Etude de perte de charge – Groupe électrogène – Data center
Etude de perte de charge - Groupe électrogène - Data Center
Année
2024
Client
NC
Localisation
Marcoussis
Typologie
Data Center - Process Industriel
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Pertes de charge dans les locaux de groupe électrogène d’un data center
L’importance des groupes électrogènes dans les data center
Dans un data center, les groupes électrogènes représentent le dernier rempart en cas de défaillance de l’alimentation électrique principale. Leur fonctionnement optimal garantit la continuité des opérations même en cas de coupure de courant.
Cependant, la performance de ces groupes électrogènes peut être compromise par différents facteurs, notamment les pertes de charge dans les locaux où ils sont installés. Une étude approfondie des pertes de charge dans ces locaux revêt donc une importance capitale pour assurer la disponibilité et la fiabilité des groupes électrogènes, et par extension, du data center dans son ensemble.
Comment caractériser les pertes de charge dans un local
On peut exprimer l’énergie d’un volume d’air sous forme d’une somme de pressions, constituant la pression totale du volume d’air :
- La pression liée au poids de la colonne d’air : ρgh,
- La pression dynamique liée à la vitesse de l’air : ρv²/2,
- La pression statique liée à la pression interne de l’air : P.
La perte de charge d’un composant est la différence de ces pressions totales (somme de la pression statique, la pression dynamique et la pression liée au poids) entre l’entrée et la sortie de celui-ci. Les pertes de charge dans un local sont dues aux résistances rencontrées par le fluide (air) lorsqu’il circule à travers les différents éléments du système de distribution (comme les conduits, les coudes, les vannes, les grilles, etc.).
Ces résistances entraînent ainsi une diminution de la pression du fluide le long de son parcours. Dans le cadre des groupes électrogènes, des baffles acoustiques sont placées en aval et en amont des GE afin de limiter les nuisances sonores de ces derniers, générant également d’importantes pertes de charge supplémentaires.
Comprendre et gérer ces pertes de charge est essentiel pour garantir l’efficacité et le bon fonctionnement des systèmes de ventilation, de climatisation, de chauffage et de plomberie. Minimiser les pertes de charge dans les systèmes de distribution de fluides est essentiel pour maximiser l’efficacité énergétique, réduire les coûts et assurer une performance optimale des systèmes. C’est un aspect clé de la conception et de la gestion des locaux techniques de groupe électrogènes des data center.
Pourquoi réaliser une étude CFD de perte de charge ?
La réalisation d’une étude CFD de perte de charge revêt une importance capitale dans de nombreux domaines d’ingénierie, dont l’étude des data centers. En permettant une modélisation numérique détaillée des flux fluides à l’intérieur d’un système, cette approche fournit des informations cruciales sur les zones de pertes de charge, de turbulence et de stagnation. Comprendre ces phénomènes permet d’identifier les points faibles de l’installation, d’optimiser la conception pour minimiser les pertes d’énergie, d’améliorer l’efficacité du système et d’assurer une performance optimale dans diverses conditions de fonctionnement.
En outre, une étude CFD permet de prévoir et de simuler les effets de modifications potentielles avant leur mise en œuvre physique, offrant ainsi une méthode rentable pour évaluer différentes stratégies d’amélioration et de résolution de problèmes. Dans le cadre des groupes électrogènes, ce type d’étude permettra ainsi d’assurer leur bon fonctionnement en toute circonstance. La réduction des pertes de charge permet également d’obtenir des vitesses de rejet plus importantes au niveau de la toiture, et donc de diminuer les risques de phénomènes de bouclage avec les aérorefroidisseurs.
D’où proviennent les pertes de charges ?
L’essentiel des pertes de charge générées dans les conduites d’extraction de groupes électrogènes des data center sont des pertes de charges singulières. Les pertes de charge singulières sont causées par des changements brusques de géométrie dans les conduites, tels que les coudes, les rétrécissements ou les élargissements soudains. Ces pertes de charge sont dues à plusieurs facteurs :
- La formation de tourbillons et de zones de turbulence: Les changements brusques de géométrie provoquent des perturbations dans l’écoulement du fluide, ce qui génère la formation de tourbillons et de zones de turbulence. Ces structures tourbillonnaires entraînent des pertes d’énergie, ce qui se traduit par des pertes de charge supplémentaires.
- L’accélération et la décélération du flux: Lorsqu’un fluide passe d’une section de conduite plus large à une section plus étroite (rétrécissement) ou vice versa (élargissement), il subit une variation de vitesse. L’accélération ou la décélération brusque du flux entraîne des pertes de charge en raison de la conversion de l’énergie cinétique en énergie de pression.
- La friction de la paroi : Les irrégularités présentes à la surface des parois internes des conduites, notamment aux endroits des changements de géométrie, peuvent provoquer une résistance accrue à l’écoulement du fluide. Cette résistance se traduit par des pertes de charge supplémentaires.
Il est important de noter que ces pertes de charge singulières peuvent être réduites en adoptant une conception appropriée des conduites, en utilisant des raccords lisses et en assurant une transition progressive entre les différentes sections de la conduite. Une bonne conception hydraulique peut minimiser ces pertes de charge singulières et optimiser l’efficacité du flux dans le système.
Simulation numérique des pertes de charges
Processus de modélisation pour l’étude CFD
Pour réaliser le modèle 3D d’un local technique en vue de l’étude CFD, l’approche suivie est basée sur les plans et le modèle 3D du process. L’intégralité du process avec les groupes électrogènes, les pièges à sons, les cheminées, les éléments dans le local, les gaines et les plénums ont été représentés précisément. En utilisant des logiciels de modélisation 3D, des modèles géométriques des pièces ont été créés, intégrant les équipements et les obstacles du process, en respectant leur emplacement réel.
Etudes des vitesses d’air et des pressions
Après obtention des résultats des simulations numériques, les vitesses et pressions sont analysées pour identifier et calculer les pertes de charge pour chaque local d’un même bâtiment de data center. Les pertes de charge sont calculées à partir de l’étude CFD en évaluant les variations de pression totale le long du cheminement de l’écoulement d’air à travers les locaux contenant les groupes électrogènes.
Dans cette analyse, les simulations numériques fournissent des données détaillées sur la distribution des vitesses d’écoulement, les gradients de pression, les flux thermiques et les lignes de courant à l’intérieur de ces espaces. Ces données permettent ainsi d’obtenir la répartition des pertes de charge le long de la conduite.
Impact des piège à son
Les pièges à sons permettent de réduire considérablement le niveau de décibel en sortie de gaine. Cependant, lorsque l’air traverse des registres ou des pièges à sons dans une gaine, les pertes de charge augmentent en raison de l’obstruction au flux d’air et des changements brusques de direction, favorisant ainsi les turbulences et augmentant la résistance à l’écoulement.
La géométrie spécifique de ces dispositifs peut également induire des variations locales de vitesse et de pression, contribuant à des pertes de charge importantes. Il est ainsi nécessaire de trouver un bon équilibre entre réduction des décibels et réduction des pertes de charge.
Optimisation de la conception des gaines des GE pour limiter les pertes de charges
La configuration des locaux entraînait des pertes de charge trop importantes. Ils ont été modifiés afin de diminuer la résistance à l’écoulement, notamment au niveau des pièges à sons et de la gaine de rejet. Des déflecteurs ont également été mis en place pour rendre les changements de direction moins brusques.
Grâce aux modifications apportées, les pertes de charge ont été réduites de plus de 50%. Cette diminution des pertes de charge permet d’assurer un fonctionnement efficace des groupes électrogènes, mais également de permettre des vitesses d’air plus élevées en sortie de gaine, réduisant ainsi les potentiels phénomènes de bouclage avec les aérorefroidisseurs en toiture.
