Réduction de la consommation énergétique des datacenter
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Réduction de la consommation énergétique des datacenter : optimisation du conditionnement d’air, influence de Orange Labs l’architecture David Nörtershäuser, Recherche & Développement Stéphane Le Masson, Recherche & Développement 15/03/2011 diffusion libre Sommaire 1 Introduction 2 Quelques chiffres significatifs 3 Pistes de réduction de consommation 4 Conclusions et Perspectives 2 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre 1 – Introduction Qu'est ce qu'un datacenter ? – Source Wikipédia… – Un centre de traitement des données est un service généralement utilisé pour remplir une mission critique relative à l'informatique et à la télématique. Il comprend en général un contrôle sur l'environnement (climatisation, système de prévention contre l'incendie, etc.), une alimentation d'urgence et redondante, ainsi qu'une sécurité physique élevée. 2 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre 2 – Quelques chiffres significatifs Global France (2006) – Télécom = 1.5% de la demande nationale – Représente 3.1 TWh/an France Télécom (2006) – Conso Globale FT = 1.7 TWh (Fr) – Consommation énergétique par Réseau (Thèse L Souchon 2008) 2 Evolution aux US de la consommation des Datacentres 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre Bâtiment 2 – Problème physique à résoudre 100% livraison Alimentation électrique 40% 55% Chaleur Groupe Electrogène Chaleur 99% ASI Salle Datacenter 45-50% Climatisation PDU 2 Froid Télécom 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion Négligeable diffusion libre 2 – Métrique et Bilan PUE=Energie totale/Energie équipements IT Les PUE des Datacenter varient… – Dépend de l'architecture, de la localisation, de la "définition d'un Datacenter" etc. – Exemple Source Etude LBNL 2 => Cible "best pratice" = 1.2 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre 2 – Bilan Le conditionnement d'air présente des disparités énormes Exemple : Pour évacuer 1kW de chaleur => 1kw de froid ⇒ 0.3 kW électrique (Cop =3) Ici : Pour évacuer 1kW de chaleur => 1 kW électrique (Cop =3) => 3kw de froid Il est nécessaire d'optimiser – 1 Le Conditionnement d'air – 2 L'alimentation électrique – 3 L'architecture informatique 2 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre 3 – 1 Optimisations possibles => Informatique Optimiser les serveurs – Reprendre la base du problème – Chipsets – Refroidissement – Processeurs qui se réveillent seulement quand on en a besoin ? Faut-il utiliser les processeurs les plus puissants pour toutes les applications ? Cloud computing / Virtualisation ? – Pas propriétaire des serveurs – Rechercher des ressources chez les autres – Partage des calculs – Optimisation… 2 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre 3 – 2 Optimisations possibles Energie Utilisation d'autres sources ? – Photovoltaïque – Revente à EDF ? – 0,4€ à 0.6€ /kWh Retour sur Inv > 15 ans – Production < 0.1% de la conso du Datacenter (NO de la France) – Eolien – Tarif de rachat assez peu attractif (8,5 c€/kWh pendant 10 ans, puis entre 2,8 et 8,5 c€/kWh pendant 5 ans selon les sites) – Nombreuses contraintes par rapport au site – Pile à Combustible – Ca sera une solution intéressante – Pas encore mature… 2 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre 3 – Optimisations possibles : Environnement climatique Optimiser le conditionnement d'air Elargir les plages de fonctionnement Définir une architecture de bâtiment 22 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre 3 – Optimisations possibles : Environnement climatique (1) Optimiser le conditionnement d'air => Aéraulique de la salle – But : utiliser au mieux l'air froid pour refroidir les équipements télécom… 22 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre 3 – Optimisations possibles : Environnement climatique (2) Elargir les plages de fonctionnement ►Constat: Décalage important entre les spécifications climatiques des constructeurs d'équipements informatiques, et les plages climatiques appliquées dans nos salles: Températur e Hygrométr ie Spécifications climatiques des constructeurs 20-30 °C 20-80 % Consignes généralement en vigueur dans les DC de FT 20-22 °C 45-55 % ►Conséquences: Consommation énergétique énorme des climatisations: Exemple: environ 2 GWh / an pour climatiser une salle de 1000 m2 22 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre Démarche expérimentale: Inventaire des équipements présents dans une salle "typique", recherche des spécifications climatiques "constructeurs", et définition de la plage commune à tous les équipements Instrumentation thermique de la salle et de la climatisation associée 1ère phase de mesure: état des lieux, sans toucher aux réglages existants – Suivi climatique et énergétique – Bilan aéraulique s'il y a lieu – Proposition de modifications 2nde phase de mesure: fonctionnement avec plages élargies – Suivi climatique et énergétique – Suivi fonctionnel de la climatisation – Bilan comparatif, avec estimation des économies d'énergie réalisées ► 2nd palier d'élargissement) 22 Bilan final, avec perspectives de déploiement 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre Exemple: Paris 22 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre Température à la reprise (°C) Déroulement de l'expérimentation (Consignes de régulation à la reprise) 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 Après 1 année complète de suivi dans les conditions du 2nd palier: ►Aucun dysfonctionnement 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Humidité relative à la reprise (%) 70 75 80 85 90 95 100 Etat des lieux 1er palier 2nd palier Température (°C) 20-24 22-26 24-28 Hygrométrie (%) 45-65 35-75 25-75 Consommation d'énergie de la climatisation 170 MWh -10 % -20 % Bilan 22 ETSI 3-1 conditions normales Plage commune équipements informatiques Plages initiales constatées à Murat Plages élargies (1er palier) Plages élargies (2nd palier) signalé au niveau des baies informatiques ►Aucune anomalie signalée au niveau du fonctionnement de la climatisation par mois 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre CONCLUSIONS sur l'élargissement des plages climatiques ►Etude très concluante en cours de généralisation à FT ►Economies d'énergies minimales attendues: entre 10 et 20 % (suivant les sites) de la consommation énergétique des climatisations Principales limites à cet élargissement : - Vis-à-vis des équipements: la principale limite est, dans le cas des DC à forte charge thermique, le délai d'intervention en cas de panne de clim, qui doit être maintenu à une valeur acceptable Influence du bâtiment sur la montée en Température 22 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre Problématique Flux solaire Pclim Extraction Peq Apport d'air neuf Pdéperditions Papports Nécessité de maintenir les équipements dans des plages climatiques restreintes. La consommation et le dimensionnement du système de conditionnement d'air dépendent de : – La puissance des équipements, – Des conditions extérieures (localisation), – De la constitution du bâtiment, – De l'utilisation de l'air extérieur. 22 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre Etat de l'art Les règles de thermique du bâtiment sont édictées pour le bâtiment résidentiel – Résidentiel => On veut réduire le chauffage… – Datacenter => On veut évacuer la chaleur… -> Nécessité de définir des règles de conception répondant à la problématique télécom Les questions auxquelles on doit apporter une réponse: – Quelle architecture adopter ? – Quels matériaux ? – Stratégie d'utilisation de l'air externe ? 22 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre Etat de l'art: Data centers actuels Flux solaire Puissance équipements Extraction d'air Text Air neuf Dimensions type: Longueur: 6 m, Largeur: 2,3 m Hauteur: 2,7 m - Pas de dissipation par les parois - Pas d'utilisation de l'air externe (Free-cooling) -->Surconsommation énergétique des climatisations 22 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre Objectifs à courts terme Proposer des actions permettant une réduction énergétique significative du conditionnement d'air Sur quels leviers agir? – Stratégie d'utilisation de l'air externe (Free cooling) – Dimensionnement, régulation – Définition d'une enveloppe de bâtiment – Formes – Matériaux – Agencement 22 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre 22222222 Développement d'un modèle numérique prédictif Text (t) Modèle Flux solaire Peq numérique (t) HRext (t) Tamb (t) HRamb (t) - Permet de traiter un grand nombre de cas dans un délai raisonnable 45.00 40.00 45.00 30.00 40.00 25.00 20.00 15.00 Date Heure 1200 Peq Températures ( °C) 35.00 10.00 31/07/2007 02/08/2007 04/08/2007 06/08/2007 08/08/2007 10/08/2007 12/08/2007 14/08/2007 16/08/2007 18/08/2007 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 Tb1-1 Tb2-2 Tair 30.00 1000 Densité de puissance (W/m²) Température (°C) 35.00 25.00 800 600 20.00 400 200 0 31/07/2007 02/08/2007 04/08/2007 06/08/2007 08/08/2007 10/08/2007 12/08/2007 14/08/2007 16/08/2007 18/08/2007 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 Date Heure 15.00 31/07/2007 00:00 02/08/2007 00:00 - Confirmations expérimentales requises 04/08/2007 00:00 06/08/2007 00:00 08/08/2007 00:00 10/08/2007 00:00 12/08/2007 00:00 14/08/2007 00:00 16/08/2007 00:00 18/08/2007 00:00 Date Heure -Mesures Labo 22 -Mesures sur les premiers sites qui seront issus de ces 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion recommandations diffusion libre Résultats de simulation : conception bâtiment Simulations numériques sur la conception de petits bâtiments (L(6m)* l(2.3m)*H (2.7m))) – Configuration climatique : Eté 2003, Carpentras => quelle est la limite de Puissance ? Extraction Flux solaire Extérieur Intérieur Extérieur Apport d'air neuf Peq Avec utilisation d'une ventilation optimisée Puissance max admissible W/m3 Parpaing e=20cm Polystyrène extrudé e=10cm Polystyrène Parpaing e=20cm extrudé e=10cm W/m² Béton Béton Tpcm1 Tpcm2 Bâtiment de référence (parois en parpaings de 10) 22 62 Parois en parpaings de 20 30 85 Isolation interne 14 38 Isolation externe 59 169 Paroi en béton de 20 cm 70 200 Mur ventilé 89 254 Matériaux à changement de phase 178 508 Puits provençal 232 662 22 Intérieur Isolant Intérieur Extérieur 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre Ventilation 3 – Optimisations possibles : Environnement climatique (3) Simulations expérimentales sur la conception de petits bâtiments – Simulations sur la plateforme CLIM@LAN : 3 Maquettes de bâtiments – Puissance dissipée = 200W /m3 45 Cas 1: Parpaings creux + dalle béton Cas 2: Béton + dalle en Béton Cas 3: Béton + PCM37 + PCM28 40 Ventilation Températures (°C) 35 30 25 20 22 Ventilation M1 Tamb haute M2 Tamb haute M3 Tamb haute 15 3/12/08 3/12/08 3/12/08 4/12/08 4/12/08 4/12/08 4/12/08 4/12/08 5/12/08 5/12/08 5/12/08 14:00 18:48 23:36 4:24 9:12 14:00 18:48 23:36 4:24 9:12 14:00 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion Date Heure diffusion libre Conclusions & perspectives… Problématique énergétique et climatique des datacentres va devenir de plus en plus préoccupante… Des solutions simples peuvent être proposées Nécessité de faire des mesures quel service consomme combien de W ? Beaucoup de chemin à faire – pour réduire les PUE vers 1.2 - 1.3 – Pour réduire la consommation des équipements Des travaux sont à mener en prenant le problème dans sa globalité (Equipement IT, alimentation en énergie, conditionnement d'air, bâtiment, supervision de l'environnement etc etc… ) Se poser les bonnes questions lors de la construction d'un nouveau centre : Lieu ? Risques ? Architecture etc etc… 22 22222222222 - Recherche & Développement – Colloque Tic & Energie – 15/03/2011 Lannion diffusion libre Merci… diffusion libre
