Le nombre de centres de données aux États-Unis continue de croître en réponse à l'énorme quantité d'informations numériques stockées et diffusées en continu. La puissance informatique massive de ces centres de données génère de la chaleur, ce qui fait d’un refroidissement efficace une exigence clé du système du bâtiment. Les tours de refroidissement par évaporation font partie intégrante de nombreux systèmes de refroidissement de centres de données.
Récemment, certains ont remis en question l’utilisation des tours de refroidissement, invoquant la pénurie d’eau pour étayer leurs arguments. Mais un examen approfondi de la consommation d’eau pour les tours de refroidissement locales par rapport à la consommation d’eau pour produire de l’électricité dans les centrales électriques régionales à combustibles fossiles révèle des résultats surprenants.
Options de refroidissement du centre de données
Il existe plusieurs façons de refroidir les centres de données, en fonction de leur taille, de la capacité informatique à refroidir, des coûts énergétiques régionaux, ainsi que de la charge et de la densité des données. Les options populaires incluent :
• Installation de refroidissement refroidie par eau : comprend un système de refroidissement, des pompes, une tour de refroidissement et un échangeur de chaleur à plaques/cadres en série avec le refroidisseur.
• Installation de refroidissement refroidie par air – comprend un système de refroidissement et des pompes
• Refroidissement par évaporation directe – sans réfrigération mécanique, également appelé « refroidissement par marais »
• Refroidissement adiabatique – système refroidi par air assisté par un système refroidi par eau pendant les conditions de pointe
Pour attirer les clients, les opérateurs de centres de données évaluent les options et recherchent des systèmes qui réduisent les coûts d'exploitation et l'impact environnemental. Ils accordent une attention particulière à l'efficacité de l'utilisation de l'énergie (PUE), définie comme le rapport entre la quantité totale d'énergie utilisée par un centre de données et l'énergie fournie à l'équipement informatique. Un PUE de 1 signifie que la puissance de rejet de chaleur est égale à la puissance utilisée pour l’équipement informatique.
Les opérateurs de centres de données sont également préoccupés par l’efficacité de l’utilisation de l’eau (WUE). Les tours de refroidissement évaporent l’eau, mais l’impact dépend de l’emplacement. Selon Tim Chiddix, PE, vice-président de l'ingénierie mécanique chez Swanson Rink, leader dans la conception d'infrastructures de centres de données, les centres de données peuvent varier de quelques centaines de pieds carrés à plusieurs centaines de milliers de pieds carrés et aucune technologie de refroidissement ne fonctionne bien pour toutes les régions. , critères clients et candidatures. "Chaque installation doit être analysée pour déterminer l'approche qui répond le mieux aux besoins du client et tire parti des opportunités d'économies d'énergie et d'eau de la région concernée."
Swanson Rink spécifie des équipements dans le cadre de ses centres de données et combine fréquemment des tours de refroidissement avec des refroidisseurs mécaniques pour un refroidissement efficace.
Les problèmes d’utilisation de l’eau doivent être évalués de manière globale
La sécheresse prolongée dans les États occidentaux a amené de nombreuses entreprises à réexaminer l'impact de la consommation d'eau pour le refroidissement des centres de données. Certains se demandent si les tours de refroidissement sur site consomment trop d’eau compte tenu de ces pénuries. Lors de l'évaluation de la meilleure stratégie de refroidissement pour un centre de données, il est essentiel d'examiner la consommation d'eau de manière globale, y compris celle utilisée là où l'électricité est produite. Vus sous cet angle, les systèmes de refroidissement mécanique par évaporation sont souvent bien plus efficaces que les systèmes secs alternatifs.
La quantité d'eau utilisée par le cycle de vapeur d'une centrale électrique à combustible fossile pour produire de l'électricité peut être supérieure à la quantité d'eau utilisée par la tour de refroidissement du centre de données. Un exemple est un système refroidi par air qui utilise 1 mégawatt (MW) d'énergie par an, comparé à un système refroidi par eau qui utilise 0,5 MW par an et 3 000 gallons d'eau par minute. Le nombre de gallons que la centrale électrique utilise pour produire les 0,5 MW supplémentaires destinés à alimenter le système refroidi par air est en réalité supérieur à la quantité d'eau qui serait utilisée localement par la tour de refroidissement du système refroidi par eau. Réduire la consommation d’énergie des centrales électriques pourrait effectivement permettre d’économiser de l’eau.
Tim Chiddix et Brook Zion de Swanson Rink ont évalué le problème de l'utilisation de l'eau dans un livre blanc intitulé « Utilisation de l'eau dans les centres de données de Denver, Phoenix et Los Angeles : un regard sur la situation dans son ensemble ». Chiddix et Zion ont examiné si la réduction de la consommation d'eau dans un centre de données individuel entraînait une réduction globale de la consommation d'eau pour le système régional d'approvisionnement en eau.
Les auteurs notent que l’eau est un moyen plus efficace que l’air pour éliminer la chaleur, car l’évaporation améliore le processus de refroidissement. « L'utilisation de systèmes de condensation refroidis par eau plutôt que de systèmes de condensation refroidis par air peut réduire considérablement vos coûts d'énergie de refroidissement ; cependant, l’efficacité du refroidissement par évaporation dépend fortement de l’emplacement, car le climat plus sec se traduit par une plus grande efficacité.
Ils ont étudié si cette réduction d’énergie s’accompagnait d’une augmentation de la consommation d’eau sur site en raison de l’évaporation. Ils se sont également demandé si cette évaporation gaspillait de l’eau et si les propriétaires de centres de données devraient plutôt envisager des équipements refroidis par air. L'évaluation a comparé des exemples de centres de données situés à Denver, Phoenix et Los Angeles. L'étude a examiné le réseau électrique régional afin de déterminer la quantité d'eau consommée par les compagnies d'électricité pour produire un kilowattheure (kWh) d'électricité.
Les données sur le taux de consommation d'eau du rapport technique TP-550-33906 du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) sont présentées dans le tableau 1.
| État | Gallons/kWh |
| Colorado | 1.20 |
| Arizona | 7.88 |
| Californie | 4.64 |
L'étude a porté sur le refroidissement d'un exemple de centre de données avec une charge de refroidissement constante de 1 500 kW. Les auteurs ont comparé un système de refroidissement par eau à efficacité standard et un système de refroidissement par air à efficacité standard, ainsi qu'un système par évaporation sans refroidissement mécanique. L'installation refroidie par eau comprend un système de refroidissement, des pompes, une tour de refroidissement et un échangeur de chaleur à plaques/cadres en série avec le refroidisseur. Le refroidisseur à air comprend le système de refroidissement et les pompes. Le tableau 2 montre que la consommation électrique à pleine charge du refroidisseur refroidi par air était nettement supérieure à celle du refroidisseur refroidi par eau.
| Type de refroidisseur | Denver (kW/tonne) | Phénix (kW/tonne) | LA (kW/tonne) |
| Air conditionné | 1.250 | 1.340 | 1.250 |
| Refroidi à l'eau | 0.431 | 0.462 | 0.426 |
L'utilisation de l'eau, par évaporation, était basée sur les données de température du bulbe sec et du bulbe humide d'une année météorologique typique (TMY3) obtenues à partir de la base de données nationale sur le rayonnement solaire (NSRDB). Les auteurs ont constaté que le système de refroidissement par eau de Denver consommait 1 610 748 kWh d’énergie et que le système de refroidissement par air en consommait 4 663 740 kWh par an.
La figure 1 montre la consommation d'énergie et d'eau pour les systèmes de refroidissement mécaniques analysés dans chaque ville. La consommation d'eau présente des différences significatives car la quantité d'eau consommée dans les installations de production d'électricité est bien supérieure à celle consommée sur site.
Le système de refroidissement par air consomme plus d’énergie et n’évapore pas d’eau sur place. Toute sa consommation d’eau est au rythme de la consommation d’eau des centrales électriques. En revanche, le refroidisseur refroidi par eau a une consommation d'énergie inférieure et une combinaison de consommation d'eau sur site et dans la centrale électrique.
Selon Chiddix, les municipalités exigeant que les centres de données utilisent moins d'énergie et d'eau sur site n'ont peut-être pas pris en compte toutes les implications de ces exigences. Selon lui, si la centrale électrique est prise en compte dans l'équation, les technologies de refroidissement sélectionnées pour le centre de données peuvent en réalité entraîner une consommation globale d'énergie et d'eau plus importante.
Facteurs d'économie d'énergie supplémentaires à prendre en compte
Les technologies refroidies à l’eau sont plus efficaces, en particulier lorsque le « refroidissement gratuit » est utilisé pendant les périodes de temps plus frais. Le refroidissement gratuit, également appelé refroidissement par « économiseur côté eau », est une méthode économique consistant à utiliser les basses températures de l’air extérieur pour contribuer au refroidissement de l’eau. Lors du fonctionnement en mode free-cooling, l'eau de la tour de refroidissement est suffisamment froide pour qu'une réfrigération mécanique par le refroidisseur ne soit pas nécessaire. Cela réduit considérablement les besoins énergétiques, généralement de 75 pour cent ou plus. Pour profiter des économies d'énergie possibles grâce au refroidissement gratuit, il doit y avoir suffisamment d'heures de temps froid pour justifier l'investissement en équipement supplémentaire pour l'échangeur thermique à plaques/cadres et d'autres composants.
Une évaluation des avantages des tours de refroidissement pour le refroidissement des centres de données doit également prendre en compte le « débit variable », une autre méthode permettant de réduire la consommation d'énergie. Les tours de refroidissement sont dimensionnées pour les conditions de conception estivales ; le débit variable permet aux utilisateurs de réduire le débit d'eau de la tour de refroidissement au refroidisseur pendant les saisons plus fraîches. Les ventilateurs fonctionnent à une vitesse inférieure, ce qui réduit la consommation d'énergie. Tirer parti du refroidissement gratuit et des modes de débit variable peut réduire considérablement la consommation d'énergie des tours de refroidissement.
La modularité de la tour de refroidissement offre un autre avantage. Les propriétaires de centres de données préféreront peut-être développer leurs installations au fil du temps, à mesure que la demande de serveurs augmente. Pour contrôler les dépenses d'investissement initiales et les coûts d'exploitation, les opérateurs de centres de données peuvent ajouter ultérieurement de la capacité de refroidissement si nécessaire en utilisant des systèmes intégrant des tours de refroidissement modulaires assemblées en usine à mesure que l'installation se développe. Il est important que la construction du centre de données soit achevée dans les délais afin que les serveurs puissent être opérationnels rapidement et générer des revenus. Les tours de refroidissement modulaires préassemblées et montées sur site peuvent répondre aux exigences de livraison et aux calendriers de construction urgents.
Peser les options en matière d'eau
Il existe de nombreuses combinaisons de solutions de refroidissement par évaporation et mécanique qui peuvent être évaluées pour répondre aux exigences de refroidissement des centres de données. À mesure que la discussion sur l’eau s’ajoute à la liste des considérations de conception, il est important de comprendre et d’évaluer la relation entre l’énergie électrique et la consommation locale d’eau afin de prendre des décisions éclairées pour réaliser des économies d’énergie et d’eau.
| Denver | Phénix | Los Angeles | |
| Consommation d'énergie annuelle (kW) | Consommation d'énergie annuelle (kW) | Consommation d'énergie annuelle (kW) | |
| Refroidisseur à eau | 1,610,748 | 1,726,603 | 1,592,062 |
| Refroidisseur refroidi par air | 4,663,470 | 4,999,089 | 4,663,470 |
| Système | Consommation annuelle d'eau (gal/an) | Consommation annuelle d'eau (gal/an) | Consommation annuelle d'eau (gal/an) |
| Refroidisseur à eau | 3,593,000 | 14,844,000 | 7,732,000 |
| Refroidisseur refroidi par air | 4,645,000 | 36,182,000 | 16,640,000 |
| Différence | 1,052,000 | 21,338,000 | 8,908,000 |
| % de réduction de la consommation d’eau | 22.60% | 59.00% | 53.50% |
À propos des auteurs : Paul Erlinger est directeur du développement commercial mondial – Centres de données et technologie et Kent Martens est directeur régional des ventes pour SPX Cooling Technologies, Inc.
