Études de dimensionnement et d'urbanisation d'un data center : plusieurs scénarios de crise testés pour valider la résilience des systèmes de climatisation.
EOLIOS Ingénierie a réalisé les études de dimensionnement et d'urbanisation d'un data center. Plusieurs scénarios de crise ont été étudiés afin de tester la résilience des systèmes de climatisation.
L'essentiel. Études de dimensionnement et d'urbanisation du data hall DC10 (client Equinix, Saint-Denis) par simulation CFD. Les premières études n'étaient pas compatibles avec les normes ASHRAE régissant le site et un risque de point chaud a été identifié : certaines grilles de sol proches des parois se retrouvaient en surdébit, sous-dimensionnant des grilles décisives près d'un serveur de grande puissance. Après optimisation du positionnement des grilles et vérification de l'absence de point chaud, plusieurs scénarios ont été étudiés, jusqu'à l'évolution des températures en cas de coupure du réseau concessionnaire et de relance des systèmes de secours.
Dans l'environnement des data centers à très grande échelle, des standards de systèmes de refroidissement capables de répondre aux besoins évolutifs de l'IT sont nécessaires, du fait de la densité croissante des équipements (plus de 10 kW / baie). Évacuer la chaleur des équipements haute densité est un point clé.
Cela implique de simuler numériquement le comportement thermo-aéraulique des différents phénomènes se déroulant dans le hall, en lien avec les process IT et les systèmes de climatisation.
Au cœur de la mission se trouve la construction d'un jumeau numérique du data hall : une réplique virtuelle fidèle de la salle, de ses baies et de l'ensemble des systèmes de traitement d'air. Ce modèle est bâti à partir des plans du site, des maquettes 3D et des fiches techniques des équipements, dont on extrait les débits d'air soufflés, les puissances dissipées par baie et les consignes de température.
Une fois alimenté par ces données, le jumeau numérique reproduit le comportement thermo-aéraulique de la salle et sert de banc d'essai virtuel : on y teste des configurations d'urbanisation, des scénarios d'exploitation et des situations de crise sans jamais perturber la production.
Représentation virtuelle et dynamique d'une installation réelle, alimentée par ses données de conception et d'exploitation. Dans un data center, il permet de rejouer par le calcul le comportement de l'air et des températures, d'anticiper les points chauds et d'éprouver les scénarios de panne avant qu'ils ne surviennent.
Principe d'urbanisation des salles serveurs consistant à alterner des allées d'aspiration d'air froid et des allées de rejet d'air chaud. Il évite le mélange des flux, limite la recirculation et conditionne directement l'efficacité du refroidissement.
La mécanique des fluides numérique (CFD) découpe le volume d'air de la salle en un maillage de cellules de calcul, puis résout en chaque point les équations d'écoulement et de transfert de chaleur. Elle restitue ainsi la vitesse de l'air, la température et la pression en tout point du data hall, des grilles de plancher jusqu'aux entrées de baies.
Relevé et modélisation : géométrie de la salle, urbanisation des baies, systèmes de soufflage et de reprise.
Maillage : découpage du volume d'air, raffiné au droit des grilles et des entrées de baies.
Conditions aux limites : débits soufflés, puissances dissipées par baie, consignes des systèmes de climatisation.
Exploitation : cartographies de température et de vitesse, vérification de la conformité aux plages ASHRAE et repérage des points chauds.
Recommandations de l'ASHRAE encadrant les plages de température et d'hygrométrie admissibles en entrée des équipements informatiques. Elles servent de référentiel pour juger si une configuration de refroidissement est acceptable.
Les résultats des premières études n'étaient pas compatibles avec les normes ASHRAE régissant le site, et un risque de point chaud a été identifié. Certaines grilles de plancher proches des murs pouvaient présenter un débordement, conduisant à un sous-dimensionnement de grilles décisives situées près d'un serveur de forte puissance.
Après optimisation du positionnement des grilles et vérification de l'absence de points chauds, plusieurs scénarios ont été étudiés.
À retenir — le bon positionnement des grilles de soufflage est déterminant : un débordement local peut sous-alimenter une baie critique et créer un point chaud.
Dans une salle en faux plancher, l'espace situé sous les dalles fait office de plénum de soufflage : l'air froid y est mis en pression par les climatiseurs de précision, puis restitué dans les allées froides par des grilles perforées ou des dalles à débit réglable. La performance du refroidissement dépend moins de la puissance froide installée que de la répartition de cet air là où les serveurs en ont besoin.
Deux grandeurs gouvernent cette répartition : la pression statique dans le plénum et le taux de perforation (ou d'ouverture) des dalles. Une grille placée trop près d'un climatiseur se situe dans une zone où l'air circule vite et où la pression statique est faible, ce qui peut réduire son débit, voire provoquer une aspiration inverse qui fait redescendre de l'air chaud dans le plénum. À l'inverse, une grille placée en bout de plénum, là où la pression est rétablie, peut se retrouver en surdébit au détriment de ses voisines.
Volume situé sous les dalles du faux plancher, mis en pression par les climatiseurs et servant à distribuer l'air froid vers les allées. Sa hauteur, son encombrement (câbles, canalisations) et l'implantation des grilles déterminent la pression disponible en chaque point.
Proportion de surface ouverte d'une dalle de faux plancher (grille perforée ou à registre). Il fixe le débit d'air délivré pour une pression de plénum donnée : trop élevé près des climatiseurs, il déséquilibre la distribution ; bien réparti, il aligne le débit sur la charge thermique des baies.
L'enjeu consiste à aligner le débit d'air froid sur la charge thermique de chaque baie, tout en préservant une pression de plénum homogène. La simulation CFD permet d'objectiver ces choix, baie par baie :
Positionner les grilles dans les allées froides uniquement, face aux entrées d'air des serveurs, jamais dans les allées chaudes où elles gaspilleraient l'air froid.
Éviter la proximité immédiate des climatiseurs, où la faible pression statique dégrade, voire inverse, le débit des premières grilles.
Doser le taux de perforation et recourir à des dalles à registre réglable pour renforcer le débit face aux baies de forte puissance.
Dégager le plénum des obstacles (chemins de câbles, canalisations) qui créent des pertes de charge et des zones de sous-pression.
Contenir la surpression en bout de rangée pour éviter le débordement des grilles éloignées au détriment des grilles décisives.
À retenir. Une grille de faux plancher n'apporte du froid utile que si la pression du plénum et son taux de perforation sont cohérents avec la charge de la baie qu'elle dessert. Le bon placement, validé par la CFD, prime sur l'ajout de puissance froide.
Plusieurs scénarios ont été simulés : scénarios d'usage standard et scénarios de panne ou de maintenance. Enfin, nous avons étudié l'évolution des températures de la salle dans le temps en cas de coupure du réseau concessionnaire et de réactivation des différents systèmes de secours.
Là où une simulation en régime permanent décrit la salle stabilisée à un instant donné, l'étude transitoire calcule l'évolution des températures seconde après seconde lors d'un événement. C'est le seul moyen de répondre à la vraie question de résilience : en cas de perte du refroidissement, de combien de temps dispose-t-on avant que les serveurs ne dépassent leurs seuils critiques ?
Le scénario dimensionnant est la coupure du réseau concessionnaire. À l'instant de la bascule, les climatiseurs de précision s'arrêtent le temps que les groupes électrogènes démarrent et reprennent la charge, tandis que les serveurs, eux, continuent de dissiper leur pleine puissance. La température de l'air en salle grimpe alors très vite, d'autant que l'inertie thermique disponible dans le plénum et le volume d'air est faible au regard des densités en jeu.
Simulation instationnaire qui résout l'évolution des champs de température et de vitesse au cours du temps, à partir d'un état initial et d'une chronologie d'événements. Elle quantifie les vitesses de montée en température et les délais avant franchissement des seuils, là où une étude permanente ne donne qu'un état figé.
Capacité des masses en présence (air, structures, équipements) à amortir une variation de température. Faible dans un data hall dense, elle laisse peu de marge : quelques dizaines de secondes suffisent parfois pour atteindre les seuils en cas d'arrêt du refroidissement.
L'étude reconstitue toute la chronologie de reprise : arrêt du froid, temporisation de démarrage des groupes, redémarrage des ventilateurs puis rétablissement progressif des consignes. En suivant l'évolution baie par baie, la simulation met en évidence les zones qui atteignent les premières leurs limites et vérifie qu'aucune ne franchit les seuils avant le retour du refroidissement.
Vitesse de montée en température par zone, depuis l'instant de la coupure.
Délai avant seuil critique comparé au temps de bascule des systèmes de secours.
Cinétique de retour à la consigne après relance des groupes et des ventilateurs.
Zones les plus exposées, à traiter en priorité par l'urbanisation ou la redondance.
À retenir. La résilience d'un data hall ne se juge pas à l'équilibre mais dans la transition : l'étude transitoire confronte le délai avant seuil critique au temps de reprise des secours, et prouve la tenue de la salle avant l'incident réel.
En rejouant chaque configuration par le calcul, le jumeau numérique permet de fiabiliser le dimensionnement et l'urbanisation de la salle avant toute intervention physique. Les corrections, comme le repositionnement des grilles, sont validées virtuellement, ce qui réduit le risque d'erreur en exploitation.
Anticipation des points chauds et vérification de la conformité aux plages ASHRAE.
Test des scénarios de crise (panne, maintenance, coupure réseau) sans risque pour la production.
Optimisation de l'urbanisation des baies et du soufflage pour une meilleure efficacité de refroidissement.
Support de décision durable : le modèle peut être réutilisé à chaque évolution de la salle.
À retenir. Le jumeau numérique transforme le refroidissement d'un data hall en un problème mesurable : chaque scénario se teste virtuellement avant d'être déployé, ce qui sécurise la disponibilité de la salle.
Normes ASHRAE, positionnement des grilles et scénarios de crise : les réponses aux questions que se posent exploitants et concepteurs avant une étude CFD interne.
Réaliser les études de dimensionnement et d'urbanisation du data hall et tester la résilience des systèmes de climatisation par plusieurs scénarios de crise, en simulant le comportement thermo-aéraulique des phénomènes du hall, comme sur notre étude interne du data center DC28.
Le résultat des premières études n'était pas compatible avec les normes ASHRAE régissant le site et un risque de point chaud a été identifié : certaines grilles de sol proches des parois se retrouvaient en surdébit, entraînant un sous-dimensionnement de grilles déterminantes à proximité d'un serveur de grande puissance.
Par l'optimisation du positionnement des grilles, puis la vérification de l'absence de point chaud avant d'étudier les différents scénarios.
Des scénarios d'usage standard et des scénarios de type défaillance ou maintenance, ainsi que l'évolution des températures du local dans le temps en cas de coupure du réseau concessionnaire et de relance des différents systèmes de secours.
Avec des densités pouvant dépasser 10 kW par baie, évacuer la chaleur des équipements informatiques haute densité est un point clé pour ces centres de données, ce qui impose de simuler le comportement thermo-aéraulique du hall.
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Modèle CFD 3D du data hall : dimensionnement, optimisation des grilles et scénarios de crise (coupure réseau, réactivation des secours).
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