Réduire la consommation d'énergie d'un datacenter jusqu'à 74%

Par Séverine Hanauer, Solutions&Applications Sales Manager Emerson Network Power

L'efficacité énergétique des datacenters et salles informatiques ne peut être traitée ponctuellement par système. C'est bien une stratégie énergétique globale qui part du composant informatique lui-même, de l'architecture informatique, de son extension possible et du concept de climatisation, qui permet de réduire de manière drastique les consommations d'énergie. Cette approche que nous appellerons Energy Logic, livre une feuille de route en 10 étapes permettant de réduire la consommation d'énergie d'un datacenter jusqu'à 74%.

Nous le savons de plus en plus, la densité et la capacité accrues des datacenters alourdissent la facture énergétique de manière importante sur le plan économique et également écologique. Une nouvelle stratégie « Energy Logic » bouscule la vision conventionnelle ancienne axée sur l'électricité consommée par les systèmes de support des datacenters, notamment par la climatisation, et qui éludait la question de l'efficacité des équipements informatiques. Ceux-ci absorbent en effet plus de la moitié de l'électricité consommée par le datacenter et déterminent les besoins en climatisation et autres systèmes de support.

En effet, Energy Logic propose d'améliorer l'efficacité des équipements informatiques au même titre que celui des systèmes de support comme les systèmes de climatisation. À travers cette démarche plus poussée, a été mis en avant l'effet de cascade selon lequel les économies d'énergie réalisées grâce à des dispositifs et des composants moins consommateurs sont d'autant plus importantes que leurs besoins en installations techniques sont également moins importants.

Par cette analyse, il a été démontré que 1 W économisé au niveau du processeur se traduisait par une économie de 2,84 W à l'échelle du site grâce à l'effet de cascade. Les dix stratégies d'Energy Logic, fonctionnant comme un tout, ont permis de réduire la consommation électrique des datacenters de 52 % tout en libérant jusqu'à 65 % de l'espace au sol.

L'approche d'origine d'Energy Logic en 2007 fut conçue et testée sur un datacenter type de 500 m² hébergeant 210 baies serveurs d'une densité moyenne de 2,8 kW chacune. En 2012, un datacenter type de la même taille a été utilisé pour créer la feuille de route Energy Logic version 2.0, qui démontre toutes les économies d'énergie possibles dans un datacenter. Depuis l'optimisation du microprocesseur jusqu'au système de climatisation conçu différemment. La stratégie de base tourne autour de ces principes :

• C'est en se concentrant sur les systèmes informatiques essentiels qui impactent la consommation électrique du datacenter que l'on réalise les plus grosses économies, du fait de l'effet de cascade.


• Un datacenter ne peut fonctionner efficacement que si la consommation énergétique s'adapte aux besoins.


• Il est possible de réduire considérablement la consommation d'énergie des datacenters sans recourir à des conceptions non éprouvées ou à des technologies qui diminuent les performances des datacenters.

Les systèmes informatiques absorbent 52 % de la consommation
d'électricité pour un datacenter type de 500 m²

Outre l'effet de cascade matérialisé par le visuel ci-dessous, il a été quantifié également l'effet de cascade « inverse » : l'énergie totale gaspillée par une capacité inexploitée. Ces systèmes informatiques non productifs gaspillent non seulement l'énergie qu'ils consomment, mais aussi l'énergie des systèmes d'alimentation et de climatisation qui les prennent en charge.

De même qu'une économie de 1 W au niveau du composant serveur peut générer une économie de 2,84 W au niveau de l'installation, une perte d'énergie de 1 W sur un serveur improductif génère un gaspillage supplémentaire de 1,95 W au niveau de l'installation. Schéma de l'effet de cascade ci-dessous.

Les économies réalisées au niveau des composants du serveur se répercutent à tous les niveaux
de l'installation technique et, au final, sont multipliées. Pour un PUE de 1,9, 1 W économiser au
niveau des composants du serveur aboutit à une économie cumulée d'environ 2,84 W.

1. Composants à basse consommation notamment les processeurs
2. Alimentation électrique à haute efficacité
3. Gestion de l'alimentation électrique des serveurs et de son dimensionnement précis
4. Architecture ICT en évitant les redondances
5. Virtualisation et consolidation des serveurs pour s'adapter aux charges variables
6. Architecture de l'alimentation électrique et du système onduleur
7. Gestion de la température et des flux d'air
8. Climatisation à capacité variable
9. Climatisation haute densité
10. Gestion de l'infrastructure du datacenter

Les responsables de datacenters peuvent utiliser les calculs d'économies en cascade pour étudier l'impact que l'approche Energy Logic 2.0 peut avoir sur leur consommation d'énergie.

Les nouvelles stratégies pour réduire les coûts énergétiques et dynamiser la capacité des datacenters et les calculs d'économies en cascade sont accessibles ici : www.EfficientDataCenters.com

La première version d'Energy Logic préconisait la disposition des baies informatiques en allée chaude/allée froide et soulignait l'importance des ouvertures au niveau du sol. De plus, elle conseillait d'élever la température de l'eau glacée, à titre expérimental, à 10 °C. Ceci réduisait les coûts énergétiques de 1 % sans aucun investissement technologique supplémentaire.

Energy Logic 2.0 se fonde sur ces meilleures pratiques, désormais solidement implantées dans la plupart des datacenters des entreprises, pour améliorer la gestion de la température, de l'humidité et des flux d'air à l'étape suivante, par le biais du confinement, des systèmes de contrôle intelligent et de recherche d'économie.

Du point de vue de l'efficacité, l'un des principaux objectifs des systèmes de séparation d'air chaud et d'air froid est d'élever au maximum la température de l'air de reprise circulant vers l'unité de climatisation. La relation entre la température de l'air de reprise et la puissance frigorifique sensible est représentée sur la figure ci-dessous.

Cette figure illustre le fait qu'une augmentation de 5,6 °C de la température d'air de reprise entraîne généralement une augmentation de 30 à 38 % de la capacité de l'unité de climatisation, en fonction du type de climatiseurs.

Cette capacité supplémentaire se traduit par un fonctionnement plus efficace dans une technologie à détente directe grâce à un fonctionnement plus optimisé des compresseurs peu chargés et dans un système à eau glacée en faisant fonctionner les groupes d'eau glacée ainsi que les pompes à débit réduit, si la charge est faible. Cela élève également le ratio de chaleur sensible (SHR) des unités de climatisation de précision à une valeur proche de 1, évitant ainsi une déshumidification inutile.

Les baies elles-mêmes, disposées selon une configuration en allée chaude/allée froide constituent une sorte de barrière entre les deux allées lorsque des panneaux d'obturation sont utilisés systématiquement pour fermer les espaces ouverts. Toutefois, même avec des panneaux d'obturation, l'air chaud peut s'échapper par le dessus et par les côtés de la rangée et se mélanger à l'air de l'allée froide.

L'efficacité des unités de climatisation s'améliore à mesure que la température de l'air de reprise augmente

Dans ce cas, suivant la configuration de la salle informatique, le confinement implique de couvrir les extrémités de l'allée, la partie supérieure de l'allée ou bien des deux afin d'isoler l'air y circulant (cf figure ci-dessous). Le confinement de l'allée froide est préféré au confinement de l'allée chaude car il est plus simple à mettre en œuvre et il limite les risques lors d'une rupture du système de confinement. Dans le cas du confinement de l'allée chaude, des portes ouvertes ou des panneaux d'obturation manquants laissent l'air chaud pénétrer dans l'allée froide, remettant ainsi dangereusement en question les performances de l'équipement informatique. Pire encore, en l'absence d'une barrière de vapeur, l'humidité extérieure peut condenser sur les baies et les entrées des serveurs. Dans un scénario similaire, dans le cas du confinement de l'allée froide, une fuite d'air froid dans l'allée chaude fait baisser la température de l'air de reprise et compromet l'efficacité des équipements informatiques, sans toutefois mettre en danger leur fiabilité. De fait, le confinement de l'allée froide peut améliorer la disponibilité du système en allongeant les temps de fonctionnement en continu dans le cas d'un problème de climatisation. Le confinement permet également une commande plus fine de la vitesse du ventilateur, des températures supérieures de l'alimentation en eau glacée et une utilisation optimale.

Le confinement renforce l'efficacité du système de climatisation car il permet d'élever la température
de l'air de reprise et crée un environnement idéal pour un contrôle précis de la température de l'air distribué

Les unités de climatisation en rangée peuvent fonctionner en environnement confiné afin d'aider ou de remplacer la climatisation en périphérie. Cela permet d'effectuer un contrôle de la température et de l'humidité au plus proche de la source de chaleur, donc plus précise. En plaçant les entrées d'air de reprise des unités de climatisation de précision directement dans l'allée chaude, l'air est capturé lorsqu'il est au plus chaud et l'efficacité frigorifique s'en trouve optimisée. Cette approche peut présenter l'inconvénient d'occuper plus d'espace au sol dans l'allée, mais les gains de place réalisés par ailleurs dans la stratégie Energy Logic devraient limiter cet aspect négatif.

Des commandes intelligentes permettent de passer d'un contrôle de climatisation basé sur la température de l'air de reprise à une régulation basée sur les conditions de fonctionnement au niveau des serveurs, processus essentiel à l'optimisation de l'efficacité. Ces commandes assurent une combinaison optimale de la capacité du compresseur/groupe d'eau glacée et de la circulation de l'air et permettent souvent d'élever les températures dans l'allée froide à un niveau proche du seuil de fonctionnement recommandé par l'ASHRAE (max. 27 °C) pour les datacenters de classe A1 à A4.

Selon une étude d'Emerson Network Power, une augmentation de 5,6 °C de la température de l'allée froide peut générer une réduction de 20 % de la consommation énergétique du système de climatisation.

Toutefois, une élévation excessive des températures peut entraîner le fonctionnement intensif des ventilateurs, ce qui améliorerait le PUE mais augmenterait également la consommation énergétique totale. L'infrastructure DCIM peut aider à identifier la température optimale de l'allée froide en comparant les températures aux modèles de consommation énergétique des serveurs et du système de climatisation.

Le système de contrôle contribue également à l'efficacité en permettant à des unités de climatisation multiples de fonctionner ensemble en un seul système grâce à un travail en réseau. Le système de commande garantit que tous les ventilateurs tournent à la même vitesse afin d'atteindre une efficacité optimale et répartit les charges vers des unités fonctionnant à une efficacité maximale tout en évitant aux unités situées en différents endroits de travailler à des fins opposées. Sans ce type de système, une unité située dans une zone du datacenter peut ajouter de l'humidité dans une salle, tandis qu'une autre réduirait l'humidité de la même salle. Le système de contrôle offre une vue globale des conditions de fonctionnement en tout endroit de la salle et son intelligence permet de déterminer le besoin d'une action d'humidification, de déshumidification, ou d'aucune des deux, pour maintenir les conditions de fonctionnement aux niveaux visés et adapter les flux d'air à la charge.

Un système d'économie d'énergie côté circuit d'eau de refroidissement peut être intégré au groupe d'eau glacée ou fonctionner conjointement à une boucle de condenseur comprenant une tour de réfrigération à évaporation ou un drycooler. Dans ce cas, l'air extérieur contribue au rejet de la chaleur sans toutefois être introduit dans le datacenter. Un autre système économiseur côté air utilise un système de capteurs, des conduites, un ventilateur d'extraction et des volets afin d'introduire l'air extérieur dans l'environnement contrôlé.

L'action de l'air extérieur sur l'humidité du datacenter doit être soigneusement étudiée au moment d'évaluer les options d'économiseur. L'introduction d'air extérieur par le biais d'un système d'économiseur à circuit d'air à des températures hivernales froides peut abaisser l'humidité à des niveaux non acceptables, entraînant ainsi une décharge électrostatique préjudiciable pour l'équipement. Il est alors possible de recourir à un humidificateur afin de maintenir un niveau d'humidité adéquat, au détriment cependant des économies d'énergie apportées par l'économiseur.

Les systèmes de free cooling côté fluide évitent ce problème en utilisant l'air froid extérieur pour refroidir la boucle eau/glycol, qui à son tour alimente en liquide suffisamment froid les batteries froides du système de climatisation permettant ainsi de gérer la charge de la salle sans compresseurs. Ce système permet de maintenir hors de l'environnement contrôlé l'air extérieur et de ce fait évite de devoir climatiser ce dernier. C'est pourquoi les systèmes d'économies d'énergie côté fluide sont préférés dans l'environnement des datacenters.

Un autre dispositif côté fluide utilise le réfrigérant dans un système à détente directe comme fluide de « freecooling » lors des saisons froides. Ceci évite de recourir à un certain nombre de dispositifs moins efficaces, tels que des ventilateurs, des pompes ou des batteries supplémentaires.

L'optimisation du système de climatisation, dont la charge a déjà été considérablement réduite grâce à l'approche Energy Logic, permet de réaliser une économie d'énergie supplémentaire de 5,2 %.

Les « économiseurs » utilisent l'air extérieur afin de fournir des cycles de « freecooling » aux datacenters. Ceci limite ou supprime le fonctionnement du compresseur ou du groupe d'eau glacée dans les unités de climatisation et permet de réaliser de substantielles économies d'énergie dans un large éventail de climats. Ce processus d'économiseur serait disponible 25 % de l'année selon une étude en zone contraignante chaude (Géorgie aux Etats Unis).

Tout comme les systèmes informatiques eux-mêmes, le système de climatisation doit être dimensionné de façon à pouvoir gérer les conditions de fonctionnement avec pic de charge, qui se produisent rarement dans un datacenter type. Par conséquent, les systèmes de climatisation doivent pouvoir fonctionner efficacement à charge partielle. Ceci pose un problème pour les unités de climatisation existantes qui sont soit en marche soit à l'arrêt. Aujourd'hui, les systèmes de climatisation mettent en œuvre un certain nombre de technologies améliorant l'efficacité en charge partielle, notamment certaines technologies utilisées pour la gestion des flux d'air et de la température abordées précédemment.

Dans les unités de climatisation à eau glacée, les ventilateurs déplaçant l'air et pressurisant les faux-plancher sont les plus gourmands en énergie. Alors que les moteurs à fréquence variable représentent une avancée considérable par rapport aux ventilateurs traditionnels à vitesse fixe. Les ventilateurs à commutation électronique (EC) pourraient s'avérer être une solution encore plus avantageuse pour améliorer l'efficacité de l'unité de climatisation. Les ventilateurs EC sont par nature plus efficaces que les ventilateurs centrifuges traditionnels.

Il est possible d'installer à la fois un moteur à fréquence variable et des ventilateurs EC sur des unités de climatisations existantes ou de les spécifier dans le cas de nouvelles unités, tout en étant compatibles avec les systèmes de contrôle intelligent abordés plus haut.

Le recours aux compresseurs à capacité variable dans les systèmes à détente directe et à eau glacée peut améliorer l'efficacité car il permet le fonctionnement avec un rendement plus élevé sous charge partielle. Plusieurs approches visant à intégrer une capacité variable dans une unité de climatisation à détente directe sont possibles. Les technologies de compresseur avec quatre paliers et du compresseur Digital Scroll™ sont les plus courantes.

Le principe du compresseur en quatre étapes consiste en l'interruption du flux de réfrigérant vers certains cylindres dans le système, limitant ainsi le besoin de commander les compresseurs par cycle de marche/arrêt pour réguler la puissance. Étant donné que le processus de décharge modifie essentiellement le point de fonctionnement du compresseur, il permet au système de climatisation de travailler plus efficacement à des puissances plus faibles. Dans ce cas, le système peut assurer quatre stades de fonctionnement pour s'adapter aux variations de puissance. Les compresseurs Digital Scroll ne se limitent pas à quatre stades de fonctionnement mais peuvent ajuster précisément leur puissance à la charge. La technologie Digital Scroll permet au compresseur de n'être jamais mis à l'arrêt. Elle permet de réduire la consommation électrique de façon linéaire et d'optimiser la commande et les performances du système.

Un système de climatisation configuré de façon optimale pour un fonctionnement en charge partielle peut réduire la consommation énergétique d'un datacenter de 2,6 % supplémentaires.

Les systèmes traditionnels de climatisation des salles informatiques se sont révélés très efficaces dans le maintien d'un environnement surveillé et sûr destiné aux équipements informatiques. Toutefois, l'optimisation de l'efficacité énergétique des datacenters nécessite de passer de densités des datacenters traditionnels (2 à 3 kW par rack) à un environnement technique capable de prendre en charge des densités bien plus élevées.

La mise en œuvre d'une solution de climatisation différente s'avère donc nécessaire et celle-ci implique le remplacement d'une partie des unités de climatisation traditionnelles par des unités de climatisation supplémentaires disposées au-dessus ou le long des baies de façon à aspirer l'air chaud directement de l'allée chaude et à rejeter l'air froid dans l'allée froide. L'efficacité de la climatisation s'opère donc plus près de la source de chaleur, ce qui diminue la puissance requise pour déplacer l'air. Les échangeurs thermiques utilisés sont également plus efficaces et délivrent uniquement une puissance frigorifique sensible parfaitement adaptée à la chaleur sèche générée par les équipements électroniques. Ces unités de climatisation peuvent même être directement installées à l'arrière de la baie, aspirant ainsi directement l'air chaud avant qu'il ne pénètre dans le datacenter.

Le réfrigérant circule vers les modules de climatisation additionnels via un circuit frigorifique installé en hauteur, ce qui permet le déplacement éventuel des modules de climatisation en fonction de l'évolution des baies. Ce système autorise un déploiement très localisé dans une zone du datacenter.

Cette climatisation supplémentaire peut également être réalisée grâce à des systèmes fonctionnant à l'eau glacée dans l'espace où se trouvent les modules de climatisation à l'arrière de la baie. Les systèmes fonctionnant à l'eau comportent toutefois des risques supplémentaires en comparaison avec les systèmes utilisant un réfrigérant qui se transforme en gaz à la pression ambiante. Aussi un système de détection de fuite doit-il être utilisé conjointement au système de climatisation par eau installé à proximité de/ou au-dessus des baies.

Par ailleurs, le système d'alimentation en réfrigérant destiné à prendre en charge les systèmes de climatisation supplémentaires est également compatible avec la prochaine génération de climatiseurs qui devrait éviter de recourir à des ventilateurs dédiés aux serveurs en aspirant la chaleur au niveau des serveurs eux-mêmes. La chaleur est transférée depuis les processeurs via des dissipateurs de chaleur jusqu'au serveur puis traverse un circuit thermique jusqu'à l'échangeur de refroidissement, évitant ainsi de devoir extraire l'air de la baie dans le datacenter. Ce processus peut avoir un effet net positif sur la consommation énergétique du datacenter car le système de climatisation absorbe moins d'énergie que les ventilateurs des serveurs qui s'avèrent inutiles.

La climatisation à haute densité entraîne une réduction supplémentaire de 1,5 % de la consommation d'énergie d'un datacenter type, soit une diminution de la consommation de 423 kW à 408 kW.

Par Séverine Hanauer
Solutions&Applications Sales Manager auprès d'Emerson Network Power

→ Sources et Liens

• www.EfficientDataCenters.com

• www.emersonnetworkpower.fr