Calculs PUE-WUE

Le PUE et le WUE permettent de caractériser respectivement l’efficacité énergétique et la consommation d’eau d’un datacenter. Leur valeur dépend toutefois fortement de l’architecture des systèmes de refroidissement, des conditions climatiques et des stratégies de régulation. Une valeur calculée sur un point de fonctionnement donné ne suffit donc pas toujours à représenter les performances réelles de l’installation sur une année.

SIL3X développe des modèles représentant les principaux équipements et systèmes d’un datacenter : production de froid, échangeurs, systèmes de refroidissement, pompes, ventilateurs et régulations. Ces modèles peuvent être construits à partir des caractéristiques d’une installation existante ou utilisés dès la phase de dimensionnement pour comparer différentes architectures.

En intégrant des données climatiques représentatives du site et les profils de fonctionnement des équipements, nous simulons le comportement du système sur une année complète. Les consommations électriques et d’eau sont alors calculées en tenant compte des conditions extérieures, des charges du datacenter et des stratégies de régulation, afin d’estimer le PUE et le WUE annuels.

Cette approche permet également d’évaluer différents scénarios d’évolution : modification des températures de consigne, changement de stratégie de refroidissement, évolution des régulations ou modification de l’architecture. Les gains potentiels peuvent ainsi être quantifiés avant leur mise en œuvre et comparés aux performances mesurées sur une installation existante.

En salle refroidie par air, les régimes d’eau glacée restent bas, ce qui limite mécaniquement les heures pendant lesquelles la source froide extérieure suffit. Le refroidissement direct à liquide permet de travailler avec des températures de retour nettement plus élevées, et donc de rendre la source froite suffisante une bien plus grande partie de l’année.

L’effet est considérable et souvent sous-estimé : pour un même aéroréfrigérant, la température extérieure en dessous de laquelle le free-cooling total est possible peut gagner plus d’une dizaine de degrés par le seul changement de régime d’eau. Cela se traduit directement en heures de fonctionnement des compresseurs, donc en consommation électrique, et sur les technologies évaporatives en volume d’eau évaporée.

Une architecture entièrement liquide reste toutefois théorique. Les plaques froides ne captent qu’une fraction de la dissipation d’un serveur, et les baies de stockage, de réseau et d’infrastructure restent refroidies par air. Nous modélisons donc des architectures mixtes, avec une part liquide paramétrable, plutôt qu’un cas idéalisé qui ne se rencontre pas en exploitation.

Ce constat a une conséquence pratique : avant d’arbitrer entre technologies de production de froid, il est souvent plus rentable d’instruire le régime d’eau et l’architecture de salle. C’est le levier qui déplace le plus les indicateurs, et il se décide très tôt dans le projet.

L’évaporation d’eau améliore la performance énergétique et dégrade la consommation d’eau ; le rejet sec fait l’inverse. Optimiser un seul des deux indicateurs revient donc le plus souvent à déplacer le problème plutôt qu’à le résoudre, et à découvrir la contrepartie une fois l’installation construite.

Sur les équipements hybrides, le seuil de déclenchement de l’aspersion n’est pas une caractéristique figée mais un paramètre de conduite. L’abaisser favorise le mode adiabatique, réduit la sollicitation des compresseurs et augmente la consommation d’eau ; le relever produit l’effet inverse. Ce réglage peut donc être adapté au contexte : tension sur le réseau électrique et prix de l’énergie d’un côté, arrêté sécheresse et restriction de prélèvement de l’autre.

Nos modèles permettent de chiffrer cette courbe d’échange — combien de mètres cubes pour combien de mégawattheures — et non seulement de constater son existence. C’est cette quantification qui rend le réglage arbitrable par l’exploitation plutôt que laissé au paramétrage d’usine.

Cette flexibilité constitue une différence de nature entre familles de technologies : certaines l’offrent, d’autres fonctionnent en mode évaporatif continu sans levier équivalent. Elle n’apparaît dans aucun PUE nominal de fiche technique.

Un PUE communiqué sans son périmètre n’est pas comparable à un autre. Selon qu’il est calculé à un point de fonctionnement ou intégré sur une année, à charge informatique nominale ou réelle, sur le seul refroidissement ou sur l’ensemble des auxiliaires, l’écart entre deux valeurs peut dépasser l’écart entre deux technologies.

Le WUE est encore plus sensible, car l’eau évaporée n’est pas la seule eau consommée. Il faut également compter les purges de déconcentration, nécessaires pour limiter la concentration en sels, et les rejets de la production d’eau osmosée, dont le rendement laisse partir à l’égout une fraction significative du débit traité. Un WUE établi sur la seule évaporation sous-estime la consommation réelle.

Le cas de l’eau de rivière en free-cooling mérite d’être distingué : l’eau prélevée est restituée au milieu, et la consommation nette pour la production de froid est nulle. L’enjeu se déplace alors vers le débit prélevé, l’élévation de température admissible et la disponibilité de la ressource en étiage, qui relèvent d’une autre analyse que le WUE.

Nous documentons systématiquement les hypothèses structurantes — pincements d’échangeur, seuils de bascule entre modes, profil de charge retenu — parce que ce sont elles qui pilotent le résultat. Quelques kelvins d’écart sur un pincement déplacent la limite de free-cooling, donc le nombre d’heures de compresseur, donc le PUE annuel.

Le PUE moyen intéresse l’exploitant, mais c’est le pic de puissance appelée qui dimensionne le raccordement électrique, les transformateurs et les moyens de secours. À puissance de raccordement donnée, chaque mégawatt consommé par le refroidissement au moment du pic est un mégawatt qui ne pourra pas être alloué aux serveurs.

La simulation annuelle donne la distribution complète de la puissance appelée, et non sa seule valeur maximale. Savoir que le pic ne survient que quelques heures par an, et dans quelles conditions extérieures, permet d’arbitrer entre le surdimensionnement du poste de livraison et l’acceptation d’une limitation temporaire.

Deux technologies affichant un PUE moyen comparable peuvent présenter des pics très différents, notamment parce que leurs capacités se dégradent différemment aux températures extrêmes. Retenir une solution sur le seul PUE annuel peut donc se payer en capacité de raccordement.

Le pic dépend enfin de l’hypothèse de charge retenue. Une charge informatique constante est majorante et rarement représentative ; le même modèle permet d’évaluer l’effet d’un lissage, d’un décalage des tâches ou d’un stockage de froid exploitant la fraîcheur nocturne.

La chaleur rejetée par un datacenter est abondante mais de faible qualité thermodynamique. En refroidissement par air, la température de retour ouvre peu de débouchés. En refroidissement direct à liquide, elle devient suffisante pour envisager une récupération, ce qui fait de l’architecture de salle un préalable au sujet de la chaleur fatale.

Une pompe à chaleur placée sur le retour permet de relever la température jusqu’au niveau exigé par l’usage visé — réseau de chaleur, eau chaude sanitaire, procédé industriel. Son rendement dépend directement de l’écart de température à franchir. Nous modélisons cette chaîne pour restituer le couple température livrable / rendement, plutôt qu’une valeur unique qui n’a de sens que pour un usage donné.

Cette pompe à chaleur remplit une double fonction : elle refroidit la boucle, et se substitue donc partiellement à la production de froid, tout en produisant de la chaleur utile. Le bilan doit être établi sur les deux fonctions simultanément, faute de quoi le gain est soit compté deux fois, soit ignoré.

Le facteur limitant est rarement thermique. Ce sont la simultanéité entre production et besoin, la distance au consommateur et l’engagement de disponibilité qui décident de la viabilité d’un projet de récupération. Nos modèles annuels permettent précisément de confronter le profil de chaleur disponible au profil de besoin.