Datacenters : le mémo pour calculer leurs besoins en refroidissement

Normes de refroidissement des datacenters

L’ASHRAE élabore et publie des directives en matière de température et d’humidité pour les centres de données. La dernière édition indique les températures et les niveaux d’humidité auxquels un data center peut être exploité de manière fiable, en fonction de la classification de l’équipement.

Dans les lignes directrices les plus récentes, l’ASHRAE recommande que les équipements informatiques soient utilisés avec les éléments suivants :

• Températures comprises entre 18 et 27 degrés Celsius ou 64,4 et 80,6 degrés Fahrenheit.
• Point de rosée de -9 à 15 C ou de 15,8 à 59 degrés F.
• Humidité relative de 60 %.

La détermination de l’environnement approprié pour les équipements informatiques dépend de leur classification – A1 à A4 –, qui est basée sur le type d’équipement et la manière dont il doit fonctionner, par ordre décroissant de sensibilité. Les équipements A1 sont des serveurs d’entreprise et d’autres dispositifs de stockage qui nécessitent le contrôle environnemental le plus strict. La classe A4 s’applique aux PC, aux produits de stockage, aux stations de travail et aux serveurs de volume, et présente la gamme la plus large de températures et d’humidité admissibles.

Les versions précédentes de ces lignes directrices mettaient l’accent sur la fiabilité et le temps de fonctionnement plutôt que sur les coûts énergétiques. Pour tenir compte de l’importance croissante accordée par les centres de données aux techniques d’économie d’énergie et à l’efficacité, l’ASHRAE a mis au point des classes qui décrivent mieux l’impact environnemental et énergétique.

Comment calculer les besoins en refroidissement

Pour calculer les besoins en refroidissement de votre centre de données, vous avez besoin de plusieurs données : la puissance calorifique totale de l’équipement, la surface au sol en pieds carrés (ft2), la conception de l’installation et la puissance nominale du système électrique.

Il ne faut pas oublier que certains équipements plus anciens peuvent avoir été conçus selon les anciennes normes de refroidissement de l’ASHRAE. Si votre centre de données dispose d’un mélange d’équipements, vous devez déterminer une plage de température et d’humidité acceptable pour tous les équipements de votre installation.

Voici un calcul général que vous pouvez effectuer pour obtenir une taille de refroidissement de base en British thermal unit (Btu) :

(Surface de la pièce x 20) + (Consommation en watts de l’équipement informatique x 3,14) + (Personnes actives dans la pièce x 400)

Mais ce n’est qu’un point de départ. Si vous souhaitez obtenir une estimation plus précise et planifier les besoins futurs de votre établissement en matière de refroidissement, poursuivez votre lecture.

Mesure de la puissance calorifique

La chaleur peut être exprimée à l’aide de différentes mesures, notamment les unités thermiques britanniques, les tonnes (t) et les watts (W). Si votre équipement utilise plusieurs unités, vous devez les convertir dans un format commun pour pouvoir les comparer.

Voici un tableau de conversion rapide des unités :

D’une manière générale, la puissance consommée par un équipement informatique est presque entièrement convertie en chaleur, tandis que la puissance transmise par les lignes de données est négligeable. Cela signifie que la puissance thermique de l’appareil, exprimée en watts, est égale à sa consommation électrique.

Cas particuliers de production de chaleur

Comme certains équipements génèrent de la chaleur différemment de la règle générale « consommation d’énergie égale production de chaleur », vous devez les calculer séparément :

• L’éclairage. Comme pour le matériel informatique, la puissance en watts de l’éclairage est à peu près égale à la chaleur dégagée. Prenez ce chiffre et multipliez-le par 4,25 pour déterminer l’éclairage en unités thermiques britanniques. Si vous disposez d’un éclairage à diodes électroluminescentes, réduisez ce total d’un tiers.
• Les fenêtres. Si votre centre de données est doté de fenêtres, vous devez calculer la quantité de chaleur générée par la lumière du soleil provenant de toutes les fenêtres. Un calcul général est de 60 Btu/heure/pi2 de fenêtre. L’ASHRAE tient compte de l’emplacement, des heures d’ensoleillement, des matériaux de construction, des matériaux des fenêtres, des taux de réfraction et d’autres facteurs dans ses calculs.
• Chaleur externe (sur les murs, les toits, etc.). Les murs ou le toit orientés vers l’extérieur peuvent influer sur la production totale de chaleur dans un centre de données, en particulier dans les grands centres. Consultez les lignes directrices de l’ASHRAE pour savoir comment traiter ce problème.
• Les personnes. Multipliez par 400 le nombre maximum de personnes pouvant se trouver dans l’établissement à tout moment pour déterminer le nombre total d’occupants en unités thermiques britanniques.
• Les systèmes d’alimentation sans interruption (UPS). Même si ces systèmes et unités ne fonctionnent normalement pas à 100 % de leur capacité, utilisez leur capacité maximale lorsque vous calculez la production de chaleur, car cela peut être un facteur s’ils sont utilisés.
• Systèmes de distribution d’énergie. Ces systèmes ne dégagent qu’une partie de leur consommation électrique sous forme de chaleur, aussi utilise-t-on la formule suivante pour calculer leur production de chaleur : (0,02 x puissance du système électrique) + (0,02 x puissance totale de la charge informatique).
• Routeurs de voix sur IP (VoIP). Jusqu’à un tiers de la consommation électrique d’un routeur VoIP est envoyé à des terminaux distants, il faut donc réduire sa puissance maximale d’un tiers pour les calculs de refroidissement.
• Systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation et autres systèmes de refroidissement. Les ventilateurs et les compresseurs des systèmes de climatisation peuvent générer une chaleur importante. Cependant, cette chaleur est presque immédiatement libérée à l’extérieur plutôt qu’à l’intérieur du centre de données, de sorte que l’on peut généralement l’ignorer.

Calcul de la puissance calorifique totale

Une fois que vous avez rassemblé toutes les données nécessaires, il vous suffit de les additionner pour déterminer vos besoins totaux en refroidissement pour le centre de données.

Si vous utilisez les unités thermiques britanniques comme unité de base, vous devez diviser votre total par 3 412,141633 pour déterminer le refroidissement total nécessaire en kilowatts (kW).

Autres facteurs environnementaux

Outre les facteurs environnementaux particuliers mentionnés précédemment, quelques autres facteurs peuvent influencer les calculs de production de chaleur d’un data center. Les ignorer peut conduire à un système de refroidissement mal dimensionné et augmenter votre investissement global en matière de refroidissement.

Humidité de l’air

Les systèmes CVC sont souvent conçus pour contrôler l’humidité et évacuer la chaleur. Idéalement, ils maintiennent un niveau d’humidité constant, mais la fonction de refroidissement de l’air crée souvent une condensation importante et une perte d’humidité. Dans ce cas, de nombreux centres de données utilisent des équipements d’humidification supplémentaires pour compenser cette perte, ajoutant ainsi plus de chaleur.

Les grands centres de données où le brassage d’air est important (mélange d’air chaud et d’air froid provenant de différentes zones de l’installation) ont généralement besoin d’un complément d’humidification. Le système de refroidissement doit aider à compenser le mouvement de l’air plus chaud dans l’installation. Par conséquent, ces centres de données doivent surdimensionner leurs systèmes de refroidissement jusqu’à 30 %.

La condensation n’est pas toujours un problème dans les petits centres de données ou les armoires électriques, de sorte que le système de refroidissement peut être en mesure de gérer l’humidification par lui-même grâce aux conduits de retour réguliers déjà en place. Les gaines de retour éliminent le risque de condensation de par leur conception, de sorte que le système HVAC peut fonctionner à 100 % de sa capacité de refroidissement.

Refroidissement surdimensionné

Les besoins en refroidissement d’un data center peuvent évoluer au fil du temps, c’est pourquoi vous devez envisager de surdimensionner votre système de refroidissement pour faire face à la croissance future. Le surdimensionnement présente également l’avantage d’être utilisé comme redondance si une partie du système de refroidissement tombe en panne à un moment donné, ou si vous devez en démonter une partie pour des raisons de maintenance. D’une manière générale, les consultants en CVC recommandent d’ajouter autant de redondances que votre budget le permet ou au moins une unité de plus que ce que vos calculs indiquent.

Les consultants en CVC multiplient généralement la puissance calorifique de tous les équipements informatiques par 1,5 pour permettre une extension future.

Exemples de calculs des besoins en refroidissement des centres de données

Voici quelques exemples de calculs de refroidissement utilisant diverses mesures standard.

1. Calcul global du refroidissement d’un centre de données

Supposez les informations suivantes pour un centre de données typique.

La plupart des systèmes CVC étant dimensionnés en tonnes, nous pouvons utiliser les équations de conversion standard (W x 3,412142 = Btu/heure) et (Btu/heure / 12 000 = t de refroidissement) :

• 836,7 kW = 836 700 W x 3,412142 = 2 854 939 Btu/h.
• 2 854 939 Btu/h / 12 000 = 237,9 t de refroidissement maximum nécessaire.

Voici un aperçu de la répartition entre les composants, les systèmes, les personnes et d’autres éléments.

Dans cet exemple de centre de données, le système UPS génère si peu de chaleur, même en cas d’utilisation maximale, qu’il ne représente même pas 1 % de la production totale de chaleur. Le reste de l’équipement informatique génère la plus grande partie de la chaleur.

2. Calculs pour une petite salle de serveurs ou une armoire à données

Dans cet exemple, il s’agit d’une petite salle de serveurs, d’une armoire de données ou d’un mini-centre de données périphérique que l’on pourrait trouver dans une tour de bureaux générique d’une grande ville. Ces calculs peuvent vous aider à déterminer vos besoins en refroidissement en watts, et tout système d’alimentation en kilovolt-ampères (kVA) peut être considéré comme correspondant à la puissance totale de sortie de l’appareil.

Pour convertir ces données en tonnes de refroidissement, il faut utiliser les équations de conversion standard (W x 3,412142 = Btu/h) et (Btu/h / 12 000 = t de refroidissement), de sorte que l’espace a besoin des éléments suivants :

• 33 583,4 W x 3,412142 = 114 591,3 Btu/h.
• 114 591,3 Btu/heure / 12 000 = 9,5 t de refroidissement nécessaires.

Pour déterminer les besoins futurs en refroidissement de cette armoire à données, il faut multiplier la production totale de chaleur informatique par 1,5, soit 12 036 W x 1,5 = 18 054 W. En ajoutant ce nouveau chiffre aux chiffres existants, on obtient un besoin futur total en refroidissement de 39 601,4 W, soit 11,3 t de refroidissement. Cela représente une augmentation de près de 20 %.

Alors que le centre de données moderne change et évolue, passant du grand centre de données centralisé d’il y a dix ans au petit centre de données de périphérie agile que de nombreuses entreprises construisent aujourd’hui, les exigences en matière de refroidissement restent souvent les mêmes. La concentration d’une telle quantité de technologie en un seul endroit nécessite la planification d’une stratégie de refroidissement adéquate qui fonctionne aujourd’hui et dans un avenir proche.

Les besoins en refroidissement des data centers sont influencés par ces facteurs et d’autres encore, tels que la densité accrue des baies, les déploiements technologiques dans l’installation et le nombre d’employés qui y travaillent. Une meilleure compréhension des facteurs qui influencent le refroidissement peut permettre aux professionnels des centres de données de mieux concevoir le plan de refroidissement adapté aux besoins de l’entreprise.