Module 7 Free cooling et récupération de chaleur

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1 Module 7 Free cooling et récupération de chaleur
Version September 2011

2 Free cooling, free cooling à air, free cooling par liquide
Free cooling et considérations géographiques

3 Free cooling Le free cooling est une technique de refroidissement qui utilise les températures de l’air ou de l’eau extérieur(e), inférieures aux conditions intérieures requises. Plus la température extérieure moyenne est basse sur une année, plus l’opportunité du free cooling et son efficacité sont grandes ; La solution free cooling offre principalement deux options qui ne nécessitent pas de réfrigération : Refroidissement à l’air ambiant ; Refroidissement à l’eau à température ambiante.

4 Refroidissement à l’air ambiant (free air cooling)
Le potentiel du free air cooling est plus élevé d’après certains auteurs, l’air étant disponible en quantité illimitée ; D’autres sources indiquent en revanche que ce type de refroidissement devrait être utilisé avec prudence ; Il n’est pas recommandé d’utiliser des économiseurs classiques sans une analyse préalable des conditions climatiques locales (variations des températures et de l’humidité), et des possibles polluants dans l’air ; Cependant, l’utilisation d’échangeurs thermiques eau/air est généralement recommandée pour des climats où la température humide est inférieure à 13 °C environ 3000 heures/an.

5 Free cooling par liquide (Free liquid cooling)
Le free liquid cooling nécessite un échangeur thermique ; Le compresseur est refroidi via un circuit liquide relié à un échangeur thermique situé à l’extérieur ; Un échangeur thermique supplémentaire est connecté à un évaporateur, lui aussi connecté au circuit liquide ; L’ensemble peut agir comme un système de refroidissement standard, ou en free cooling lorsque les températures sont suffisamment basses ; Le refroidissement combiné avec à la fois free cooling et refroidissement forcé est possible aussi.

6 Considérations géographiques pour le free cooling
Source:

7 Considérations géographiques pour le free cooling
Source:

8 Free air cooling Usage direct d’air frais quand la température est au-dessous d’un seuil maximal prédéfini ; Un système de recirculation de l’air est utilisé pour mélanger l’air extérieur afin d’obtenir les conditions requises d’alimentation en air ; L’air extérieur a besoin d’être analysé et conditionné (i.e. filtré) car la présence de polluants et d’humidité (condensation) peut être problématique pour les équipements informatiques. Ventilateur de de free cooling HP dans un datacentre Source:

9 Free air cooling Free air cooling, from: Cooling strategies for IT equipment - HP

10 Free air cooling Concentration en polluants
La carte montre une concentration des polluants aéroportés en Europe en 2008 ; Le concentration en polluants est considérée comme une barrière à l’usage du free air cooling dans certaines régions : l’usage et la maintenance de filtres est souvent obligatoire.

11 Refroidissement par liquide – usage direct d’eau (free water cooling)
Free cooling indirect avec usage direct d’un économiseur d’eau De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

12 Refroidissement par liquide – usage direct d’eau (free water cooling)
Le free water cooling utilise l’air extérieur pour refroidir directement les liquides de refroidissement ; Les tours de refroidissement sont les principaux systèmes typiquement utilisés pour cette approche ; Un échangeur thermique/dry-cooler supplémentaire est directement ou indirectement connecté au système de refroidissement ; Cette approche implique souvent un refroidissement direct embarqué ou au niveau rack. La possibilité de températures plus élevées des liquides et un ΔT plus petit permettent des économies importantes, tout en évitant l’utilisation de refroidisseurs dans la quasi-totalité des cas. Dans un système direct, l’eau condensée circule directement dans la boucle de refroidissement. Les systèmes d’économiseur d’eau directs les plus courants utilisent des boucles indépendantes au sein de l’unité CRAC, permettant un refroidissement par l’une ou l’autre source (DX ou free cooling).

13 Refroidissement par liquide – usage indirect d’eau (free water cooling)
Le free cooling indirect avec usage indirect d’un économiseur d’eau utilisant un échangeur thermique From: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

14 Refroidissement par liquide – usage indirect d’eau (free water cooling)
Dans un système indirect, un échangeur thermique est ajouté afin de séparer les circuits d’eau condensée et d’eau refroidie ; Ce système est couramment utilisé conjointement avec des refroidisseurs à eau ; De l’énergie supplémentaire est utilisée pour pomper l’eau de l’échangeur thermique.

15 Récupération de chaleur

16 Récupération de chaleur
Même si la chaleur perdue dans un datacentre l’est par de l’air à basse température (40-45°C max) comparé à des procédés industriels, il est possible de mettre en place de la récupération de chaleur afin de maximiser l’efficacité énergétique globale du système ; Selon la puissance de refroidissement installée, on peut utiliser la chaleur rejetée par l’unité de refroidissement à eau, afin de préchauffer l’eau d’autres systèmes (eau de chauffage, eau sanitaire, eau de pompes à chaleur) ; Si aucun usage externe n’est possible, un système à activation thermique peut être implémenté au sein même du datacentre, en combinant la chaleur récupérée des refroidisseurs à un refroidisseur à absorption.

17 Récupération de chaleur
Système de récupération de chaleur avancé d’Intel (Source: Intel)

18 Approches pour le refroidissement modulaire
Technologie de refroidissement à eau pour des installations de serveurs haute densité From HP Modular Cooling System

19 Approches pour le refroidissement modulaire
Au vu des dernières évolutions de l’approche modulaire pour l’informatique et l’alimentation, les solutions de refroidissement modulaires sont le plus souvent utilisées lors de la rénovation des datacentres ; Dans certains datacentres existants, le refroidissement modulaire combine plusieurs techniques de refroidissement, comme le refroidissement au niveau rack et à air ; Le système modulaire : Empêche la formation de points chauds ; Autorise les densités élevées (jusqu’à 35 kW/rack) pour une empreinte faible ; Respecte avec précision les conditions environnementales requises. La technologie peut être utilisée pour éliminer le besoin en systèmes de refroidissement supplémentaires lors de la rénovation de datacentres et permet d’imposer des charges par rack plus élevées.

20 Utilisation du stockage de chaleur
Le stockage de chaleur est un système intégrable au système de refroidissement afin de gérer certaines situations particulières (pics de températures, interruptions de refroidissement), de baisser la consommation énergétique et de réduire le nombre de refroidisseurs supplémentaires nécessaires. Source: Intel

21 Utilisation du stockage de chaleur
Un système de stockage de chaleur permet la suppression d’une unité de refroidissement supplémentaire. Il est en général dimensionné pour amortir les pics de consommation, ce qui permet au refroidisseur de fonctionner lorsque la température extérieure diminue, améliorant ainsi son rendement (COP). Le stockage de froid peut être utilisé pour un laps de temps limité, par exemple en cas de panne du système ; Ce concept permet de réduire la consommation d’énergie et d’augmenter la fiabilité et la redondance du système. Le liquide généralement utilisé est l’eau. Dans certains cas, des systèmes à changement de phase sont utilisés (ce qui implique par exemple la formation de glace) ; Les systèmes de stockage nécessitent un investissement et une surface au sol plus élevés, mais leur coûts opérationnels sont plus faibles. Le stockage de chaleur dans le système du refroidissement peut aussi servir de base à la récupération de chaleur (pour chauffer ou alimenter une pompe à chaleur).

22 Recommandations de bonnes pratiques
Vidéo sur le free cooling d’un datacentre d’Intel

23 Vidéo sur le free cooling d’un datacentre d’Intel
Vidéo sur le free cooling d’un datacentre d’Intel (5 min)

24 Réduire les dépenses d’un datacentre à l’aide d’un économiseur d’air
(Source: Intel) La consommation énergétique totale était d’environ 500 kW en utilisant l’air conditionné dans les deux compartiments. En utilisant un économiseur, la charge du refroidisseur DX dans le compartiment de l’économiseur a diminué de 111,78 kW à 28,6 KW, ce qui représente une réduction de la consommation d’énergie de 74%.

25 Réduire les dépenses d’un datacentre à l’aide d’un économiseur d’air
Variation de température et d’humidité dans le compartiment de l’économiseur d’air de janvier à mai 2008 (Source: Intel)

26 Discussion Questions relatives à ce module

27 Questions relatives à ce module
Pensez-vous que le free cooling soit une solution d’économie d’énergie envisageable dans votre ville? Quelle est la solution la plus viable de votre point de vue ? Le refroidissement à air ou le refroidissement à liquide ? Pourquoi le mode indirect est-il sujet à des coûts opérationnels plus importants ?

28 Suggestions de lectures complémentaires
Livres blancs Publications en ligne Etc.

29 Lectures complémentaires
Data Center Heat Recovery Helps Intel Create Green Facility European Free Cooling Tool (The Green Grid) Reducing Data Center Cost with an Air Economizer Free Cooling with data center economizer solutions