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Améliorer l’efficacité du process de refroidissement des DataCenter

Une expertise de ABB

Les variateurs de fréquences (VFD) en DataCenter offrent de nombreux avantages

Les DataCenter utilisent aujourd’hui environ 2 % de la production énergétique mondiale et leur demande en énergie devrait être multipliée par huit pour atteindre les 3 200 Térawattheures (TWh) d’ici 2030. En moyenne, 40 % de cette énergie est utilisée par les systèmes de refroidissement pour assurer le fonctionnement de l’installation 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. C’est pourquoi on n’a jamais autant mis l’accent sur l’amélioration de l’efficacité énergétique des DataCenter grâce à l’augmentation de rendement des ventilateurs, des pompes et des compresseurs qui constituent le cœur des systèmes de refroidissement des DataCenter.

Les variateurs de fréquence (VFD) contrôlent la vitesse des moteurs électriques utilisés dans les applications de ventilation afin qu’ils utilisent la quantité d’énergie nécessaire pour produire le flux d’air à un moment donné. Ils offrent donc non seulement une efficacité énergétique accrue, mais aussi la fiabilité, la disponibilité, l’opérabilité, la sécurité, la facilité d’entretien, l’évolutivité et la durabilité.

Efficacité du système à charge partielle

Les systèmes de refroidissement des DataCenter sont dimensionnés pour gérer les pics de charge dans les conditions les plus défavorables, comme la chaleur de l’été ou la défaillance d’un composant. Mais, dans la plupart des cas, ils ne fonctionnent pas à leur charge nominale. Pendant une grande partie de leur vie, ils fonctionnent à charge partielle. Le défi consiste à faire en sorte que le système de refroidissement puisse s’adapter au profil de charge variable du DataCenter afin de maintenir une efficacité élevée du système, même à charges partielles.

Il existe de nombreuses options en ce qui concerne les moteurs et les solutions de contrôle de vitesse pour les ventilateurs, les pompes et les compresseurs. Lorsqu’on examine leur efficacité, il est important de considérer l’effet total des performances électriques et mécaniques. Un moteur à haut rendement fonctionnant en combinaison avec un variateur peut offrir un rendement global supérieur.

Qualité de l’alimentation électrique

La fiabilité est essentielle pour les DataCenter, et leurs systèmes de refroidissement jouent un rôle vital pour garantir que l’installation est toujours opérationnelle. Les harmoniques dans le réseau électrique sont l’un des principaux facteurs qui influent sur la fiabilité.

Bien que les variateurs de fréquence contribuent de manière très significative à l’efficacité énergétique, ils provoquent, avec d’autres charges non linéaires (comme les onduleurs et les systèmes de stockage sur batterie), une distorsion de la forme des ondes de courant et de tension, ce qui augmente les harmoniques, polluant l’alimentation électrique. Les courants harmoniques génèrent des pertes et donc une dissipation de chaleur supplémentaire. Cela peut augmenter le risque de dysfonctionnements et des pannes d’équipement provoquant des temps d’arrêts des installations.

Les courants harmoniques doivent être réduits au minimum et, du point de vue du système, il est bien sûr possible de surdimensionner les câbles, les fusibles et l’appareillage de protection. Mais s’il n’y a pas d’atténuation, comme c’est le cas pour certains ventilateurs EC (Ventilateurs à commutation électronique – EC Fans), le besoin de surdimensionner peut donc aller jusqu’à 30 %.

En plus des coûts liés à la réduction de la durée de vie des équipements, aux problèmes de processus et à la maintenance constante des dispositifs défectueux, les coûts d’exploitation peuvent encore être augmentés par les pénalités imposées par les fournisseurs d’énergies pour le rejet des harmoniques sur le réseau d’alimentation public.

La solution consiste à utiliser des variateurs à très faible taux d’harmoniques (ULH Ultra Low Harmonics) conçus spécifiquement pour les applications CVC car ils peuvent maintenir un très faible taux d’harmoniques, même à charges partielles, directement à la source. Avec une analyse correcte du système, l’ajout de variateurs de fréquence ULH, aux pompes, aux ventilateurs et au groupe froid peut éliminer le besoin de solutions d’atténuation des harmoniques externes coûteux pour l’ensemble du système.

Il est également nécessaire de prendre en compte le type de charge sur le réseau, car il affecte le facteur de puissance – une mesure de l’efficacité avec laquelle les équipements utilisent l’électricité. Les serveurs de données sont des charges capacitives. Les équipements de refroidissement ont des charges inductives importantes. Les deux types de charges sont des sources de puissance réactives qui ont un impact sur le facteur de puissance et, là encore, provoquent des pertes d’énergie ainsi qu’un fonctionnement instable des équipements du système électrique, notamment les onduleurs et les générateurs.

Pour une utilisation efficace de l’électricité et la fiabilité du réseau électrique, le facteur de puissance du DataCenter doit être proche ou égal à l’unité (1).

L’utilisation de variateur ULH permet de garantir un facteur de puissance à 1 quel que soit la charge sans ajout d’équipement externe supplémentaire.

Les derniers éléments de la qualité de l’alimentation électrique sont les interférences radioélectriques ou perturbations électromagnétiques (RFI). Les DataCenter utilisent une grande quantité d’équipements à vitesse variable pour économiser l’énergie. Dans le même temps, tous les équipements à vitesse variable génèrent du bruit électromagnétique, à la fois rayonné et conduit dans les câbles, qui est transmis dans tout le DataCenter et dans les bâtiments voisins. Ces émissions peuvent également affecter la sécurité et les performances des équipements informatiques des DataCenter. Tout équipement à vitesse variable doit être conforme à la norme CEM pour les systèmes d’entraînement de puissance EN61800-3.

La négligence dans le respect des normes CEM peut entraîner de graves problèmes. Non seulement il sera nécessaire d’installer des filtres externes à un coût supplémentaire par la suite, mais aussi la réduction du bruit haute fréquence une fois l’installation terminée peut être une tâche presque impossible. En effet, les câbles peuvent contenir des bruits hautes fréquences qui rayonnent également. Si, par exemple, les câbles d’alimentation et moteurs sont installés dans le même chemin de câbles, les filtres RFI sont inefficaces, et la seule solution consiste à déplacer l’un des deux câbles vers un chemin séparé, ce qui représente un coût substantiel.

Fonctionnement et facilité d’utilisation

Il existe plusieurs approches pour le contrôle de la vitesse des moteurs des ventilateurs dans les DataCenter. Une approche consiste à utiliser des ventilateurs EC – une solution de contrôle de la vitesse packagée avec un moteur et un ventilateur. S’ils sont installés dans un réseau de ventilateurs, ils offrent une redondance si l’un des moteurs tombe en panne. Mais ces équipements sont généralement commandés par bus de terrain, et l’inconvénient est qu’il n’y a pas de mode “manuel”, donc le ventilateur est hors service si la connexion avec le système de contrôle commande est perdue. Il n’est pas non plus possible d’utiliser un by-pass.

L’alternative est d’utiliser plusieurs moteurs à courant alternatif, chacun étant contrôlé par son propre VFD. Il permet de contrôler individuellement les ventilateurs dans une application de réseau de ventilateurs ou de les contrôler via un bus de terrain. La connectivité BACnet peut fournir une interface facile à utiliser. Les modes “Hand” et “Auto” permettent de contrôler le ventilateur même si le système de contrôle est défaillant. Il y a également une redondance de sorte que, si une ou plusieurs unités tombent en panne, les autres continueront à fonctionner avec une vitesse accrue.

Dans le cas des réseaux de ventilateurs en particulier, il est important d’envisager ce qui se passe en cas de défaillance du moteur ou de l’entraînement. Pour un ventilateur EC ou un ventilateur avec moteur intégré, il est souvent nécessaire de remplacer l’unité complète. Cela est coûteux, peut impliquer un long délai d’exécution et a un impact sur la durabilité puisque l’unité est mise au rebut. En cas de panne d’un moteur avec variateur intégré, les composants peuvent généralement être remplacés individuellement. Toutefois, les pièces de rechange pour les moteurs et les variateurs sont souvent confiées à un fournisseur de pièces détachées, ce qui entraîne de longs délais et des coûts plus élevés pour les remplacer.

Le choix optimal pour une meilleure facilité d’entretien est de spécifier des moteurs, des variateurs et des ventilateurs autonomes, car dans la plupart des cas, chaque composant peut être remplacé le jour même. Cela a également un impact positif sur la durabilité car seul le composant défectueux est remplacé

Disponibilité du système de refroidissement

Les fonctionnalités intégrées dans les variateurs de fréquence conçus spécifiquement pour les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation peuvent contribuer de manière significative à l’augmentation de la disponibilité de l’ensemble du système de refroidissement et de ventilation. Par exemple, le démarrage en douceur du moteur élimine les contraintes mécaniques sur le système de tuyauterie ainsi que sur les applications telles que les pompes, les compresseurs ou les ventilateurs. Les fonctionnalités supplémentaires peuvent être l’indication de la défaillance d’un roulement par la surveillance du couple ; la surveillance de la pression dans une canalisations afin de détecter d’éventuelles fuites ; le mode incendie (Override) pour aider le système d’extinction des incendies à réagir correctement et à protéger les équipements ainsi que les personnes en cas d’incendie.

Évolutivité

La seule chose sûre est que la densité des serveurs des DataCenter va continuer à augmenter. Cela signifie que les charges thermiques vont également augmenter. C’est là que les variateurs de fréquence développés spécifiquement pour les applications CVC offrent un avantage important, car ils sont conçus avec une flexibilité et une évolutivité intégrée.

Plus d’informations : https://new.abb.com/data-centers/fr/

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