Conception thermique d’une paroi complexe de datacentre pour une optimisation énergétique

par Bezeid Deddy

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur. Spécialité énergétique

Sous la direction de Patrick Glouannec.

Soutenue en 2012

à Lorient , dans le cadre de École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère) , en partenariat avec Laboratoire d'ingénierie des matériaux de Bretagne (laboratoire) et de Université européenne de Bretagne (autre partenaire) .

mots clés

• Free-cooling
• Trnsys
• Matériau à changement de phase (MPC)
• Paroi multicouche
• Centres de traitement informatique -- Économies d'énergie -- Modèles mathématiques -- Thèses et écrits académiques
• Centres de traitement informatique -- Chauffage et ventilation -- Régulation -- Modèles mathématiques -- Thèses et écrits académiques
• Matériaux -- Propriétés thermiques -- Modèles mathématiques -- Thèses et écrits académiques
• Murs en béton -- Thèses et écrits académiques

Résumé

La réduction de la consommation énergétique des bâtiments de télécommunications constitue un challenge international que les principaux opérateurs de télécommunications, et les acteurs majeurs de l'internet vont devoir relever. En effet, ces bâtiments possèdent une forte densité d'équipements électroniques et donc des apports thermiques très importants. Il est ainsi nécessaire de recourir à des systèmes de climatisation conséquents et énergivores pour maintenir les conditions ambiantes (température et humidité de l’air) dans des plages fixées par les normes. Une des approches possibles pour limiter les puissances installées des dispositifs de climatisation est d’écrêter les pics de température des ambiances intérieures en agissant sur la capacité de stockage de la chaleur des murs et en adoptant une gestion « jour-nuit » des systèmes. Ainsi, dans le cadre de cette thèse des études expérimentales et numériques ont été menées afin de disposer d’un outil de simulation dédié à la prédiction de la température ambiante dans une salle de datacentre. Dans une première étape, les réponses en température de deux maquettes de volume intérieur 1 m3 sont suivies et simulées dans différentes conditions de test. L’inertie thermique est augmentée par l’intégration de matériaux à changement de phase MCP (paraffine micro-encapsulée) dans du béton. A partir d’expériences et de mesures des propriétés thermophysiques, un modèle thermique représentatif de la conduction monodimensionnelle dans les parois est développé et validé. A partir de ces études, un composant spécifique, représentatif d’une paroi multicouche avec MCP, est développé et couplé au Type 56 de TRNSYS. Ces développements sur TRNSYS sont alors appliqués à l’étude d’un site réel « datacentre ». Après une confrontation à des données expérimentales, différentes configurations de parois destinées à améliorer l’inertie thermique sont évaluées par le biais de simulation.

Titre traduit

Thermal design of a complex wall of data center for energy optimization

Résumé

The reduction of energy consumption for telecommunication buildings is an international challenge for main telecommunication operators and principal actors of internet. Indeed, in these buildings there are electronics equipment with a strong power density and thus a very important thermal contribution. Therefore it is necessary to use large air-conditioning systems in order to maintain ambient conditions (temperature and relative humidity of the air) in fixed ranges. One possible approach for limit installed air conditioning systems is to clip the peaks of internal temperature by using a heat storage in the wall and by adopting a night cool storage directly in the masonry. In this thesis, the study describes a numerical and experimental study in order to define new conceptions of optimized telecommunication buildings. Walls are used in order to increased heat transfer and reduced cooling energy consumption. In the first step, the temperature response of the internal volume 1 m3 were followed and simulated under different test conditions. The thermal inertia is increased by incorporating phase change materials (PCM microencapsulated paraffin) in concrete. From experience and measurements of thermophysical properties, a one dimensional thermal model conduction that represents heat transfer in the walls were developed and validated. From these studies, a specific component, representative of a multilayer wall with PCM, is developed and coupled to TRNSYS Type 56. These TRNSYS developments are then applied to the study of a real "data center" site. After confrontation with experimental data, different configurations of walls have been studied in order to improve thermal inertia. New building architectures are proposed in order to reduce cooling energy consumption.