Le free cooling

Définition

Le free cooling (refroidissement gratuit) consiste à utiliser directement l’air extérieur pour refroidir un local on introduit de l’air extérieur si celui-ci est d’une température plus basse que l’air repris(intérieur)et que la régulation est en demande de froid.
L’admission de cet air plus frais se fait par l’intermédiaire d’un volet, de registres motorisés commander une régulation ou par des CTA asservie par variateur (c’est cette dernière solution que nous avons retenue). Ce système peut remplacer complètement la puissance frigorifique distribuée par les compresseurs ou les vannes trois voies lorsque la température de l’air extérieur le permet et ceci jusqu’à que la demande de froid devienne trop importante et à ce moment la régulation démarrera le ou les compresseurs ( roof top etc)ou ouvrira les vannes trois voies (pour les Cta.)

Le Free Cooling est intéressant énergétiquement pour les locaux avec de fortes charges internes,Data center,magasin avec beaucoup d’éclairage ou a forte occupation,casino de jeux,enfin des locaux ayant des besoins en rafraichissement une grande partie de l’année.

Le refroidissement des centres informatiques par l’air extérieur (free cooling en anglais) fait des émules en France. Pour une raison simple. Dans un datacenter traditionnel, il faut 1 à 2 kWh de refroidissement pour 1 kWh d’informatique. L’utilisation de l’air froid extérieur, gratuit, permet de réaliser de belles économies tout en réduisant les émissions de CO2 de l’informatique. Chaque kWh électrique consommé produit en effet des déchets radioactifs et environ 100 grammes de CO2.

 

Projet

Un de nos partenaire nous a demander de réaliser une installation de free cooling pour leur data center situer dans les Alpes maritimes.
A l’aide de deux CTA de 40 000M3/h d’aire sur un data center de 300M2 équipé de sept climatisations de 90Kw de froid chaqu’unes délivrant 20 000m3/h d’air.

Les serveurs en place on une consommation électrique de 320A soit 221,702Kva

le contexte

Pour un datacenter standard, l’énergie consommé pour refroidir les équipements IT correspond à environ 40% du total de l’énergie consommé dans le datacenter

Une étude qui prouve qu’environ 50% du temps même dans le sud de la France on peu refroidir un centre informatique sans produire de froid

Les armoires de production de froid fonctionnent 24h/24h depuis plus de 8 ans sans interruption avec comme conséquences des coût de maintenance qui pourrait être réduit, mais au détriment d’un investissement massif pour les remplacer par de plus performants

Nous maîtrisons parfaitement la salle et ses environnements technique

Nous avons instrumenté l’ensemble des paramètres de consommation de la salle, de la production de froid, ainsi que leurs comportements
Instrumenter le système afin de mesurer son efficacité pour la production et pour un développement durable, puis partager avec le groupe notre retour d’expérience

Objectifs et enjeux

Atteindre un PUE annuel de 1.5 et réduire le TCO par du serveur qui est déjà très compétitif par rapport au benchmark

cop

Au moins 50% de fonctionnement annuel avec un ROI sur 3 ans

Un cout de réalisation inférieur à celui du remplacement des trois plus anciennes armoires de production de froid
Pour information leur remplacement couterait environ 240 k€

Utiliser l’infrastructure de collecte TCP/ModBus déjà en place sans embarqué un nouveau produit dédié et qui s’adapte aux outils déjà en place

Réalisation

Une contrainte : Adapter le système de free cooling a la structure du bâtiment sans changer quoi que ce soit, et qui soit entièrement démontable, sans pour autant le rendre moins efficace

Réalisation : Installation de deux CTA (Centrale de Traitement de l’Air) à l’extérieur du bâtiment

Réseau de gaines qui passe par le toit puis rentrer en salle par les skydome puis qui viennent souffler l’air frais à l’entrée de la reprise d’air des UTA via le plenum en faux plafond

Une station météo installé sur le toit qui nous indique tous les paramètres essentiels
Température et humidité de l’air extérieur
Vitesse et direction du vent
Pluviométrie et sonde luxmètre
Pression atmosphérique

Déplacement des sondes de température et d’humidité de reprise des UTA dans les
cold corridor

-Un pilotage par la température de l’air extérieur
-Un arrêt du free cooling automatique au bout d’une minute lorsque la température extérieur a atteint 25°C *
-La relève par les compresseurs est automatique par l’intermédiaire de la gestion de la T° extérieur de la station météo

-Un ensemble totalement automatisé et paramétrable
-Plus de 100 point de mesures pratiquement en temps réel

station météo

soufflage en toiture

De l’extérieur à l’intérieur

Température, taux d’humidité et vitesse de l’air dans les gaines du faux plafond et dans les planchés des rues froide.

Températures comprises entre 21°C et 26°C dans les corridor froid
Un delta T de 5°C maximum grâce à la régulation des CTA selon températures extérieurs et un taux d’humidité entre 30% et 40%
Une mise en application des recommandations ASHRAE 2008

En direct du compteur EDF

Collecte via borne téléinfo (fabrication maison) des valeurs du compteur EDF

Baisse de la consommation de puissance active qui est facturé en hiver de la façon suivante :
6.39 cts€/kWh en heure de pointe (6h00-8h00 et 20h00-22h00)
5.14 cts€/kWh en heure pleine hiver (08h00 à 20h00
3.93 cts€/kWh en heure creuse hiver (22h00 à 06h00)

Baisse de la consommation de puissance réactive (moindre sollicitation des compresseur
des clim) et baisse de la tangente PHI qui sert à facturer les kVA réactif
kVAr facturé uniquement si la consommation dépasse 40% de la puissance active
1,77 cts€/kVArh uniquement en hiver de novembre mars

les résultats sur la chaine énergie de production de froid

 

On note une augmentation du facteur de puissance du réseau électrique de
production de froid de 0,8 à 0,9 lorsque les compresseurs ne sont plus sollicités.

Ce qui améliore le réseau et diminue les pertes induite par les moteurs.

Sur les graphes ci-dessous, la courbe verte indique la consommation énergétique de production du froid et la courbe rouge la consommation IT

Pour l’année 2007 l’échelle minimum est mise à 35kW qui correspond à la ventilation des 5 climatiseurs que nous avions à l’époque
En 2007 aucune optimisation, température de reprise à 21°C et 5 groupe de froid en production

Pour l’année 2010 l’échelle minimum est mise volontairement à 73kW qui correspond à la consommation de la ventilation des climatiseurs et des deux CTA, au delà c’est de la production de froid, qui comme vous pouvez le constater est quasi nulle.
En 2010 on est déjà en optimisation avec les cold corridor et les températures de reprise à 27°C et 7 groupe de froid dont un en spare

On peu dire que l’on économise environ 130 kWh pour la production de froid

De 0 à 73Kw cela correspond a la consommation des ventilateurs des climatiseurs et des deux CTA.
A partie de 73Kw cela correspond a la production de froid par les compresseurs.

Le temps de fonctionnement des compresseurs pour la période du
26/02/2010 au 15/03/2010 est de 0.09%

Cette réalisation montre l’intérêt que peu apporter le free cooling dans la région PACA

Une réduction des émissions de CO² de 57 tonnes, soit 15.6 tonnes d’équivalent carbone

Un geste eco-responsable non négligeable pour un petit centre, mais un système de compensation par des certificats d’économies d’énergie mal adapté.

* 1 kW/h = 0,06 kg CO2
Source «Note de cadrage sur le contenu du kWh par usage en France» de l’ADEME et EDF
** 1 kg de C0² = 0.2727 kg de carbone

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