Data center energy optimization using liquids to cool computer racks

Les data centers sont des infrastructures qui hébergent un grand nombre d’équipements informatiques. Plus de 99% de la puissance électrique consommée par les composants électroniques est transformée en chaleur. Pour assurer leur bon fonctionnement il est donc nécessaire de les refroidir. Cette opération est majoritairement réalisée par l’emploi de systèmes de climatisation à air très énergivores. De plus, la densité de puissance dissipée au sein des baies informatiques est en augmentation permanente. Nous arrivons alors aux limites de l’utilisation de l’air comme fluide caloporteur pour le refroidissement. Les études réalisées durant cette thèse concernent l’amélioration de l’efficacité énergétique des systèmes de refroidissement des baies électroniques par l’exploitation de liquides comme fluides caloporteurs. Cette approche permet de bénéficier de coefficients d’échanges thermiques et de capacités de refroidissement plus importants, avec des perspectives plus viables pour la revalorisation de la chaleur issue des data centers.Durant la thèse, quatre solutions de refroidissement ont été évaluées. Des expérimentations ont été menées à l’échelle de serveurs et d’une baie informatique. Une instrumentation conséquente permet de mettre en évidence le bon refroidissement des composants et de déterminer des indicateurs d’efficacité énergétique des systèmes étudiés. A partir des résultats expérimentaux, deux modèles numériques sont développés par une approche nodale et une identification des paramètres par méthode inverse. Ces modèles pourront être dupliqués à l’échelle d’une salle informatique afin de quantifier les gains potentiels de deux solutions de refroidissement liquide.Data centers are facilities that house a large numbers of computer equipment. More than 99% of the electrical power consumed by the electronic components is converted into heat. To ensure their good working, it is necessary to keep them under their recommended temperatures. This is mainly achieved by the use of air conditioning systems which consume a lot of electrical power. In addition, the power density of computer racks is constantly increasing. So the limits of air as a coolant for electronic equipment cooling are reached.Studies conducted during this thesis concern the improvement of energy efficiency of cooling systems for electronic rack by using liquids as heat transfer fluids. This approach gives higher heat exchange coefficients and larger cooling capacity with more viable aspects for the recovering of heat from data centers.Four cooling solutions are evaluated. Experiments are conducted on several servers and on a computer rack. A consistent instrumentation helps to highlight the efficiency of components cooling and allows us to identify energy efficiency indicators of the studied systems. From the experimental results, two numerical models are developed by a nodal approach and a parameter identification by inverse method is carried out. These models can be duplicated at the scale of a data center room in order to quantify the potential gains of two liquid cooling solutions