CHAUFFAGE  
Install Magazine 943 – septembre 2017

Un centre de données qui chauffe des bureaux

Une pompe à chaleur refroidit le centre informatique et chauffe ainsi le nouveau bâtiment

Lorsque l’entreprise de construction Züblin a voulu étendre son siège principal, elle a imposé des exigences élevées à la nouvelle aile, en termes de durabilité et d’économie d’énergie. Dans la pratique, celle-ci affichait même des performances supérieures à la consommation calculée pour le chauffage et le refroidissement. Le centre de données performant dans le bâtiment fournit suffisamment de chaleur pour les bureaux, et le bon confort thermique se traduit par une satisfaction élevée des utilisateurs. Le plus grand poste consommateur d’énergie –clairement plus que prévu- est l’éclairage.

Avec la nouvelle aile du bureau Z3 à Stuttgart, l’entreprise de construction Ed. Züblin AG voulait atteindre le certificat le plus élevé de la DGNB (association allemande de la construction durable). Cela devait être un lieu de travail de qualité pour environ 250 collaborateurs, équipé de la manière la plus éco-énergétique et innovante possible. Ce bâtiment sert à la fois de carte de visite pour la firme et de prototype. L’entreprise développe et construit effectivement différents projets de ce type en Allemagne et à l’étranger. Les expériences résultant de cette réalisation sont donc utilisables pour la conception des projets de construction ultérieurs. Le ministère allemand de l’économie et de l’énergie a aussi investi dans un monitoring scientifique élargi, incluant la technique de mesure, la consultation des utilisateurs et les composants innovants.

Un concours d’architecture a permis d’apporter la qualité exigée dans l’esthétique et de réaliser l’intégration urbanistique avec les deux bâtiments existants. L’ossature en acier de cinq étages a été édifiée en 15 mois. Les lieux de travail se situent le long des façades du périmètre compact. Entre les espaces de bureaux et le couloir, se situent des parois vitrées, ce qui permet à la lumière du jour de pénétrer profondément dans le bâtiment. Les parois extérieures se composent d’éléments prémontés d’après le principe de l’ossature en bois, qui ont été intégralement amenés avec les fenêtres, pare-soleil et revêtements en acier vers le chantier, pour être ensuite montés sur place de façon modulaire. Des lésènes en bois de mélèze non traité assurent la verticalisation de la façade et contribuent à l’ombrage. Il y a par ailleurs des pare-soleil en lamelles. Avec une valeur U moyenne de 0,4 W/m²K, incluant les fenêtres, les façades satisfont aux exigences ‘bâtiment passif’. Une installation photovoltaïque sur la toiture verte améliore l’équilibre énergétique.

Deux groupes frigorifiques pour le centre de données

Le centre de données a des besoins frigorifiques d’environ 200 MWh. En cas de basses températures extérieures, ces besoins sont majoritairement couverts par du refroidissement passif. En cas de températures extérieures élevées, deux groupes frigorifiques prennent le relais. L’un des appareils travaille en mode pompe à chaleur, et l’autre fonctionne uniquement en mode refroidissement. Durant les mois d’hiver, la PAC couvre les besoins frigorifiques du centre de données et réchauffe en même temps le bâtiment. C’est là que les rendements sont les plus élevés. En été, les deux appareils fonctionnent en parallèle.

De par la bonne isolation, le bâtiment possède de très faibles besoins calorifiques ; ceux-ci sont en outre complètement couverts par la chaleur résiduelle du centre de données. La cogénération du bâtiment adjacent sert d’appoint et est essentiellement utilisée pour la production d’ECS. Tant le chauffage que le refroidissement des bureaux s’effectue au moyen de tapis de tubes capillaires qui sont incorporés dans le crépi. Étant donné leur faible inertie thermique, ils constituent un système à réaction rapide, qui est intégré dans la régulation des pièces individuelles.

Régulation à la demande pour l’air frais et la lumière

Le système de ventilation est basé sur un concept hybride. Lorsque les températures extérieures diffèrent peu de la température ambiante, le système de ventilation des bureaux reste débranché. La pièce est alors ventilée manuellement via les fenêtres. Mais si la différence de température entre la température extérieure et la température ambiante croît, les bureaux sont alors ventilés mécaniquement à l’aide d’une commande à horloge. L’installation de ventilation est équipée d’une récupération de chaleur à haute efficacité. Du refroidissement adiabatique est également envisageable grâce à l’humidité de l’air vicié évacué. Les pièces centrales et l’étage réservé à la cave sont uniquement ventilés mécaniquement. Les salles de réunion sont équipées de capteurs de CO₂. Du refroidissement nocturne passif est enfin également possible par le biais d’un échangeur de chaleur sol-air qui est raccordé sur le système de ventilation pour plus d’efficacité encore.

Pare-soleil, éclairage et température ambiante sont commandées sur base de détecteurs de présence, et sont individuellement réglables via la commande située dans la pièce. Chaque utilisateur peut observer des informations détaillées sur les réglages de son bureau via l’interface internet ; il reçoit ainsi par exemple de l’information sur l’état de l’installation de ventilation et sur les possibilités d’aération manuelle.

Les bureaux sont exclusivement équipés de lampadaires à lumière directe et indirecte, qui règlent automatiquement l’intensité de la lumière en fonction de la présence et la lumière ambiante disponible. Si un bureau n’est pas utilisé, les détecteurs de présence débranchent les connecteurs des lampadaires. Cela permet d’éviter une consommation de type stand-by. L’éclairage des couloirs et des pièces secondaires est également réglé en fonction de l’occupation et de la lumière ambiante.

Des utilisateurs satisfaits du climat intérieur

Les scientifiques du Fraunhofer Institut für Baufysik IBP ont réalisé deux enquêtes en ligne (en plein été et en hiver), desquelles il ressort que les utilisateurs sont très contents du confort thermique et de l’éclairage, malgré la saison. Le fonctionnement des pare-soleil automatiques a lui aussi été jugé « plutôt positif », même si leur facilité d’utilisation a quant à elle suscité moins de satisfaction. Alors que les utilisateurs se sont déclarés satisfaits de l’intensité de la lumière sur le lieu de travail même, ils étaient moins positifs quant à l’éclairage dans les bureaux en général, qui a été jugé très inégal. Les lampadaires procurent en effet un niveau largement suffisant de lumière à travers tout le lieu de travail, tandis que le reste du bureau reste sensiblement plus sombre. Le fonctionnement et la facilité d’utilisation du système d’automatisation du bâtiment ont été jugés neutres. Pour les utilisateurs, sont susceptibles d’être améliorées la sensibilité des détecteurs de présence pour la régulation, ainsi que l’isolation phonique des parois vitrées et des portes entre le bureau et le couloir. Ce dernier a été déterminé à l’aide de mesures acoustiques.

Le monitoring montre des écarts

Le bâtiment Z3 est muni à grande échelle de compteurs et de points de mesure. Cela permet une évaluation détaillée du comportement du bâtiment par le centre de recherche en énergies durables de la Hochschule für Technik Stuttgart (HFT).

La consommation d’énergie primaire pour le chauffage et le refroidissement correspond en grande partie aux calculs d’origine. Certaines parties de l’éclairage consomment par contre trois fois plus que prévu, ce qui fait que la consommation totale est clairement supérieure à l’objectif fixé. La consommation de l’installation de ventilation est également plus élevée que prévu. Dans la mesure où tant la ventilation que l’éclairage fonctionnent à l’électricité, cela se révèle encore plus désavantageux, vu le facteur de conversion de 2,6. Les mesures pour 2015 indiquent une consommation de 44,8 kWh/m² par an, soit 65% mieux que les prescriptions légales alors en vigueur, mais tout de même 72% de plus que la consommation calculée lors de la conception selon DIN V 18599.

En ce qui concerne la ventilation, durant la période allant d’octobre à mars, les valeurs mesurées correspondent en grand partie avec les valeurs calculées. Au-delà, la consommation se révèle nettement plus élevée. Cela s’explique par le fait que les utilisateurs n’ont pas assez profité de l’aération par les fenêtres. Pour compenser cela, la ventilation mécanique a été activée toute l’année. Conséquence : sur base annuelle, la consommation double quasiment.

L’éclairage : élément déterminant

Dans la balance énergétique des bâtiments fortement isolés, l’éclairage revêt une importance capitale, surtout dans les bureaux. La consommation élevée de courant dans le Z3 est principalement causée par les lampadaires situés dans les espaces de travail. Dès qu’un bureau est occupé, cela se traduit par une consommation de base de 30 W. Il n’est pas possible de précisément régler l’intensité de la lumière des lampes, ce qui fait que l’utilisateur laisse habituellement la lampe sur la position préréglée maximale. Les réglages ultérieurs, le camouflage des détecteurs de présence ou le raccordement des lampes à des connecteurs qui ne sont pas réglés par des capteurs de présence, ont contribué à augmenter considérablement la consommation totale.

L’optimalisation des pare-soleil et de la commande ont engendré de solides économies d’énergie. En cas de stores complètement fermés, la part de la lumière du jour est tellement faible que la régulation de l’éclairage va accroître la part de la lumière artificielle. Cela influence la durée de fonctionnement de l’éclairage des espaces de circulation centraux. Lors du monitoring, une charge de base constante a été enregistrée à un étage, ce qui devrait être impossible étant donné la commande en fonction de l’occupation. Cela représentait environ la moitié de la consommation annuelle de l’étage en question en 2014. En cause, des problèmes dans le bus de communication dans la commande de l’éclairage ; un problème pour lequel on cherche toujours une solution.

Test de nouveaux éléments de construction

Dans l’étude menée, on désirait également rassembler des expériences avec des composants innovants. Divers systèmes de pare-soleil ont ainsi été testés. Les lamelles avec un revêtement spécial et les lamelles avec cellules PV intégrées n’ont pas donné de meilleurs résultats que le système traditionnel. L’idée d’amener la lumière du toit, via des fibres optiques, vers les étages inférieurs, a également semblé problématique sur de longues distances. À l’exception des lamelles avec revêtement, les techniques testées n’ont pas connu de développements ultérieurs.

Combiner les données mesurées de diverses sources

Dans le cadre du projet, le team de HFT Stuttgart a développé le software EmTool, qui permet d’intégrer des données mesurées issues de sources diverses, principalement de la technique de bâtiment et de la technique de mesure mobile. Ce software permet une détection automatique des pannes et une analyse de plausibilité. À l’aide d’algorithmes intelligents, des valeurs mesurées enregistrées peuvent être rapidement chargées à partir de banques de données. De là, les données de différentes sources et banques de données sont intégrées sur une ligne du temps. La connexion directe aux banques de données de la technique de bâtiment via des interfaces développées en interne se traduit par une gestion souple des données.

Jusqu’à présent, le software a uniquement été utilisé dans la haute école même. Un programme de développement a toutefois démarré début 2017 par le biais de la société Bosch.

Économiser de l’énergie dans les centres de données

Les centres de données sont parmi les plus gros consommateurs d’électricité dans le domaine de la technique de communication. Leur nombre et leur complexité ne font par ailleurs que croître. D’après une enquête du Borderstep Institut, les centres de données ont consommé en 2015 près de 12 milliards de kWh, soit 2% de la consommation totale de courant du pays. C’est pourquoi il importe tant de mener une étude sur la manière d’améliorer l’efficacité énergétique de ceux-ci.

Le projet RenewIT s’est déroulé jusque fin 2016 et a été soutenu par l’UE. Des experts de cinq pays ont dans ce cadre étudié comment faire intégralement fonctionner des centres de données à l’aide d’énergies renouvelables. Afin d’atteindre ce but, la consommation d’électricité doit tout d’abord être réduite au maximum grâce à un concept de bâtiment optimal, à du management IT, à la limitation des pertes dans l’approvisionnement en courant, à l’optimalisation du refroidissement et à l’utilisation de la récupération de chaleur. Tout ceci a notamment conduit au développement du software RenewIT-Tool. Ce dernier permet d’importer des paramètres les plus importants d’un centre de données et d’étudier ainsi rapidement et simplement les effets potentiels de diverses mesures d’économie. Un outil de monitoring nouvellement développé aide les utilisateurs à suivre les performances du centre de données, tout comme le fonctionnement des installations électrique et frigorifique.

Le projet TEMPRO (Total Energy Management for Professional Data Centers) a récemment démarré sous l’impulsion de l’université Oldenburg, et il a pour but d’optimaliser la consommation la consommation d’énergie et de matières premières dans les centres de données. Il comprend des partenaires issus du monde scientifique, des entreprises et des autorités locales. Au lieu d’analyser le fonctionnement d’un centre de données, comme cela se faisait jusqu’à présent, le projet TEMPRO applique une méthode holistique : il étudie le cycle de vie complet des appareils, des matières premières jusqu’au recyclage. Cela doit permettre d’aboutir à des économies supplémentaires.

Dans le cadre du programme technologique IT2Green, le ministère allemand de l’environnement et de l’économie a déjà soutenu entre 2011 et 2014 une étude sur les centres de données dans le cloud. Grâce à un management intelligent, on devrait pouvoir arriver à une répartition des charges et ainsi accroître le rendement des centres individuels.

Par Dorotee Gintars

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