Choix des moteurs de pompe et de ventilateur pour le refroidissement des centres de données

Au cœur d'un centre de données se trouvent les serveurs, mais l'infrastructure qui assure réellement leur fonctionnement ininterrompu est le système de refroidissement. Si la chaleur produite par des milliers de processeurs n'est pas évacuée seconde après seconde, le système atteint des températures dangereuses en quelques minutes. Et la force qui pompe l'eau transportant cette chaleur et qui met l'air en mouvement, ce sont les moteurs électriques. Dans le refroidissement d'un centre de données, le choix des moteurs de pompe et de ventilateur est directement déterminant pour la fiabilité, l'aptitude au fonctionnement continu, le rendement et le coût de l'énergie. Dans cet article, nous traitons la charge de refroidissement d'un centre de données, les moteurs de pompe d'eau glacée, les moteurs de ventilateur de refroidissement et leurs effets sur le PUE, avec l'expérience de DRG Motor en moteurs asynchrones IE3, IE4 et IE5. Notre objectif est de faire du choix du moteur de refroidissement non plus un poste de coût, mais un investissement qui accroît à la fois la fiabilité et l'économie d'énergie.

À quoi ressemble la charge de refroidissement d'un centre de données ?

Un centre de données possède un profil de refroidissement différent de celui des installations industrielles classiques. La charge thermique ne s'arrête presque jamais ; les serveurs fonctionnent jour et nuit, tous les jours de l'année. Le système de refroidissement doit donc lui aussi être ininterrompu. La charge de refroidissement peut varier selon le taux de remplissage des serveurs et l'intensité des traitements, mais elle ne descend jamais à zéro. Cette charge continue et critique influe directement sur le choix du moteur ; car ici, la mission du moteur n'est pas seulement d'être efficace, mais de ne jamais s'arrêter.

Les deux grands groupes de moteurs du refroidissement

Dans un système de refroidissement de centre de données, les moteurs électriques assurent deux missions fondamentales. La première est celle des moteurs de pompe qui font circuler le fluide frigorigène ou l'eau glacée dans le système. La seconde est celle des moteurs de ventilateur qui entraînent les ventilateurs des tours de refroidissement et des centrales de traitement d'air évacuant la chaleur vers l'air. Ces deux groupes appartiennent à la famille des moteurs électriques industriels et sont choisis de manière à convenir au fonctionnement continu.

Moteurs de pompe d'eau glacée

Les pompes d'eau glacée acheminent l'eau refroidie vers les échangeurs de chaleur des salles serveurs et ramènent l'eau réchauffée. Les moteurs de ces pompes fonctionnent en régime continu (S1) ; autrement dit, ils tournent sans interruption toute la journée. Dans ce cas, la classe de rendement du moteur se répercute directement sur la facture d'énergie. Un moteur de pompe IE4 ou IE5 procure, sur l'ensemble de l'année, une économie d'énergie importante par rapport à un IE3. Choix d'un moteur électrique de pompe à eau : notre article détaille les critères fondamentaux des moteurs de pompe.

Le circuit de refroidissement d'un centre de données comporte généralement plusieurs étages de pompage : le circuit primaire prélève la chaleur dans les salles serveurs, le circuit secondaire transporte cette chaleur vers les unités extérieures. Le moteur de pompe de chaque étage est dimensionné séparément selon le débit véhiculé et la hauteur de refoulement. Si l'on considère que tous ces moteurs fonctionnent en continu et simultanément, on voit qu'un faible écart de rendement produit un effet multiplicateur sur la consommation totale d'énergie. C'est pourquoi la classe de rendement de chaque moteur de pompe est examinée une par une.

Moteurs de ventilateur de refroidissement

Les moteurs de ventilateur assurent l'évacuation finale de la chaleur vers l'atmosphère. Les ventilateurs des tours de refroidissement et des centrales de traitement d'air déplacent de grands débits d'air. Ces moteurs fonctionnent également en continu et leur rendement représente une part importante de la consommation totale d'énergie. Choix d'un moteur de ventilateur et de ventilateur d'extraction : les mêmes principes s'appliquent ici ; la bonne conception des pales et le bon rendement du moteur sont évalués ensemble.

Qu'exige un fonctionnement continu (S1) ?

Le régime de fonctionnement S1 signifie que le moteur travaillera en continu à la charge nominale et atteindra son équilibre thermique. Pour ce régime, la classe d'isolation, l'élévation de température et la durée de vie des roulements du moteur choisi doivent être adaptées. Comme le moteur tourne presque sans arrêt toute l'année dans un centre de données, un moteur conçu pour un service de courte durée s'y fatigue rapidement. Un moteur conçu pour le service continu, doté d'un carter robuste, est indispensable.

En fonctionnement continu, le régime de graissage des roulements doit lui aussi être pensé différemment. Les roulements d'un moteur qui tourne toute l'année effectuent beaucoup plus de tours que ceux d'un moteur à service de courte durée, et les intervalles de graissage sont planifiés en conséquence. De même, la tenue de l'isolation du bobinage à une température élevée permanente est critique pour que le moteur atteigne la durée de vie attendue. C'est pourquoi, lors du choix de la classe d'isolation des moteurs de centre de données, monter d'une classe est un choix judicieux qui allonge la durée de vie.

Fiabilité : s'arrêter n'est pas un luxe, c'est une catastrophe

Dans un centre de données, l'arrêt inattendu d'un moteur de refroidissement n'est pas une panne ordinaire ; il signifie directement une montée en température des serveurs et une perte de données potentielle. La fiabilité du moteur passe donc avant même le rendement. Des roulements de qualité, une structure de bobinage solide et un carter résistant sont la base d'un fonctionnement sans panne pendant des années. Qualité du bobinage: elle détermine directement la durée de vie d'un moteur qui fonctionne en continu.

Relation entre rendement et PUE

Dans les centres de données, l'efficacité énergétique se mesure par le PUE (indicateur d'efficacité de l'utilisation de l'énergie). Le PUE est le rapport de l'énergie totale de l'installation à l'énergie destinée uniquement aux équipements informatiques ; la valeur idéale est proche de 1. Le système de refroidissement est l'un des plus gros postes de consommation d'énergie non informatique. À mesure que le rendement des moteurs de pompe et de ventilateur augmente, l'énergie absorbée par le refroidissement diminue et le PUE s'améliore. Les moteurs à haut rendement constituent donc un investissement qui améliore directement le PUE. Moteurs électriques à haut rendement : ils sont déterminants sur ce point.

Économie à charge partielle grâce au contrôle de vitesse

La charge de refroidissement d'un centre de données varie au cours de la journée et selon les saisons. Par temps froid ou lorsque la charge des serveurs est faible, la pleine capacité de refroidissement n'est pas nécessaire. À ce stade, régler la vitesse du moteur en fonction de la charge à l'aide d'un variateur de fréquence procure une économie importante. Sur les pompes et les ventilateurs, lorsque le débit baisse, le besoin de puissance diminue beaucoup plus vite ; le contrôle de vitesse est pour cette raison l'un des outils d'économie les plus puissants d'un centre de données. Économie d'énergie avec un variateur de fréquence : cet article explique ce mécanisme.

La physique derrière cette économie, ce sont les lois de similitude des pompes et des ventilateurs : lorsque le débit est divisé par deux, la puissance nécessaire peut théoriquement descendre jusqu'au huitième. Autrement dit, lorsque la charge de refroidissement diminue, réduire la vitesse du moteur consomme beaucoup moins d'énergie que de le faire tourner à pleine vitesse en étranglant l'excès de refroidissement par une vanne ou un registre. Comme le profil de charge d'un centre de données change en permanence, un système de refroidissement à vitesse variable accumule sur l'année une économie nette par rapport à un système à pleine vitesse. Cela se traduit directement par une amélioration du PUE.

Le cas particulier des moteurs de ventilateur de tour de refroidissement

Les ventilateurs des tours de refroidissement travaillent dans un environnement humide et corrosif. La vapeur d'eau, les produits chimiques et les conditions climatiques extérieures sollicitent le moteur. C'est pourquoi les moteurs de ventilateur de tour de refroidissement sont choisis avec un indice de protection adapté et dans des matériaux résistants. Moteur de ventilateur de tour de refroidissement : notre article traite les critères propres à ces conditions de service difficiles.

Redondance et architecture N+1

Les centres de données sont conçus de façon redondante pour offrir une haute disponibilité. Du côté du refroidissement également, les pompes et les ventilateurs sont généralement installés avec une redondance N+1 ou supérieure ; autrement dit, un moteur de secours est prêt à prendre le relais lorsqu'un moteur tombe en panne. Dans cette architecture, on attend aussi que les moteurs de secours soient mis en marche à intervalles réguliers et qu'ils appartiennent à la même classe de rendement. Préserver les moteurs de secours restés longtemps à l'arrêt est la condition préalable de leur bon fonctionnement lors de leur mise en service.

Le maintien à l'arrêt prolongé des moteurs de secours constitue en soi un risque. Dans un moteur qui ne tourne pas, le film d'huile des roulements peut se dégrader et de la condensation peut se former dans le bobinage en milieu humide. C'est pourquoi les moteurs de secours doivent être mis en service et faits tourner à intervalles définis, si possible avec une rotation automatique faisant alterner tour à tour les moteurs actifs et les moteurs de secours. L'usure de tous les moteurs est ainsi équilibrée et aucun moteur ne s'atrophie faute d'utilisation.

Refroidissement libre et profil de charge variable

Les centres de données modernes réduisent le refroidissement mécanique et profitent du refroidissement libre lorsque l'air extérieur est suffisamment froid. Dans ce mode, les compresseurs sont partiellement ou totalement hors service, mais les moteurs de pompe et de ventilateur qui font circuler l'eau et l'air continuent de fonctionner. Il peut même être nécessaire de faire circuler davantage d'air et d'eau en refroidissement libre, si bien que la charge des moteurs de ventilateur et de pompe peut varier. Ce profil de fonctionnement à transitions rend nécessaires des moteurs qui restent efficaces sur une large plage de fonctionnement et qui sont compatibles avec le contrôle de vitesse. Un moteur bien choisi reste efficace en mode refroidissement mécanique comme en mode refroidissement libre.

Bruit électrique et compatibilité avec le variateur

Les moteurs entraînés par un variateur de fréquence sont exposés à la forme d'onde à haute fréquence produite par le variateur. Cela peut solliciter l'isolation du bobinage et les roulements. Dans un environnement comme un centre de données, où les moteurs sont entraînés en permanence par variateur, choisissez un moteur doté d'une isolation de bobinage adaptée à l'alimentation par variateur. Une isolation appropriée et un bon choix de roulements protègent le moteur contre les contraintes supplémentaires apportées par l'entraînement par variateur et garantissent une longue durée de vie.

Choix du nombre de pôles et de la vitesse

La vitesse dont ont besoin les pompes et les ventilateurs exige de choisir le bon nombre de pôles. Réduire la vitesse d'un moteur tournant à une vitesse inadaptée par une transmission poulie-courroie entraîne à la fois une perte de rendement et une charge de maintenance. Un entraînement direct à la bonne vitesse augmente le rendement du système. Nombre de pôles et vitesse de rotation : cette relation est établie en fonction du besoin de vitesse de l'équipement de refroidissement.

Le dimensionnement correct est également critique dans le refroidissement

Le surdimensionnement des moteurs de refroidissement coûte particulièrement cher dans un centre de données, car ces moteurs fonctionnent en continu. Un moteur de pompe ou de ventilateur peu chargé perd à la fois son rendement et son facteur de puissance. Des moteurs correctement dimensionnés en fonction de la charge de refroidissement réelle procurent une économie d'énergie sur toute leur durée de vie. Tableau kW et tr/min : déterminer la bonne puissance à partir de ce tableau appuie cette décision.

Gestion de la température et chaleur propre du moteur

Les moteurs produisent eux aussi de la chaleur en fonctionnant. Un moteur efficace produit moins de chaleur, ce qui allonge sa durée de vie et réduit la charge de refroidissement du local technique où il se trouve. Le suivi de la température propre du moteur donne un avertissement avant la panne dans un système qui fonctionne en continu. Contrôle de la température d'un moteur électrique: c'est une mesure indispensable pour les moteurs de refroidissement qui fonctionnent sans interruption.

Optimisation continue grâce au suivi énergétique

Le refroidissement d'un centre de données n'est pas statique ; la consommation d'énergie change à mesure que la charge varie. Le suivi continu de la consommation d'énergie des moteurs de pompe et de ventilateur révèle les possibilités d'optimisation. Voir quel moteur fonctionne, à quel moment et à quelle charge, alimente à la fois la stratégie de contrôle de vitesse et les décisions de dimensionnement. Suivi énergétique d'un moteur électrique: c'est l'outil fondamental de l'amélioration du PUE.

Maintenance et approche prédictive

Les moteurs qui fonctionnent en continu sont les équipements qui ont le plus besoin d'une maintenance planifiée. Lorsque l'état des roulements, les vibrations et la température sont suivis régulièrement, les pannes sont détectées avant de se produire et les arrêts imprévus sont évités. Comme le prix d'un arrêt imprévu d'un moteur de refroidissement est très élevé dans un centre de données, la maintenance prédictive n'y est pas un luxe mais une obligation. Étapes de maintenance d'un moteur électrique : cela rend cette approche systématique.

La perspective du coût total de possession

Lorsqu'il s'agit de décider des moteurs de refroidissement d'un centre de données, ne regarder que le prix d'achat est trompeur. Comme ces moteurs fonctionnent à toute heure de l'année, l'énergie qu'ils consomment sur leur durée de vie dépasse largement le prix d'achat. C'est pourquoi un moteur offrant un rendement supérieur de quelques points s'amortit rapidement, même si son coût initial est un peu plus élevé. La durée d'amortissement d'un moteur à haut rendement est généralement bien plus courte que prévu dans une application de centre de données qui fonctionne en continu. Durée d'amortissement d'un moteur à haut rendement : cela montre comment ce calcul est effectué.

Renouveler les anciens moteurs de refroidissement

Dans un centre de données existant, des moteurs de refroidissement à faible rendement installés des années plus tôt tirent discrètement le PUE vers le haut. Remplacer ces moteurs par de nouveaux moteurs à haut rendement est un investissement qui se rembourse rapidement du fait du fonctionnement continu. Lorsqu'il s'agit de décider du moment de remplacer un ancien moteur, l'effet annuel de l'écart de rendement passe au premier plan sur les moteurs qui fonctionnent en continu. Quand renouveler un ancien moteur : notre article traite cette décision.

Facteur de puissance et qualité électrique

Dans un centre de données où de nombreux moteurs fonctionnent en continu, le facteur de puissance influe directement sur la qualité électrique de l'installation. Des moteurs à haut rendement et correctement dimensionnés fonctionnent avec un facteur de puissance plus sain et réduisent la charge réactive. Facteur de puissance et cosfi : sa gestion est une composante cachée mais importante du coût de l'énergie dans les grandes installations.

Effet de la qualité du rotor et du bobinage en charge continue

Sur un moteur qui fonctionne en continu, le rendement et la fiabilité reposent sur la qualité du rotor et du bobinage. Un bobinage en cuivre de qualité et une structure de rotor à faibles pertes produisent moins de chaleur et maintiennent la courbe de rendement élevée tout au long de l'année. Rotor et bobinage en cuivre : cette qualité détermine directement, dans une application qui fonctionne sans arrêt comme un centre de données, à la fois la performance énergétique et la longévité du moteur.

La valeur d'un carter résistant en fonctionnement continu

Sur un moteur qui tourne sans arrêt toute l'année, la résistance mécanique est la base de tout. Les moteurs asynchrones à carter en fonte de DRG Motor dissipent la chaleur de façon stable, absorbent les vibrations et résistent à un fonctionnement continu de longue durée. Dans un environnement comme un centre de données, où l'arrêt est inacceptable, la solidité du carter se traduit directement en fiabilité et garantit le fonctionnement ininterrompu du système.

Un refroidissement ininterrompu et efficace avec DRG Motor

Chez DRG Motor, nous connaissons les deux exigences fondamentales du refroidissement des centres de données : ne jamais s'arrêter et consommer le moins d'énergie possible. Notre gamme de moteurs asynchrones IE3, IE4 et IE5 réunit fiabilité et faible coût énergétique dans les applications de pompe et de ventilateur à fonctionnement continu. Pour déterminer le bon moteur pour l'infrastructure de refroidissement de votre centre de données et améliorer votre PUE, consultez notre page produits DRG Motor . Tant que le refroidissement fonctionne sans arrêt, vos moteurs rapportent sans arrêt. Le bon choix de moteur garantit l'infrastructure la plus critique de votre centre de données et protège votre budget énergétique pendant des années.