Les centres de données et les systèmes CVC de centres de données sont des infrastructures critiques gourmandes en énergie qui fonctionnent 24 heures sur 24. Ils fournissent des fonctions informatiques vitales pour les opérations quotidiennes des principales organisations économiques, scientifiques et technologiques du monde entier. La quantité d’énergie consommée par ces centres est estimée à 3% de la consommation totale d’électricité dans le monde, avec un taux de croissance annuel de 4,4%. Naturellement, cela a un impact économique, environnemental et de performance énorme qui fait de l’efficacité énergétique des systèmes de refroidissement l’une des principales préoccupations des concepteurs de centres de données, devant les considérations traditionnelles de disponibilité et de sécurité. Cet article traitera des normes du centre de données ASHRAE qui sont en corrélation avec ces préoccupations.

Les normes du centre de données ASHRAE et les études connexes montrent également que le plus grand consommateur d’énergie dans un centre de données typique est l’infrastructure de refroidissement (50%), suivie des serveurs et des périphériques de stockage (26%). Ainsi, afin de contrôler les coûts tout en répondant à la demande croissante d’installations de centres de données, les concepteurs doivent faire de l’infrastructure de refroidissement et de son efficacité énergétique leur objectif principal; en introduisant les normes ASHRAE pour les centres de données.

CVC pour centres de données : Quelles normes suivre ?

Jusqu’à récemment, cette tâche était difficile en raison du fait que les normes de l’industrie utilisées pour évaluer l’efficacité énergétique des centres de données et des installations de serveurs étaient incohérentes. Pour établir une règle de gouvernance pour les mesures d’efficacité énergétique CVC des centres de données, l’efficacité de la consommation d’énergie (PUE) a été introduite en 2010. Cependant, il a servi de mesure de performance plutôt que de norme de conception et n’a toujours pas abordé les composants de conception pertinents, de sorte que le problème est resté.

Nouvelle Norme d’efficacité Énergétique ASHRAE 90.4

Cela a conduit l’American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), l’une des principales organisations responsables de l’élaboration de lignes directrices pour divers aspects de la conception des bâtiments, à développer une nouvelle norme plus pratique pour l’industrie des centres de données. la norme ASHRAE 90.4, conçue pour les centres de données ASHRAE, est en développement depuis plusieurs années et a été publiée en septembre 2016, apportant une norme indispensable à la communauté des centres de données. Selon l’ASHRAE, cette nouvelle norme CVC pour centres de données, entre autres, « établit les exigences minimales d’efficacité énergétique des centres de données pour la conception et la construction, pour la création d’un plan d’exploitation et de maintenance et pour l’utilisation des ressources énergétiques renouvelables sur site ou hors site. »

 normes du centre de données ashrae modèle de refroidissement du centre de données
Modèle du centre de données

Dans l’ensemble, cette nouvelle norme ASHRAE 90.4 contient des recommandations pour la conception, la construction, l’exploitation et la maintenance des centres de données. Cette norme ASHRAE pour centres de données aborde explicitement les besoins énergétiques uniques des centres de données par opposition aux bâtiments standard, intégrant ainsi les aspects et les risques les plus critiques entourant le fonctionnement des centres de données. Et contrairement à la mesure de l’efficacité énergétique PUE, les calculs de l’ASHRAE 90.4 sont basés sur des composants représentatifs liés à la conception. Les organisations doivent calculer l’efficacité et les pertes pour différents éléments des systèmes et les combiner en un seul nombre, qui doit être égal ou inférieur aux chiffres maximaux publiés pour chaque zone climatique.

Comment la dynamique des fluides Computationnelle Peut vous aider à vous conformer à ASHRAE 90.4

Un certain nombre de stratégies de conception de systèmes de refroidissement ou de variations de disposition du sol différentes peuvent affecter les résultats, modifiant ainsi l’efficacité, créant des points chauds ou modifiant la quantité d’infrastructure requise pour la conception. La dynamique des fluides computationnelle (CFD) offre une méthode d’évaluation de nouvelles conceptions ou de modifications de conceptions existantes avant leur mise en œuvre conformément aux normes du centre de données ASHRAE.

Pour savoir comment le CFD peut vous aider à réduire la consommation d’énergie excessive de vos systèmes de centre de données et à vous conformer à la norme ASHRAE 90.4, regardez ce webinaire:

Stratégies de conception pour réduire la consommation d’énergie du centre de données

Concevoir une nouvelle installation de centre de données ou en modifier une existante pour maximiser l’efficacité du refroidissement peut être une tâche difficile. Les stratégies de conception pour réduire l’efficacité énergétique d’un centre de données comprennent:

  • Positionnement des centres de données en fonction des conditions environnementales (situation géographique, climat, etc.)
  • Décisions de conception basées sur la topologie de l’infrastructure (infrastructure informatique et normes de niveau)
  • Adapter les meilleures stratégies de système de refroidissement

L’amélioration de la configuration du système de refroidissement du centre de données est une opportunité clé pour l’ingénieur de conception CVC de réduire la consommation d’énergie. Certaines des différentes stratégies de refroidissement que les concepteurs et les ingénieurs suivent pour économiser l’énergie sont:

  • Climatiseurs et manipulateurs d’air
    Les types les plus courants sont les unités de climatiseur (AC) ou de gestionnaire d’air de salle informatique (CRAH) qui soufflent de l’air froid dans la direction requise pour éliminer l’air chaud de la zone environnante.
  • Allée chaude / allée froide
    L’air froid (ou allée) est passé à l’avant des racks de serveurs et l’air chaud sort du côté arrière des racks. L’objectif principal ici est de gérer le flux d’air afin de conserver l’énergie et de réduire les coûts de refroidissement. L’image ci-dessous montre les mouvements de flux d’air des allées froides et chaudes dans un centre de données.
  • Confinement de l’allée chaude / de l’allée froide
    Le confinement des allées chaudes / froides sert principalement à séparer l’air froid et l’air chaud de la pièce et à éliminer l’air chaud des armoires. L’image ci-dessous montre le mouvement détaillé du flux d’air du confinement froid et chaud individuellement.

 Confinement de l'allée chaude de l'allée froide ASHRAE 90.4

  • Refroidissement par liquide
    Les systèmes de refroidissement par liquide offrent un autre moyen de dissiper la chaleur du système. Cette approche comprend les climatiseurs ou les réfrigérants avec de l’eau froide à proximité de la source de chaleur.
  • Refroidissement vert
    Le refroidissement vert (ou free cooling) est l’une des technologies durables utilisées dans les centres de données. Cela pourrait impliquer simplement l’ouverture d’une fenêtre de centre de données recouverte de filtres et de persiennes pour permettre des techniques de refroidissement naturel. Cette approche permet d’économiser énormément d’argent et d’énergie.

Identifier la bonne combinaison de ces techniques de refroidissement peut être difficile. Voici comment la simulation de CFD peut faciliter cette tâche.

Étude de cas: L’amélioration des systèmes de refroidissement des centres de données

La dynamique des fluides computationnelle (CFD) peut aider les ingénieurs CVC et les concepteurs de centres de données à modéliser un centre de données virtuel et à étudier la température, la vitesse du flux d’air et les champs de pression de manière rapide et efficace. L’analyse numérique présente à la fois le contour visuel 3D et des données quantitatives très détaillées mais faciles à comprendre. Les zones de flux de recirculation complexes et les points chauds sont facilement visualisés pour aider à identifier les défauts de conception potentiels. La mise en œuvre de différentes décisions et stratégies de conception dans le modèle virtuel est relativement simple et peut être simulée en parallèle.

Systèmes de refroidissement de centres de données: Aperçu du projet

Pour les besoins de cette étude, nous avons utilisé un projet de simulation de la Bibliothèque de projets publics SimScale qui étudie deux conceptions de systèmes de refroidissement de centres de données différents, leur efficacité de refroidissement et leur consommation d’énergie. Il peut être librement copié et utilisé par tout utilisateur SimScale.

Les deux scénarios de conception sont présentés dans la figure ci-dessous:

 comparaison de la conception du système de refroidissement des centres de données

La première conception que nous envisagerons utilise une configuration à plancher surélevé, un système de refroidissement fréquemment mis en œuvre dans les centres de données. Lorsque cette technique est utilisée, de l’air froid pénètre dans la pièce à travers les carreaux perforés du sol et refroidit à son tour les racks de serveurs. De plus, le deuxième modèle utilise un confinement des allées chaudes et une configuration de plafond abaissé pour améliorer l’efficacité du refroidissement. Nous utiliserons les CFD pour prédire et comparer les performances des deux conceptions et déterminer la meilleure stratégie de refroidissement.

Normes du Centre de données ASHRAE: Résultats de simulation CFD

Conception de base du Système de refroidissement du Centre de données

Nous avons étudié la distribution de la température et le champ de vitesse à l’intérieur de la salle des serveurs pour les deux configurations de conception. Les images de post-traitement ci-dessous montrent les champs de vitesse et de température pour la section médiane du plan de base. On peut observer que l’air chaud est présent dans la région de l’allée froide. Cela est dû au mélange des allées froides et chaudes dans le centre de données environnant. La vitesse maximale pour cette conception de base est de 0,44 m / s avec une plage de température de 28,6 à 49,7 degrés Celsius.

Le contour de température montre que les zones entre les deux racks de serveurs sont beaucoup plus refroidies par rapport aux autres. Les raisons de cela peuvent être comprises en regardant les schémas d’écoulement.

Il est évident dans l’image ci-dessus que dans les rangées de serveurs où des entrées sont présentes, le haut des racks voit une direction d’écoulement descendante, au lieu du flux ascendant souhaitable des entrées elles-mêmes. Cela est dû aux forts courants de recirculation entraînés par les forces de flottabilité thermique. Cet effet est très indésirable, car il réduit l’efficacité du refroidissement spécifiquement pour les étagères supérieures des racks de serveurs. Cet effet pourrait être minimisé en permettant un flux d’air approprié au-dessus des racks, soit en augmentant la hauteur du plafond, en plaçant des sorties plus réparties au plafond, soit en utilisant une sorte de système de contrôle de flux actif (ventilateurs) pour diriger le flux au-dessus des racks de serveurs. Ou plus simplement, en empêchant l’air chaud provenant des racks de circuler librement.

 normes du centre de données ashrae

Le diagramme de température montre une stratification de température significative qui est à prévoir compte tenu des courants de recirculation importants. Nous pouvons observer que seuls les serveurs les plus bas reçoivent un refroidissement approprié.

Conception améliorée du système de refroidissement du centre de données

Les deux images suivantes montrent la distribution de la vitesse et de la température pour le scénario de conception améliorée, volet de la section centrale.

 normes du centre de données ashrae

Le champ de vitesse indique que le flux est maintenant dirigé vers les sorties. Cela est dû à la présence d’un confinement sur le dessus des racks. Cela se traduit également par une meilleure répartition de la température. Les zones froides entre les racks de serveurs sont particulièrement étendues.

 normes du centre de données ashrae

L’image ci-dessus montre comment le confinement à chaud empêche le flux ascendant de recirculer vers les rangées d’entrée. Il en résulte un schéma d’écoulement global plus propre par rapport à ce qui a été observé dans la conception précédente. Il est également évident que la nouvelle conception réduit la stratification de la température, en particulier dans les régions contenues entre les serveurs.

 normes du centre de données ashrae

La température moyenne calculée pour chaque rack est inférieure d’environ 23% pour la conception améliorée.

Cela se reflète également dans la diminution de la quantité d’énergie qui doit être fournie au serveur pour éviter la surchauffe. En moyenne, des économies d’énergie de 63% ont été réalisées pour le système de refroidissement du centre de données.

 Normes ashrae pour centres de données

Systèmes de refroidissement pour centres de données: Conclusions & Conformité aux normes du centre de données ASHRAE

Un centre de données typique peut consommer jusqu’à 25 000 foyers d’énergie. Avec l’augmentation du coût de l’électricité, l’augmentation de l’efficacité énergétique est devenue la principale préoccupation des concepteurs de centres de données d’aujourd’hui.

Cette étude de cas n’était qu’une petite illustration de la façon dont la simulation CFD peut aider les concepteurs et les ingénieurs à valider leurs décisions de conception et à prédire avec précision les performances de leurs systèmes de refroidissement de centre de données pour s’assurer qu’aucune énergie n’est gaspillée, et conformément aux normes du centre de données ASHRAE. L’analyse complète a été effectuée dans un navigateur Web et n’a pris que quelques heures de temps manuel et de calcul. Pour en savoir plus, regardez l’enregistrement du webinaire:

Si vous souhaitez en savoir plus sur les normes des centres de données ASHRAE et sur la façon dont la simulation CFD aide les ingénieurs et les architectes à améliorer les systèmes CVC des centres de données ainsi que les performances globales des bâtiments, téléchargez ce livre blanc gratuit.

  • W. V. Heddeghem et coll., Tendances de la consommation mondiale d’électricité TIC de 2007 à 2012, Comput. Commun., vol. 50, p. 64 à 76, sept. 2014
  • Top 10 des conseils d’économie d’énergie pour un centre de données plus écologique, Groupe de recherche Info-Tech, London, ON, Canada, Avr. 2010, http://static.infotech.com/downloads/samples/070411_premium_oo_greendc_top_10.pdf
  • Norme ASHRAE 90.4 -2016 – Norme Énergétique pour les centres de données, https://www.techstreet.com/ashrae/standards/ashrae-90-4-2016

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