling s'arrête. Nous respecterons les normes ASHRAE recommandées pour les serveurs informatiques. Des capteurs mixtes qui mesurent l'humidité et la température sont donc choisis.

Pour la commande des ventilateurs et l'enregistrement des mesures un programme écrit en langage python a été réalisé par les étudiants. Ce choix a été déterminé surtout par les capteurs I2C dont les bibliothèques et les tutoriels étaient fournis dans ce langage. La structure du programme s'avère relativement simple. Après les initialisations, le programme s'effectue suivant une boucle infinie dans laquelle est effectué le relevé des capteurs et les ventilateurs qui sont activés par les va-

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leurs d'humidités et de températures afin de respecter les conditions recommandées par l'ASHRAE. Aussi, un système d'alerte par courriel est activé dans le cas de dépassement d'une consigne de la température de la pièce. Afin d'effectuer un suivi du comportement du système, une base de données mysql, dans laquelle nous enregistrons l'état des ventilateurs (allumé ou éteint), ainsi que toutes les données des capteurs ont été créées. La base de données, hébergée sur un serveur du laboratoire permet un affichage en temps réel des don- nées sous forme graphique et accessible depuis le web (figure 5).

fig 5 : Interface web présentant les températures internes, températures externes et températures du bâtiment ainsi que

l'état de fonctionnement des ventilateurs.

4 BILAN DU PROJET 4.1 Dimension pédagogique

A l'issue du semestre, le projet n'étant pas terminé dans le cadre de la matière informatique industrielle en L2 EEA, les élèves ont continué le projet en tant que sta- giaires au laboratoire pendant trois semaines. Ils ont du apprendre à travailler en équipe, en relation avec des professionnels et s'organiser avec des méthodes de gestion de projet.

Les étudiants ont dû travailler dans une démarche PDCA[13]. Le point Act leur a permis d'apprendre à finaliser un projet en réalisant une documentation com- plète: référencement des tous les éléments techniques, plan de câblage, méthode de mise en route du Raspber- ry pi et commentaires des lignes de codes (python, php, sql). L'ensemble de cette documentation permettra de reprendre le projet afin d'être reproduit à des fins péda- gogiques pour réaliser des Travaux Pratiques ou déve- lopper le projet freecooling dans d'autres locaux infor- matiques.

Les étudiants ont été fortement motivés tant par l'aspect réel (projet utile), économique (gestion budgétaire), écologique (économie d'énergie) du projet que par les relations professionnelles qu’ils ont ici expérimentées.

4.2 Dimension technique

Après quelques mises au point sur certains paramètres du programme et quelques réglages électroniques au

niveau des capteurs, le système est fonctionnel depuis fin novembre 2016. Depuis sa mise en marche, les climatiseurs sont arrêtés et le système freecooling maintient aisément la température intérieure en dessous de la température de consigne des climatiseurs. Malgré notre situation géographique et au vu des données météorologiques historiques à Perpignan, nous pou- vons estimer une période de fonctionnement de huit mois pleins sur un an. D'après nos estimations, sur une année le système a un coût énergétique cinq fois moins important qu'avec les climatiseurs. Sur la figure 6 nous avons représenté la consommation annuelle du système complet, nous pouvons voir que l'été la climatisation est le poste de consommation énergétique majeur alors que le freecooling fonctionne seul l'hiver et majoritai- rement en intersaison.

fig 6 : Estimation de la consommation annuelle du système Annuellement, la consommation totale du système est estimée à 2500kWh, respectivement 460kWh pour le freecooling et 2050kWh pour la climatisation. Compa- ré à la consommation annuelle sans freecooling, uni- quement avec la climatisation, qui est de l'ordre de 12000kWh. Ainsi, le gain estimé est d’environ 10000kWh par an, correspondant à 1300€ annuel d'économie.

Si l'on compare ces économies financières au coût total du projet (figure 7) de l'ordre de 2000€, le système possède un retour sur investissement très intéressant de 1 an et demi.

Coût € TTC

Électronique 200€

Ventilateurs + filtre + pose 800€

Perçage des ouvertures 1000€

TOTAL 2000€

fig 7 : Coût financier du projet

Pour fiabiliser le système, un deuxième Raspberry Pi et des capteurs de secours sont "stockés sur étagère".

5 CONCLUSION

Ce projet fonctionnel et opérationnel a permis de mettre en avant qu'il est possible de refroidir un local multifonction produisant de l'énergie thermique tout en réalisant des économies d'énergie conséquentes esti-

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Consomation mensuelle en kWh Climatisation

Freecooling

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mées à un facteur 5 sur l'année. De plus ce projet péda- gogique mixant plusieurs disciplines (thermique, mé- canique des fluides, électronique, informatique indus- trielle et programmation) permettra de mettre en place des séances de TP et de projets tutorés pour un coût raisonnable.

Les prochaines évolutions du système freecooling consistent à évaluer l'énergie économisée et à améliorer la commande du ventilateur par un système d'inférence floue [14].

6 REMERCIEMENTS

Nous remercions le service technique de l'UPVD qui a réalisé les ouvertures ainsi que la Direction du Labora- toire PROMES pour leurs soutiens et plus particuliè- rement le service informatique. Un grand merci à Fais- sal Bakali, Arnaud Perona, Frederick Thiery et à Alain Bonet pour leur précieux soutien. Pour leur investisse- ment dans le projet, sont remerciés les étudiants : Pa- trice Pamphile, Thomas Font, Yoan Cazals en L3 EEA ainsi que Pierre Bonnet et Mathieu Soriano en L2 Enermat.

Bibliographie

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