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La conversion écoénergétique du Colosse de Québec


septembre 28, 2015
Par Eric Cloutier
Depuis 2009 Le Colosse de Québec constitue le premier centre de données vertical au monde depuis son inauguration

Le Colosse de Québec constitue le premier centre de données vertical au monde depuis son inauguration, en juin 2009, sur le campus de l’Université Laval. Double récipiendaire des Prix Énergia dans la catégorie «Bâtiment existant-secteur institutionnel», lors de la présentation des Prix Énergia 2014 en février dernier à Montréal, et Pillier d’Or de l’Association des gestionnaires de parcs immobiliers institutionnels, remporté l’année dernière, le projet de conversion de cet ancien accélérateur de particules en supercalculateur (un centre de cabinet de serveurs à la fine pointe de la technologie) a toutefois constitué un défi de taille pour ses instigateurs.

 

Les instigateurs du projet, conçu et amorcé en 2007, faisaient face à des contraintes architecturales majeures à l’époque.

Il s’agissait non seulement de transformer l’immeuble en une salle de serveurs énergétiquement efficace, mais également de réaliser un projet d’évacuation de chaleur dans une construction en forme de silo de béton, sans conduit d’aération et datant de 1962. La tour cylindrique en question totalise une hauteur de 20 mètres (65,6 pieds). Sa superficie atteint 11 mètres (36 pieds) de diamètre et l’épaisseur de ses murs 0,6 mètre (2 pieds).

«Nous devions concevoir un système pour pouvoir évacuer la chaleur qu’allaient produire ces équipements-là», explique Geneviève Lussier, ingénieure et directrice technologie et conception à la firme SMi Enerpro, pour résumer l’essentiel du projet de conversion énergétique pour lequel cette firme a été mandatée. Mme Lussier a émis ce commentaire en amorce d’une présentation de ce projet dont elle a été chargée, le 7 mai dernier à Québec, dans le cadre du Congrès 2015 de l’Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie (AQME). 

À l’origine, le Colosse de Québec était un ancien générateur de Van de Graaff, un engin électrostatique inventé au début des années trente pour atteindre des tensions continues très élevées, mais des courants de faible intensité, et avec des différences de potentiel de l’ordre de 5 à 10 mégavolts (MV) sur les générateurs industriels modernes. Ce générateur, devenu désuet au fil des années, était toutefois encore fonctionnel en 2006 lorsque l’Université Laval a procédé au déclassement de cette installation nucléaire.

L’établissement d’enseignement s’interrogeait sur l’avenir de ce silo dont l’état s’était détérioré. L’ancien accélérateur de particules n’était plus utilisé depuis plusieurs années, mais son entretien nécessitait tout de même des dépenses annuelles de 29 000 $. En 2007, le département de génie physique de l’Université Laval a obtenu le mandat et le financement nécessaire pour procéder à l’implantation d’un supercalculateur, c’est-à-dire une infrastructure de calcul à haute performance d’une capacité de 600 kilowatts (kW) de serveurs. Cela équivaut à environ 4000 ordinateurs personnels et à 14 000 processeurs. Ce centre de données, qui faisait partie du Consortium Laval, Université du Québec à Montréal, McGill et l’est du Québec (CLUMEQ), s’avère aujourd’hui une constituante de Calcul Québec, l’une des quatre divisions régionales de Calcul Canada, la plateforme nationale canadienne de calcul informatique de pointe en recherche.

En 2005, la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI) avait lancé un nouveau programme de plateforme nationale pour le calcul scientifique de haute performance. Le projet initial du CLUMEQ, à cette époque, visait à aménager une salle de serveurs conventionnelle, avec plancher surélevé, dans la grande salle des cibles de l’ancien accélérateur se trouvant au sous-sol du silo et où les physiciens effectuaient jadis leurs expériences. C’est au cours d’une visite du silo effectuée en 2007 qu’un professeur de l’Université Laval, Marc Parizeau, et un étudiant alors inscrit au doctorat, Nicolas Dubé, ont toutefois fait valoir l’idée d’installer le futur superordinateur à l’intérieur même du silo plutôt que de le confiner qu’à la salle des cibles.

Le choix du silo de béton a été arrêté en raison de sa forme et de son architecture qui en faisaient à la fois un point de repère facile sur le campus et un bâtiment à forte valeur patrimoniale. Un processus de conception intégrée a été mis en place à la suite d’une collaboration entre différents départements de l’Université Laval (génie physique, électrique, informatique, mécanique, civil, structure, architecture) et le service des immeubles de l’Université selon Mme Lussier. Le département de génie physique, qui disposait de l’emplacement, avait alors décidé d’y loger le supercalculateur. Celui-ci fut aussitôt baptisé le Colosse.

«Avant de confirmer le choix définitif du bâtiment cependant, il fallait d’abord procéder à certaines analyses, entre autres pour savoir s’il était possible d’aménager des équipements de ventilation dans cette tour-là afin de rejeter la chaleur provenant des salles de serveurs. Une simulation de la dynamique des fluides a été réalisée. Cette simulation assistée par ordinateur a permis de vérifier les déplacements de l’air et de chaleur en vertu du concept de ventilateurs. Cela a démontré l’efficacité de la distribution de la ventilation, tout en permettant de vérifier les températures à différents endroits du silo», a expliqué Mme Lussier.

Des analyses de radioactivité ont également été effectuées afin de confirmer la sécurité du bâtiment. Aucune trace de radioactivité n’a été décelée.

«Un aspect important de cette simulation-là reposait sur le fait que le fournisseur des ordinateurs devait être rassuré quant à la faisabilité de la conception de la ventilation, car il devait débourser plusieurs millions de dollars pour l’acquisition et la mise en place des équipements», ajoute-t-elle, en précisant que le concept s’avérait très éloigné des traditionnelles salles de serveurs.

Le concept, dans cette tour comptant quatre étages et un sous-sol, a été établi en fonction de trois salles totalisant 56 cabinets serveurs répartis sur les second, troisième et quatrième étages du silo. Sur chacun de ces trois planchers faits de caillebotis et superposés, les cabinets de serveurs sont alignés le long d’un cercle. Ils forment une cloison étanche séparant un couloir cylindrique vertical de circulation d’air chaud – situé au centre du silo – d’un autre couloir vertical en forme d’anneau et qui se trouve dans la zone périphérique du silo, laquelle zone est uniquement prévue pour la circulation d’air froid.

Six ventilateurs axiaux à vitesse variable ont également été installés au premier étage du silo. Ces six ventilateurs axiaux à vitesse variable de 10 HP totalisent chacun 20 000 PCM et sont contrôlés par un différentiel de pression entre les allées chaudes et froides. L’un de ces ventilateurs n’est utilisé que pour assurer la relève d’un des cinq autres en cas de défaillance éventuelle.

«La forme du bâtiment était propice au concept qu’on a développé. La géométrie de la tour fait en sorte qu’on n’a pas eu à mettre de conduits de ventilation puisque le bâtiment en lui-même devient le conduit de ventilation», souligne Mme Lussier.

Ce concept de ventilation sans conduit permet ainsi à l’Université Laval d’augmenter la densité de ses serveurs sans avoir à débourser des montants supplémentaires pour ajouter des systèmes de ventilation et de refroidissement. Ce système de ventilation tel qu’il est permet également une basse vitesse d’écoulement, une très faible pression statique en raison de la faible turbulence, et une force motrice minime. Les températures d’alimentation et de retour aux serveurs s’élèvent respectivement à 19 et 32 °C.

Au sous-sol de la tour se trouvent les systèmes mécaniques du Colosse, ainsi que des serpentins de refroidissement aménagés pour faire refroidir toute la chaleur dégagée par les cabinets de serveurs. Le Colosse dispose plus précisément de deux systèmes complémentaires pour refroidir ses cabinets de serveurs.

Le premier système de refroidissement a été aménagé au-dessus du troisième étage de la tour. Il permet d’injecter de l’air frais, provenant de l’extérieur par le couloir périphérique de circulation d’air froid du silo, jusqu’à cet étage de cabinets de serveurs. Ainsi, seuls les planchers grillagés du Colosse permettent la libre circulation de l’air entre les étages. Le troisième étage constitue une allée d’air frais, tandis que l’allée d’air chaud qu’est le second étage se voit réchauffée par la chaleur provenant du couloir vertical central du silo.

«Pour veiller à ce qu’il n’y ait pas de dérivation (by-pass) d’air chaud ou froid ni d’infiltration, chaque serveur et la périphérie des cabinets ont  été bien colmatés et isolés pour veiller à ce que le seul endroit où l’air puisse vraiment circuler soit au travers des planchers des étages de cabinets de serveurs», spécifie encore Mme Lussier.

Le second système de refroidissement, celui du sous-sol, est relié à la boucle d’eau glacée du campus de l’Université Laval. Il permet de faire circuler l’air chaud provenant du cylindre central vertical vers l’anneau périphérique de ventilation d’air froid, en le faisant d’abord passer à travers des serpentins à l’intérieur desquels circule de l’eau glacée pour le refroidir.

«On a également conçu le réseau d’eau de la tour pour refroidir les serveurs à très grande échappée et pour avoir le plus petit débit d’eau possible. La raison, c’est qu’on l’a raccordé à un réseau déjà existant et assez saturé en termes de débit sur le campus. Ce n’est pas la capacité qui manquait si on avait voulu ajouter une charge supplémentaire. Le problème, c’était plutôt la quantité de tuyaux et le diamètre de ceux-ci qui s’avéraient déjà limités. Il a fallu tout faire pour essayer de prendre le moins de galonnage d’eau sur le réseau d’aqueduc existant, d’où le concept à grande échappée», précise l’ingénieure.

En matière de refroidissement, les serpentins de refroidissement ont été sélectionnés pour un différentiel de température de l’eau de plus de 20 degrés, ce qui équivaut à deux ou trois fois la norme édictée par l’industrie. Le système d’apport d’air extérieur contribue également à un certain refroidissement gratuit qui répond à 50 % des besoins. Lorsque la température extérieure est inférieure à 13 °C, l’air extérieur est chauffé par le rejet de chaleur du Colosse, à l’aide d’un réseau de glycol froid.

La température de l’eau glacée circulant dans le système de serpentins est maintenue à une température oscillant entre 4  et 5 °C. La chaleur contenue dans l’air et récupérée grâce à ce système est alors transférée dans l’eau et retournée à la centrale d’énergie du campus. En hiver, cette chaleur rejetée dans le réseau central d’eau réfrigérée est reprise par les autres pavillons du campus où ont été installées des pompes thermiques générant de l’eau de chauffage, tout en produisant de l’eau réfrigérée. Cette eau de chauffage à basse température sert pour le chauffage de prises d’air et de gaines chaudes de systèmes de ventilation. L’efficacité globale de la centrale d’eau réfrigérée est d’environ 0,6 kW/T. L’économie annuelle de vapeur est de l’ordre de 130 000 m3 de gaz naturel, ce qui évite une émission équivalant à 245 tonnes de CO2.

Pour sa part, l’humidification de l’air extérieur nécessaire à la pressurisation et à la dilution est générée par un humidificateur adiabatique en hiver pour profiter du refroidissement généré.

Somme toute, les économies d’énergie annuelles générées par ce concept sont de l’ordre de 200 000 $, tandis que les économies de coûts en termes d’injection initiale de capitaux pour concrétiser le projet par rapport à un concept traditionnel de salle de serveurs se sont élevées à environ 500 000 $.

«La récupération du bâtiment et le concept mécanique simple et économique ont entraîné des coûts totaux de 2,96 $/W comparé à 7 $/W pour une installation conventionnelle», conclut Mme Lussier.