Livre blanc : Utilisation de la CFD pour les data centers

La charge thermique dans les centres de données a considérablement augmenté au cours des dernières années. Et cette tendance se poursuit, car il y a un processus de réduction de la taille des équipements électroniques avec une augmentation simultanée de la puissance de calcul, ce qui conduit à la libération d’une grande quantité de chaleur par unité (une unité de hauteur de rack de serveur). S’il y a quelques années, il semblait que la capacité de refroidissement de 5 kW par rack de serveur était tout à fait suffisante pour couvrir tous les besoins existants et prévus des clients dans un proche avenir, il existe aujourd’hui sur le marché des équipements qui, même si ce n’est même pas l’ensemble du serveur le rack est rempli, dégage plus de 10 kW.

Presque tous les fabricants de serveurs possèdent un tel équipement. Il n’y a pas besoin de chercher loin pour un exemple ; les grands groupes proposent un système informatique unifié, qui atteint une consommation électrique de 6U de 2 kW ou plus selon le mode de fonctionnement. Il n’est pas rare que plus de 10 kW de chaleur peuvent être générés par rack, nous observons des racks jusqu’à une puissance de 45 kW.

L’utilisation de la technologie de virtualisation des serveurs «aggrave» la situation. La virtualisation des serveurs peut augmenter considérablement leur charge, et si les anciens processeurs étaient inactifs pendant 75 à 85% du temps, alors via l’utilisation de la virtualisation, la charge du processeur dans les serveurs augmente considérablement et, par conséquent, plus de chaleur est générée sur un serveur. Les meilleures pratiques de l’ASHRAE pour l’efficacité énergétique des installations des data centers confirme ces données.

La production de chaleur produit par rack augmente constamment.

Par conséquent, lors de la conception d’un centre de données moderne, il est nécessaire de se concentrer sur des charges thermiques de 10 kW ou plus par rack de serveur. Ou, en dernier recours, il est nécessaire d’allouer des zones spécifiques dans la salle informatique du data center, qui fourniront un refroidissement à partir de 10 kW par rack de serveurs.

Pour obtenir une réponse suffisamment précise à cette question, l’utilisation par le concepteur uniquement de l’équation d’un bilan thermique avec l’ajout d’une marge de capacité de refroidissement de 10% à 20% et un programme Excel ne suffit plus.

Un certain nombre de problèmes surviennent également lors de l’exploitation d’un centre de données existant, même avec de faibles charges thermiques. Par exemple, après l’installation d’équipements supplémentaires, des zones mortes peuvent apparaître dans le centre de données.

Des zones locales de surchauffe de l’équipement (appelées points chauds) ou, au contraire, des zones à température assez basse peuvent survenir dans les centres de données (pour les systèmes de rafraichissement naturel).

Il est clair que la surchauffe des serveurs, des systèmes de stockage de données, du réseau et des équipements de télécommunications est mauvais ; tôt ou tard, des températures élevées entraîneront des pannes, et donc des pertes potentielles de données.

D’autre part, l’hygrométrie affecte également négativement le fonctionnement des serveurs, des systèmes de stockage de données. Les basses températures entraînent une augmentation de l’humidité, ce qui peut entraîner de la condensation. L’humidité relative, selon l’ASHRAE, ne doit pas dépasser 80%. Certains fabricants intègrent des capteurs de température et d’humidité relative dans les serveurs et les systèmes de stockage, et les régulations logiciels peuvent arrêter le matériel lorsque les limites d’humidité et de température sont dépassées.

La température dans les salles de serveurs, où les équipements informatiques sont installés et exploités, est limitée par les normes non seulement par la limite supérieure, mais aussi par la limite inférieure. Selon les dernières exigences du comité technique TC 9.9 de l’ASHRAE publiées en 2016, la température dans la salle de serveur ne doit pas être inférieure à 18 degrés Celsius. En outre, la température plus basse conduit à une utilisation inefficace de l’électricité, ce qui entraîne une augmentation des coûts d’exploitation du centre de données.

Pour lutter contre les points chauds locaux, le client peut être obligé d’installer des ventilateurs de sol à proximité des racks de serveurs, de monter des unités de refroidissement par air ou liquide supplémentaires (si, bien sûr, il y a de la place pour leur installation). Cependant, l’emploi de méthode si « radicale » n’est pas forcement une nécessité. Mais parfois, il s’avère que seule une chose aurait dû être remplacée : il peut s’agir d’enlever ou d’ajouter des grilles du plancher surélevé et le problème peut être résolu. Cependant, il est extrêmement difficile d’identifier les goulots d’étranglement sans outils logiciels spéciaux et connaissance précise des effets thermo-aérauliques. Souvent, le client utilise l’espace du centre de données de manière extrêmement inefficace, sans charger complètement les armoires et distribuer l’équipement uniformément (si cela peut être fait). Mais tout cela aurait pu être évité en créant un modèle thermodynamique CFD du data center et en effectuant des calculs d’optimisation selon ce modèle.

Lors de la conception d’un nouveau centre de données, un architecte en charge du projet a toujours une question : quelle doit être la hauteur d’un plancher surélevé dans un datacenter ?

Il est clair que plus la hauteur du faux plancher est élevée, meilleure est la résistance au flux d’air, plus divers réseaux (réseaux d’eau, chemins de câbles et câbles) peuvent être entreposés, de même des structures et des équipements supplémentaires peuvent être placés sous le faux plancher surélevé, par exemple, des réseaux de distribution d’énergie ou des points de consolidation d’un système de câblage structuré…

Cependant, à mesure que la hauteur du plancher surélevé augmente, le coût de la structure du bâtiment augmentera et, en passant, l’espace entre le plancher surélevé et le plafond diminuera, ce qui peut compliquer la création d’un système de conduits pour fournir l’air chaud vers les unités de refroidissement (CRAH). Il y a quelques années, une recommandation a été publiée sur la hauteur du plancher surélevé en fonction de la superficie de la salle des machines du centre de données.

Avec la superficie de la salle des machines jusqu’à 70 m², la hauteur du plancher surélevé doit être d’au moins 400 – 500 mm, si la superficie de la salle est supérieure à 100 m², la hauteur du plancher surélevé doit être d’au moins 500 – 700 mm, si la salle des machines fait plus de 300 m², la hauteur du plancher surélevé doit être d’au moins 700 mm. Cette règle empirique fonctionnait lorsque la charge par rack ne dépassait pas 5 kW et que la technologie d’isolation à l’air chaud et froid n’était pas utilisée (séparation entre allée chaude et allée froide). Dans ce cadre afin d’obtenir une réponse précise à la question de la hauteur du plancher surélevé, il est recommandé d’effectuer une simulation CFD des flux d’air, de calculer plusieurs options et de choisir la plus appropriée.

CFD est un acronyme pour Computational Fluid Dynamics

À l’aide d’un logiciel spécialisé, l’utilisateur crée un modèle tridimensionnel d’un objet, impose certaines conditions aux limites, sélectionne des modèles représentant des phénomènes physiques se produisant dans des milieux gazeux et liquides (transfert de chaleur, écoulement de milieux, conductivité thermique, rayonnement, convection, etc. ), sélectionne une méthode de calcul et effectue des calculs … Sur la base des résultats de calculs obtenus, l’utilisateur évalue, si nécessaire, modifie le modèle informatique, et effectue à nouveau les calculs. Le but de la modélisation est de d’écrire au mieux les phénomènes physiques puis de trouver une solution adapté et satisfaisante au problèmes de conception qui peuvent t’être rencontrés.

Les résultats de la simulation sont utilisés lors de la prise de décision de conception, pour améliorer davantage le modèle créé de l’installation, identifier les goulots d’étranglement au niveau de l’installation d’exploitation et optimiser le système d’exploitation.

Les outils modernes de conception permettent aux ingénieurs CFD d’échanger avec les différents corps de métier, de manière à expliquer simplement les phénomènes à l’origine des problématiques puis de proposer des solutions qui pourront être validées collégialement.