Repenser la conception du centre de données pour maximiser l'efficacité énergétique et la durabilité

Gordon Johnson, ingénieur CFD principal, Subzero Engineering
William Frantz, scientifique principal en chef, membre de l'ASHRAE

La plupart des salles informatiques et des centres de données existants sont équipés de planchers surélevés où la distribution d'air froid par le sous plancher est fournie à l'équipement informatique au moyen de tuiles perforées. De plus, le plancher surélevé est également utilisé comme espace pour les câbles de données et le câblage électrique. Cette conception existe depuis des décennies et continuera sans aucun doute à être déployée dans les projets de construction de centres de données.

Cependant, les centres de données continuent d'évoluer et, récemment, de plus en plus de centres de données sont conçus avec des planchers en dalles et un câblage aérien. Plutôt que d'installer des conduits coûteux et non flexibles pour fournir le refroidissement à partir d'évents aériens de diffusion, les ingénieurs constatent une grande efficacité et une durabilité élevée en inondant la pièce avec une alimentation d'air froid provenant de dispositifs de refroidissement périmétrique, de climatisation de salle informatique, de traitement d'air ambiant de salle informatique (CRAC/CRAH), ou d'autres méthodes de refroidissement (appareil de refroidissement accessible par le toit, ventilateurs muraux, etc.). Le confinement des allées chaudes sépare l'air d'alimentation froid de l'air d'évacuation chaud, et un capot de retour d'air renvoie l'air d'évacuation vers les dispositifs de refroidissement. Cette conception gagne également en popularité en raison de sa simplicité et de sa flexibilité.

Pourquoi les centres de données à très grande échelle et les plus petits adoptent-ils cet aménagement? Qu'est-ce qui rend cette conception plus simple et plus polyvalente? Comment la conception affecte-t-elle l'optimisation du flux d'air et du refroidissement? Qu'est-ce qui la rend économe en énergie et durable? Qu'en est-il de la fiabilité des équipements?

Cette question et le débat qui l'entoure existent depuis aussi longtemps que nous avons des centres de données. Il existe également une quantité infinie de matériel de lecture sur ce sujet, y compris d'innombrables livres blancs pour soutenir chaque côté. Pour certains, la décision se résume simplement à « c'est ainsi que nous avons toujours conçu nos centres de données ».

Mais comme mentionné dans l'introduction, les centres de données et leurs méthodologies de refroidissement évoluent, tout comme la nécessité de les rendre énergiquement économiques et durables. Ce n'est pas parce que l'industrie des centres de données a fait quelque chose ou a construit des centres de données d'une certaine manière au cours des 20 dernières années que c'est la meilleure ou la plus appropriée pour aller de l'avant.

Par exemple, la plupart des premiers centres de données étaient équipés de planchers surélevés qui sont utilisés pour la distribution d'air sous le plancher au moyen d'un système de plancher surélevé sous pression qui fournit de l'air froid à l'équipement informatique à travers des dalles perforées. De plus, cette zone de plancher surélevé est souvent utilisée comme zone pour faire passer à la fois les câbles de données et le câblage électrique.

Les planchers en dalles existent également depuis des décennies, mais n'ont pas la même popularité que les planchers surélevés. Jusqu'à récemment, les conceptions de planchers en dalles signifiaient que l'air froid était fourni à l'équipement informatique au moyen de conduits aériens et de diffuseurs. Un des problèmes avec cette conception, c'est le manque de flexibilité lors du déplacement et de l'ajout de bâtis au sol. Une fois le système de conduits installé et en place, les bâtis doivent être positionnés de manière à ce que les diffuseurs reposent directement au-dessus des allées froides, ce qui n'est malheureusement pas toujours le cas. Cela entraîne des difficultés pour amener l'air d'alimentation froid à l'endroit où il est nécessaire — au niveau des entrées du serveur. À mesure que la densité des bâtis change et augmente, il est également difficile d'augmenter le débit d'air en pieds cubes par minute (pi3/min) vers des emplacements précis, tout comme de déterminer le débit d'air fourni par chaque diffuseur individuel.

De plus, le retour de l'air chaud d'évacuation vers les dispositifs de refroidissement peut également être problématique puisque les retours sont situés sur le devant ou au bas des appareils de conditionnement/traitement de l'air, et l'air chaud d'évacuation veut naturellement monter vers le plafond. Le confinement des allées froides peut et doit être utilisé pour ces aménagements, mais peut être difficile à installer en raison de l'emplacement et de la hauteur des conduits existants.

Qu'en est-il de l'optimisation de la circulation d'air et de l'efficacité du refroidissement? Cela dépend de la personne à qui vous le demandez. Certaines personnes disent que du point de vue de la flexibilité de l'aménagement, un plancher surélevé est préférable parce qu'il est plus facile d'ajouter et de réorganiser les tuiles perforées selon les besoins. D'autres personnes soutiennent que le refroidissement par le haut a tendance à produire moins de problèmes de fuite d'air ou de dérivation d'air (air perdu). Alors, quand faut-il utiliser un plancher surélevé et quels sont les avantages de la conception du plancher surélevé?

Quand utiliser les planchers surélevés

Un exemple de situation où le plancher surélevé pourrait encore être le meilleur choix est celui des centres de données qui servent d'installations multilocataires (MTDC) ou de colocations. La raison pour laquelle le plancher surélevé est avantageux est qu'il peut offrir une flexibilité pour ajouter du refroidissement et de l'électricité en cas de besoin, par exemple lorsque de nouveaux clients emménagent ou doivent agrandir leur aménagement. Souvent, il est plus facile de faire passer de nouveaux conduits et tuyaux sous le plancher surélevé qu'au-dessus. Un autre scénario où les planchers surélevés peuvent être préférés est lorsque le centre de données a des bâtis à faible densité de puissance. Cela peut signifier beaucoup de mouvements et de changements de bâtis, en particulier dans les espaces d'hébergement en cage, de sorte qu'un plancher surélevé reste souvent le meilleur choix. ¹

De plus, la distribution efficace de l'air d'alimentation froid et, le cas échéant, au moyen de conduits aériens dans une salle avec un sol en dalles peut être difficile. Dans le cas d'un plancher surélevé, il peut suffire de réaménager les tuiles perforées pour modifier correctement la répartition du flux d'air vers les équipements informatiques. ²

Peu importe les avantages, il existe de nombreuses raisons pour lesquelles de plus en plus de nouvelles conceptions de grands et petits centres de données s'éloignent du plancher surélevé traditionnel et utilisent à la place la conception de plancher en dalles. Quand faut-il utiliser un plancher en dalles et quels sont les avantages de la conception du plancher en dalles?

Centre de données avec plancher surélevé

Quand utiliser les planchers en dalles

En ce qui concerne l'installation et le déplacement des équipements, ainsi que les coûts d'entretien, le plancher en dalles est le meilleur choix. Il n'y a aucune inquiétude à placer et à déplacer des équipements plus récents et plus lourds sur des zones du plancher qui ne sont pas conçues pour soutenir le poids. Pour les régions sujettes aux tremblements de terre, la performance sismique est également importante, ce qui fait à nouveau du plancher en dalles le choix préféré. Non seulement cela coûte moins cher qu'un plancher surélevé, mais l'ancrage de l'équipement est plus facile, et les renforts latéraux supplémentaires associés à un système de plancher surélevé ne représentent plus un problème non plus. 

De nombreux centres de données à très grande échelle, avec leur demande sans précédent de stockage, choisissent le plancher en dalles plutôt que le plancher surélevé. Même les centres de données plus petits dont l'espace est précieux évoluent dans cette direction parce qu'ils économisent de l'espace verticalement en n'installant pas le plancher surélevé et les rampes associées qui font généralement partie de cette conception. Recommandons-nous que les nouvelles conceptions de centres de données suivent la conception traditionnelle du plancher en dalles avec refroidissement par le haut au moyen de conduits et de diffuseurs aériens? Non. Cette conception, similaire aux planchers surélevés, existe depuis des décennies, mais présente des défis uniques en matière de gestion efficace de flux d'air et de refroidissement de l'équipement informatique. Ce que nous recommandons, c'est une conception que de plus en plus de centres de données utilisent pour l'efficacité et la durabilité, ainsi que pour réduire les coûts d'installation et d'entretien. 

Centre de données avec plancher en dalles

Les planchers en dalles simplifient le refroidissement de l'équipement informatique

Avec les développements de la technologie de refroidissement, la nécessité de fournir une alimentation en air par un faux plancher est réduite, tout comme l'alimentation d'air en hauteur au moyen de conduits et de diffuseurs aériens. Au lieu de cela, les nouvelles conceptions de centres de données optent pour l'utilisation de planchers en dalles et l'approche simple consistant à inonder la pièce d'air froid tout en évacuant l'air chaud à travers la zone de confinement dans le capot de retour d'air du plafond. Cette conception est utilisée dans les petits sites et devient la norme dans les centres de données à très grande échelle en raison de ses nombreux avantages.

Le refroidissement utilisé pour inonder la pièce peut se faire au moyen d'appareils de conditionnement/traitement de l'air situés sur des murs périmétriques ou à l'extérieur du centre de données par des galeries d'appareils de conditionnement/traitement de l'air, des appareils de refroidissement par évaporation indirecte et des économiseurs côté air et côté eau pour n'en nommer que quelques-uns. Des technologies de refroidissement supplémentaires, notamment des murs de ventilation constitués d'un mur extérieur avec des dispositifs de refroidissement, et un mur de ventilation à l'intérieur du centre de données qui inonde la salle d'air froid, sont également excellentes pour cette conception.

Un autre avantage, c'est que le confinement des allées chaudes est utilisé pour évacuer l'air chaud sortant du centre de données au lieu du confinement des allées froides.

D'un point de vue thermodynamique, les deux types de confinement produisent des résultats similaires puisqu'ils empêchent tous les deux l'air d'alimentation froid et l'air d'évacuation chaud de se mélanger dans le centre de données. Étant donné que le confinement des allées chaudes enferme celles-ci et transforme le reste du centre de données en une seule grande allée froide, les opérateurs de centres de données et les gestionnaires d'installations ont tendance à utiliser des températures d'air d'alimentation plus élevées avec le confinement des allées chaudes qu'avec le confinement des allées froides.

Donc, l'équipement informatique reçoit l'air d'alimentation froid nécessaire pour répondre à la demande de flux d'air, et le processus est simplifié puisque le centre de données peut être considéré comme une grande allée froide qui est inondée d'air d'alimentation froid.

Il est important de noter que le confinement des allées froides ne peut pas être déployé pour cette conception parce qu'il empêcherait l'air d'alimentation froid de refroidir l'équipement informatique. Au lieu de cela, le confinement des allées chaudes doit toujours être utilisé pour contenir l'air d'évacuation chaud, et un capot de retour d'air doit également être installé pour retirer l'air d'évacuation du centre de données. De plus, lorsqu'il s'agit de confinement des allées chaudes, il est important de choisir une solution de confinement qui adopte une approche simpliste pour une conception généralement complexe.

Le système de confinement AisleFrame de Subzero Engineering est conçu pour procurer une solution complète pour le confinement des allées et pour fournir une structure élégante qui sert de support d'infrastructure pour les barres blindées, les chemins de câbles et la fibre optique. AisleFrame est entièrement soutenu par le plancher et un simple plancher en dalles plates suffit.

L'objectif de tout système de confinement consiste à améliorer les températures de l'air entrant au niveau de l'équipement informatique et à créer un environnement dans lequel des modifications peuvent être apportées pour réduire les coûts d'exploitation et augmenter la capacité de refroidissement. Ce qui distingue le système de confinement AisleFrame, c'est qu'il y parvient facilement tout en permettant aux installations existantes et nouvelles, y compris les centres de données à très grande échelle, de construire et de redimensionner des centres de données rapidement et efficacement.

Les méthodes traditionnelles de prise en charge d'infrastructure de centres de données telles que le confinement, la distribution électrique et le routage des câbles peuvent être coûteuses et prendre du temps. Elles nécessitent l'intervention de plusieurs corps de métiers travaillant de concert pour accomplir leur travail. La structure AisleFrame fournit une méthode de déploiement rapide du support d'infrastructure et du confinement des allées. Par exemple, les chemins de câbles et la barre blindée peuvent être installés lorsque le confinement AisleFrame est installé, ce qui permet aux électriciens de revenir en cas de besoin pour alimenter la barre blindée au fur et à mesure que l'équipement informatique est installé et que l'installation informatique se développe. AisleFrame offre également à l'utilisateur final la possibilité de se déployer dans de petites cellules reproductibles. Cela permet de limiter le montant du capital initial dépensé par rapport à la construction de salles de données entières en fournissant toute l'infrastructure nécessaire au niveau de la cellule, tout en permettant un redimensionnement presque illimité si la situation l'exige. ³

Lors de la sélection d'une solution de confinement, qu'il s'agisse d'un confinement AisleFrame ou d'un système typique de confinement d'allées chaudes composé de portes d'extrémité d'allées et d'un confinement jusqu'au capot de retour d'air, la performance en matière d'étanchéité ou de fuite (généralement un pourcentage) du système de confinement est essentielle. On dit souvent que les fuites sont l'ennemi juré de tous les systèmes de confinement. Le système AisleFrame et toutes les solutions de confinement Subzero présentent environ 2 % de fuites. Cela réduit et élimine pratiquement à la fois l'air de dérivation et l'air chaud de recirculation qui augmentent les températures d'entrée du serveur sur l'équipement informatique. Cela entraîne une efficacité supérieure du système de refroidissement.

Il y a un autre élément important dans cette conception, et c'est le capot de retour d'air qui est installé.

Contribution de Bill Frantz

Une grande attention est accordée à la réduction des fuites dans les allées de confinement et les planchers surélevés. Ces éléments sont des sources connues de fuites fugaces et de fuites réparties qui contribuent aux pertes de contournement. La même attention accordée à l'étanchéité des planchers surélevés et des grilles doit également être accordée aux plafonds. Les plafonds forment un capot d'air de retour d'air et, plus important encore, séparent le retour d'air chaud de la pièce traitée. Les espaces autour des panneaux et les pénétrations de tiges métalliques permettent à l'air traité de contourner l'équipement informatique. L'air dérivé doit être compensé en augmentant l'alimentation en air frais des dispositifs de refroidissement, consommant ainsi plus d'énergie.

Les systèmes de plafond typiques ont des taux de fuite beaucoup plus importants que les systèmes de plancher surélevé. Avec une pression différentielle de 0,02 [en CE], un système de plancher surélevé peut fuir d'environ 0,05 à 0,30 [pi³/min/pi ca]. Un plafond sans joint avec des pénétrations de tiges métalliques typiques fuira d'environ 1,44 [pi³/min/pi ca] Lorsque le panneau de plafond ULTIMA AIRASSURE est combiné à la suspension structurelle DYNAMAX, les fuites sont réduites à environ 0,19 [pi³/min/pi ca] et deviennent comparables aux planchers surélevés et aux systèmes de murs de confinement.

Le panneau de plafond ULTIMA AIRASSURE avec la suspension structurelle DYNAMAX est une solution technique conçue pour les centres de données.Les panneaux ULTIMA AIRASSURE sont dotés d'un joint d'étanchéité qui réduit les fuites de plafond au niveau des bords de panneaux. La suspension structurelle DYNAMAX élimine les pénétrations dans le plafond des tiges métalliques. Jumelé ensemble, le système réduit les fuites de dérivation jusqu'au niveau du reste du système de confinement. La solution de plafond Armstrong offre une accessibilité et un confinement qui améliorent l'efficacité du refroidissement et économisent l'énergie de ventilation.

Les calculs d'équilibre thermique et de débit d'air ont été résolus pour satisfaire les équations régissant 4000 combinaisons aléatoires de paramètres.

Le graphique résultant montre clairement les effets du passage d'un plafond typique (à fuites élevées) au système ULTIMA AIRASSURE (à faibles fuites) avec suspension DYNAMAX.

Les systèmes de suspension et de plafond forment des capots d'air de retour dans les centres de données et séparent l'air d'alimentation froid de l'air de retour chaud. Les fuites qui passent à travers ce plan de confinement contribuent aux pertes de dérivation, à l'augmentation de l'énergie de ventilation et à l'augmentation des coûts d'exploitation. Les panneaux de plafond avec joints d'étanchéité ULTIMA AIRASSURE combinés à la suspension structurelle DYNAMAX réduisent les taux de fuite à des niveaux similaires au reste du système de confinement.

Nous avons mentionné l'importance de maximiser l'efficacité énergétique et la durabilité. Inonder le centre de données avec de l'air d'alimentation froid pour l'équipement informatique et contenir les allées chaudes de sorte que l'air d'évacuation chaud retourne vers les dispositifs de refroidissement (ou soit rejeté par une autre méthode) est une conception simple, facile et flexible. Les concepteurs de tous les nouveaux centres de données doivent envisager ces options pour les futures installations. Un autre avantage de cela (et de la plupart des conceptions de confinement des allées chaudes), c'est qu'il est plus facile d'optimiser le flux d'air et le refroidissement. Dans un monde parfait, nous ferions simplement correspondre notre capacité de refroidissement totale (débit d'air d'alimentation) à notre charge informatique (débit d'air à la demande) et nous augmenterions les points de réglage du dispositif de refroidissement aussi hauts que possible. Cependant, toute conception présente des fuites, y compris au sein des bâtis informatiques. L'objectif consiste à minimiser autant que possible ces fuites, c'est pourquoi la structure de confinement et de plafond choisie est cruciale.

Moins il y a de fuites, moins il faut d'air d'alimentation froid. Pour optimiser l'efficacité énergétique, nous souhaitons utiliser le moins d'air froid possible tout en maintenant une pression positive entre les allées froides et les allées chaudes dans l'ensemble du centre de données. Une fois cet objectif atteint, les températures d'alimentation seront constantes dans les entrées du serveur sur tous les bâtis du centre de données. Étant donné que le confinement des allées chaudes est utilisé avec cette conception, le centre de données est essentiellement une grande allée froide, de sorte que la somme totale du débit d'air froid fourni ne doit être que légèrement supérieure à la somme totale du débit d'air demandé (l'objectif devrait être de 10 % à 15 %). Ce pourcentage est facilement réalisable si les fuites sont réduites au minimum lors de l'utilisation d'une solution de confinement et de plafond de qualité, ainsi que de bonnes pratiques de gestion du flux d'air telles que l'installation de panneaux d'obturation de bâtis, l'étanchéité des rails de bâtis, etc.

Ensuite, augmentez les points de réglage de refroidissement tout en maintenant les températures d'entrée du serveur égales ou inférieures aux spécifications recommandées par l'American Society of Heating, Refrigeration, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) pour le refroidissement de l'équipement informatique. (80,6 °F/27 °C), et que les économies d'énergie commencent! Cela se traduit également par une plus grande fiabilité de l'équipement et une réduction du temps moyen entre les pannes (MTBF). On dit que la meilleure énergie économisée est l'énergie que nous ne consommons pas en premier lieu, et cela est particulièrement vrai dans l'industrie des centres de données alors que nous continuons à progresser et à évoluer vers notre objectif de devenir plus durable et de réduire notre empreinte de carbone.

L'industrie des centres de données est en constante évolution, et nos conceptions aussi. L'efficacité énergétique devrait demeurer une préoccupation majeure pour les centres de données à l'avenir. Les concepteurs et les propriétaires de centres de données doivent évaluer soigneusement toutes les options plutôt que de se fier uniquement à d'anciens projets ou d'effectuer une sélection parmi ceux-ci. Le dicton « c'est comme ça parce que ça a toujours été comme ça et il n'y a aucune raison de remettre ça en question » n'a pas sa place dans l'industrie.

Le système de confinement AisleFrame de Subzero Engineering en combinaison avec le système de panneaux de plafond ULTIMA AIRASSURE et la suspension structurelle DYNAMAX d'Armstrong procure un centre de données flexible, économe en énergie et durable. Construit pour aujourd'hui et pour demain.