Dans un centre de données, chaque serveur, GPU et commutateur transforme l'électricité en chaleur, et cette chaleur doit être évacuée du bâtiment sans que les équipements informatiques ne surchauffent. Le refroidisseur est la machine qui rend cette évacuation possible. Il produit l'eau glacée qui transporte la chaleur hors du bâtiment, et sa conception détermine en grande partie la consommation d'électricité et d'eau nécessaire au maintien de la température du centre.
Pour les exploitants et les ingénieurs d'installations, la question pratique est rarement de savoir si un site a besoin d'un refroidisseur. Il s'agit plutôt de déterminer quel type convient à la charge, au climat et à la disponibilité de l'eau. Cet article se concentre sur cette décision et laisse de côté les détails techniques., refroidissement liquide du centre de données, l'unité de distribution du liquide de refroidissement et le cycle de réfrigération lui-même feront l'objet de discussions séparées.
Où se situe un refroidisseur dans la chaîne de refroidissement d'un centre de données ?
Un refroidisseur de centre de données est une machine frigorifique qui produit de l'eau glacée et évacue la chaleur du bâtiment vers l'extérieur. Son fonctionnement dépend de la densité des racks et du climat qu'il dessert. À l'intérieur du bâtiment, des centrales de traitement d'air, des unités en rangée ou un système de refroidissement direct par plaque froide captent la chaleur des équipements et la transfèrent dans un circuit d'eau glacée. Le refroidisseur fonctionne dès que l'eau est réchauffée et jusqu'à ce que la chaleur soit rejetée à l'extérieur.
Le refroidisseur n'est qu'un maillon de la chaîne, et non la totalité. La manière dont il assure cette transition finale vers l'extérieur est précisément ce qui distingue les deux principales familles de refroidisseurs, et cette distinction est à l'origine de la plupart des conséquences en termes de coûts et d'efficacité.
Refroidissement par air ou par eau : la véritable différence réside dans le rejet de chaleur.
Les termes “ refroidissement par air ” et « refroidissement par eau » indiquent le point de dissipation de la chaleur par le refroidisseur, et non le mode de refroidissement des serveurs. Le choix du système dépend de la disponibilité en eau et de la température ambiante maximale. Un bâtiment peut être équipé d'un système de circulation d'eau glacée tout en étant « refroidi par air », car ce terme se réfère alors à l'étape de dissipation de la chaleur et non au rack.
Un refroidisseur à air rejette la chaleur directement dans l'air extérieur via des serpentins de condenseur et des ventilateurs ; il ne nécessite donc pas de tour de refroidissement et consomme peu ou pas d'eau en fonctionnement normal. Un refroidisseur à eau, quant à lui, transmet la chaleur à un circuit d'eau de condensation puis à une tour de refroidissement, où l'évaporation assure le rejet final. L'avantage en termes d'efficacité du refroidissement à eau est d'ordre physique et non marketing : une tour de refroidissement rejette la chaleur à une température extérieure inférieure à la température sèche à laquelle un condenseur à air doit faire face. Le fluide frigorigène se condense donc à une température plus basse. le compresseur consomme moins d'énergie. Cet avantage a un coût : une consommation d'eau continue, son traitement et des infrastructures industrielles plus importantes.
| Dimension | Refroidisseur à air | Refroidisseur à eau |
|---|---|---|
| Rejet final de chaleur | air extérieur via les serpentins du condenseur | Tour de refroidissement par évaporation |
| Moteur d'efficacité | Limité par la température sèche | Bénéficie d'une température humide plus basse |
| Consommation d'eau | Minimal en fonctionnement normal | Continu ; nécessite un traitement et une purge |
| Sensibilité ambiante | La capacité diminue à mesure que l'air extérieur se réchauffe. | Plus stable en conditions ambiantes élevées |
| Infrastructure de l'usine | Autonome, plus simple à installer | Tour, boucle de condensation, pompes, systèmes d'eau |
| Coupe typique | Sites plus petits, en bordure ou en situation de pénurie d'eau | Grandes centrales où l'eau est disponible |
Une erreur de dimensionnement fréquente se cache dans ce tableau. Dans les climats chauds et secs, le condenseur d'un refroidisseur à air est le premier élément à perdre en capacité lors des pics de température ambiante estivale. Une installation dimensionnée pour une journée de conception clémente se retrouve alors en sous-dimensionnement précisément les jours où elle est la plus critique. L'étape de vérification qui permet d'éviter ce problème consiste à comparer la température ambiante de conception aux conditions locales les plus défavorables, et non aux moyennes annuelles.
Normes et critères d'évaluation à vérifier avant de comparer les refroidisseurs
Les comparaisons de refroidisseurs ne sont pertinentes que par rapport à des normes de performance reconnues, car les chiffres de deux fabricants ne sont comparables que s'ils ont été mesurés de la même manière. Avant de comparer deux installations, vérifiez la source de chaque donnée.
- AHRI 550/590 (IP) ou 551/591 (SI) Ces normes évaluent les groupes frigorifiques préfabriqués fonctionnant en cycle à compression de vapeur, qu'ils soient refroidis par air ou par eau. Elles définissent le rendement à pleine charge en kW/tonne (où kW/tonne ≈ 3,516 ÷ COP) ainsi que l'IPLV et le NPLV à charge partielle. Il convient de noter la mise en garde figurant dans la norme elle-même : l'IPLV représente la performance moyenne d'un seul groupe frigorifique ; une analyse spécifique au bâtiment permet donc de prédire la consommation énergétique réelle avec plus de précision.
- Norme ASHRAE 90.4 Le MLC (Mechanical Charge Components) est la norme énergétique applicable aux centres de données, pour les installations dont la densité de puissance conditionnée au sol dépasse 20 W/pi² et la charge informatique 10 kW. Il évalue la performance énergétique du centre de données à travers le MLC, soit le rapport entre l'énergie consommée par le refroidissement, les ventilateurs, les pompes et l'évacuation de la chaleur et l'énergie des équipements informatiques. L'ASHRAE précise que le MLC n'est pas directement comparable au PUE (Puerto Efficacité Énergétique), et qu'il convient donc de les considérer comme deux indicateurs distincts.
- Directives thermiques ASHRAE TC 9.9 définir les plages de températures et d'humidité d'alimentation admissibles qui déterminent la température maximale de l'eau glacée, ce qui détermine à son tour le nombre d'heures de refroidissement gratuit que le site peut revendiquer.
- Le PUE et le WUE de Green Grid encadrer le compromis entre énergie et eau discuté ci-dessous.
Une courte liste de contrôle de présélection permet d'éviter que ces éléments ne deviennent abstraits : température sèche et température humide du jour de conception, températures cibles d'alimentation et de retour d'eau glacée, kW/tonne à pleine charge et IPLV/NPLV dans les conditions réelles du site, niveau de redondance et nombre d'unités résultant, et bilan hydrique comprenant l'appoint, la purge et le traitement.
Les variables qui déterminent le type de refroidisseur adapté à votre site
Le choix d'un refroidisseur dépend de plusieurs variables liées au site, plutôt que d'une seule technologie optimale. La charge de refroidissement constitue le point de départ : les unités à air sont couramment utilisées pour les petites et moyennes capacités, tandis que les grandes centrales optent plus souvent pour le refroidissement par eau. Toutefois, les plages de puissance publiées varient selon les fabricants et le seuil de transition se modifie une fois la redondance intégrée. Le climat influence ensuite le résultat : la capacité des refroidisseurs à air diminue lorsque la température sèche atteint son maximum, si bien qu'un été long et chaud favorise le choix des refroidisseurs à eau ou hybrides.
La disponibilité en eau est souvent le facteur déterminant. Lorsque l'eau est rare, coûteuse ou soumise à une réglementation stricte, une centrale à refroidissement par air ou en circuit fermé évite le prélèvement continu dans la tour et les contraintes liées aux permis de construire. Il en va de même pour l'espace et la structure de l'installation : les tours, les tuyauteries du condenseur et les pompes nécessitent de l'espace et un support structurel. Ainsi, une toiture exiguë ou une rénovation favorise souvent une centrale autonome à refroidissement par air. La redondance amplifie ces contraintes, car un objectif N+1 ou 2N augmente suffisamment le nombre d'unités et l'emprise au sol pour que la machine la moins chère puisse s'avérer moins performante sur le coût total d'installation.
Les erreurs de spécification récurrentes découlent directement du fait d'omettre l'une de ces variables : dimensionnement basé uniquement sur la charge informatique, validation par rapport à la température ambiante moyenne plutôt qu'à la température ambiante de pointe, omission de la température humide, oubli de l'encombrement supplémentaire dû à la redondance et absence de confirmation de la température de retour d'eau que l'architecture de refroidissement fournira réellement.
Refroidissement gratuit et comportement à charge partielle : où l’énergie est réellement consommée
La consommation énergétique réelle d'un refroidisseur est déterminée par ses performances à charge partielle et par les heures de refroidissement gratuit, qui dépendent bien plus du climat et de la température de consigne de l'eau glacée que de son rendement nominal à pleine charge. Les centres de données fonctionnent à charge partielle la majeure partie de l'année ; par conséquent, le comportement à 40 ou 60 % de la capacité est plus important que la valeur nominale à 100 %, et l'IPLV (Integrated Power Line Utilities) a précisément pour but de décrire cette plage de valeurs.
Le refroidissement naturel est le facteur clé qui distingue une installation performante d'une installation coûteuse. Lorsque les températures extérieures sont suffisamment basses, un refroidisseur peut réduire, voire interrompre, la compression mécanique et laisser l'eau se refroidir naturellement. Sous les climats tempérés, cela permet de réduire la consommation d'énergie du compresseur pendant une grande partie de l'année. Augmenter la température de consigne de l'eau glacée élargit cette plage de fonctionnement, et des allées chaudes et froides bien séparées permettent à l'installation de fonctionner à des températures plus élevées sans risque pour les équipements informatiques.
Le compromis réside dans deux indicateurs : le PUE (efficacité énergétique totale de l’installation divisée par l’énergie consommée par les équipements informatiques) et le WUE (consommation d’eau annuelle du site divisée par l’énergie consommée par les équipements informatiques), exprimés en litres par kWh. Une conception peut être performante sur l’un et moins performante sur l’autre ; ainsi, une centrale refroidie à l’eau avec un excellent PUE peut présenter un WUE élevé, ce qui la rend inadaptée dans une région où l’eau est rare. Dans les installations hybrides air-liquide, le PUE seul peut également sous-estimer la réalité, d’où l’ajout parfois de mesures complémentaires telles que l’efficacité énergétique totale. Il est essentiel de vérifier dès le départ quel indicateur est utilisé pour évaluer le site.
Comment les refroidisseurs et le refroidissement au niveau des puces se répartissent le travail à mesure que les racks deviennent plus denses
À mesure que la densité des racks dépasse la capacité de l'air ambiant, le système de refroidissement alimente de plus en plus un circuit de liquide au niveau de la puce au lieu de refroidir directement l'air, mais son rôle principal dans la dissipation de la chaleur reste inchangé. Dans une configuration directe au niveau de la puce, plaques de froid capter la chaleur au niveau du processeur, un unité de distribution de liquide de refroidissement Le système gère le circuit de refroidissement, et un refroidisseur ou un évacuateur de chaleur rejette cette chaleur à l'extérieur. Le refroidisseur reste le dernier maillon de la chaîne.
Une condition limite est souvent mal interprétée : le refroidissement direct des puces n’implique pas automatiquement une eau glacée plus froide. Selon la conception de la plaque froide, la température d’approche de l’unité de distribution d’air (CDU), le type de fluide de refroidissement et les limites d’entrée des puces, certaines architectures permettent des températures d’eau glacée ou de circuit secondaire sensiblement plus élevées, ce qui peut accroître le refroidissement gratuit et améliorer l’efficacité. Ces températures de consigne plus élevées sont spécifiques à l’architecture et non des valeurs de conception universelles ; elles doivent donc être vérifiées pour le circuit réel et non présumées. Ce qui reste constant, c’est que le refroidisseur doit être adapté à l’architecture de refroidissement qu’il dessert : des racks plus denses et une température de fluide de refroidissement spécifique modifient les conditions de l’eau de retour que l’installation doit gérer.
Pour revenir au choix du refroidisseur, il faut tenir compte de la charge qu'il dessert.
Le choix d'un refroidisseur dépend de trois variables interdépendantes : l'évacuation de la chaleur, les contraintes climatiques et hydriques, et la répartition de la charge pour assurer la redondance. Le choix entre un refroidisseur à air ou à eau est une décision adaptée à chaque site, validée par les valeurs de puissance à pleine charge et à charge partielle selon les normes AHRI, ainsi que par une évaluation globale de la charge mécanique selon la norme ASHRAE 90.4, et non par un classement de qualité.
Chez Trumonytechs, notre travail se situe du côté puce-liquide de cette chaîne, dans les plaques froides et matériaux d'interface thermique Cette chaleur résiduelle est rejetée par le refroidisseur. De ce point de vue, une variable s'avère systématiquement déterminante avant même le choix du refroidisseur : la température de retour de l'eau. En effet, elle conditionne l'état de l'évaporateur, la durée de refroidissement gratuit, la température d'approche de l'unité de distribution de chaleur et la température d'entrée de la plaque froide au niveau des puces. Même avec une température de fluide de refroidissement optimisée, une installation correctement dimensionnée peut rencontrer des difficultés.
Si vous devez adapter une architecture de refroidissement à une centrale de production d'eau glacée, l'étape suivante consiste à définir les températures de bulbe sec et humide, les températures cibles d'alimentation et de retour de l'eau glacée, ainsi que le niveau de redondance avant de comparer les équipements. Côté puce, indiquez la charge thermique de la plaque froide, le TDP de la puce, le type de fluide frigorigène, les températures cibles d'entrée et de sortie de l'unité de distribution d'eau glacée, l'épaisseur et la conductivité thermique du TIM, ainsi que le budget de perte de charge. Notre équipe d'ingénieurs pourra alors vous aider à aligner la conception du refroidissement au niveau de la puce avec la centrale d'évacuation de chaleur que vous prévoyez.
FAQ
Les refroidisseurs des centres de données sont-ils refroidis par air ou par eau ?
Les deux types existent, et l'étiquette décrit comment le refroidisseur évacue la chaleur vers l'extérieur, et non comment les serveurs sont refroidis. Les refroidisseurs à air rejettent la chaleur dans l'air extérieur ; les refroidisseurs à eau l'envoient vers une tour de refroidissement. De nombreux centres de données refroidis par air utilisent encore un système de circulation d'eau glacée en interne.
Quelle est la différence entre un refroidisseur sec et un refroidisseur à air ?
Un refroidisseur sec évacue la chaleur d'un circuit de fluide vers l'air extérieur sans posséder son propre cycle frigorifique ; il ne peut donc refroidir le fluide qu'à la température ambiante. Un refroidisseur à air, quant à lui, utilise un cycle de compression de vapeur et peut produire de l'eau glacée à une température inférieure à la température ambiante, contrairement à un refroidisseur sec. De nombreuses conceptions à haute densité utilisent des refroidisseurs secs pour le refroidissement naturel et un refroidisseur lorsque la température ambiante est trop élevée.
Les refroidisseurs à air utilisent-ils de l'eau ?
Les refroidisseurs à air consomment peu ou pas d'eau en fonctionnement normal, ce qui constitue leur principal avantage dans les régions où l'eau est rare. Certains modèles intègrent un pré-refroidissement adiabatique ou par pulvérisation qui utilise de faibles quantités d'eau uniquement pendant les heures de forte chaleur afin de préserver la capacité.
Le refroidissement direct de la puce peut-il utiliser de l'eau chaude ?
Dans de nombreux cas, oui, car la capture de chaleur au niveau de la puce tolère des températures de liquide de refroidissement plus élevées que le refroidissement par air ambiant. La température atteignable dépend de la conception de la plaque froide, de la température d'approche de l'unité de refroidissement, du type de liquide de refroidissement et de la limite d'entrée d'air de la puce ; il convient donc de la vérifier pour chaque architecture plutôt que de la supposer.
Un refroidisseur à eau a-t-il toujours un meilleur PUE ?
Pas toujours, car le PUE dépend du climat, des points de consigne, des heures de refroidissement gratuit et du type de refroidisseur. Une centrale à eau est souvent plus économe en énergie, mais son WUE peut être élevé. Dans les climats froids, une centrale à air bénéficiant de nombreuses heures de refroidissement gratuit peut compenser en grande partie cet écart.
Les refroidisseurs sont-ils encore nécessaires avec le refroidissement liquide direct sur la puce ?
Un refroidisseur ou un dispositif d'évacuation de chaleur équivalent reste nécessaire, car le refroidissement direct de la puce rapproche la chaleur du processeur sans l'évacuer du bâtiment. Le circuit de plaque froide et le système de distribution du fluide frigorigène renvoient la chaleur au refroidisseur, qui la rejette à l'extérieur.
