Solutions de refroidissement pour les infrastructures modernes

Cette évolution pose un problème grave, qu'il ne faut pas sous-estimer : chaleur.

Les stations de base 5G actuelles consomment 2 à 3 fois moins d'énergie que leurs prédécesseurs 4G. Cette consommation d'énergie plus élevée est directement convertie en une production thermique plus importante. Les enjeux sont trop importants pour les gestionnaires d'infrastructure et les ingénieurs en télécommunications. Un mauvais refroidissement entraîne un étranglement thermique, une réduction de la durée de vie des composants et, dans le pire des cas, une interruption du réseau. La défaillance thermique n'est plus une option dans un secteur où la disponibilité à cinq neuf (99,999 %) est la norme.

Dans ce guide, ce document explore l'état actuel du refroidissement des télécommunications et examine les technologies les plus appropriées à l'infrastructure en question, ainsi que la manière d'optimiser votre stratégie de gestion thermique en termes de performance et de coût.

L'évolution des défis thermiques dans les télécommunications

Avant de choisir une solution, il est important de comprendre les raisons pour lesquelles le profil thermique des équipements de télécommunications a évolué de manière aussi radicale.

La densité de puissance est la principale motivation. Auparavant, les équipements de télécommunications étaient logés dans de grands centres de commutation où les unités CRAC (Computer Room Air Conditioning) étaient énormes. Aujourd'hui, le réseau devient de plus en plus dense. Les réseaux massifs MIMO (entrées multiples, sorties multiples) d'antennes et d'unités de bande de base (BBU) placent davantage d'unités de traitement dans des zones plus petites.

En outre, l'endroit où se trouve l'équipement a changé. L'infrastructure se déplace vers la périphérie, où elle est située dans des armoires de bord de route, sur les toits et au pied des tours de téléphonie cellulaire. Ces sites ne sont pas soumis aux normes environnementales d'un centre de données. Ils sont soumis à :

• Chargement solaire : La lumière directe du soleil augmente les températures internes de l'armoire.
• Températures extrêmement élevées et basses : Nuits glaciales, journées brûlantes.
• Contraintes acoustiques : L'emplacement des équipements dans les quartiers résidentiels doit faire l'objet d'une attention particulière afin de limiter les niveaux de bruit de l'équipement de manière à ce que le ventilateur puisse tourner de manière agressive.

Il ne s'agit plus seulement de maintenir le froid, mais de le faire de manière efficace, silencieuse et fiable, dans des endroits hostiles.

Technologies de refroidissement primaire : Air, liquide, hybride

Une méthode de refroidissement est meilleure qu'une autre. La décision correcte dépend en grande partie de la charge thermique (en kW) et de l'emplacement physique de l'équipement.

Precision Air Cooling & Free Cooling

Le refroidissement par air reste la norme utilisée par la grande majorité des sites de télécommunications, en particulier ceux dont les charges sont inférieures à 10-15 kW par rack.

Climatisation de précision : Un système en boucle fermée (tel qu'une unité CRAC) est utilisé dans cette méthode pour réduire mécaniquement la température. Bien qu'il fonctionne bien, il est basé sur des ventilateurs internes très puissants qui sont utilisés pour pousser l'air conditionné à travers des baies de serveurs à densité élevée et des filtres. Cette méthode est stable et bien connue, mais elle consomme de l'énergie puisque le compresseur est en marche pendant toute la durée d'activation des ventilateurs.

Free Cooling (refroidissement direct de l'air) : Pour lutter contre les coûts énergétiques excessifs, le Free Cooling est devenu la norme dans l'industrie. Dans le cas de ce type de technique, l'air ambiant externe est utilisé comme moyen de refroidissement de l'équipement lorsque la température extérieure est plus froide que le point de consigne interne. Un contrôleur intelligent ouvre les volets et active les ventilateurs d'admission et d'échappement à haut rendement pour faire entrer de l'air frais dans la cabine, en contournant le compresseur, qui a tendance à brûler beaucoup d'énergie.

• Avantages : L'utilisation de ventilateurs à la place de la réfrigération pourrait permettre de réaliser d'importantes économies d'OPEX (jusqu'à 40-50% d'économies d'énergie dans les climats plus froids).
• Inconvénients : Ajoute de l'humidité et des contaminants en cas de mauvaise filtration ; ne fonctionne pas bien dans les climats tropicaux.

Refroidissement par liquide (direct sur puce et par immersion)

Au-delà d'une densité de rack de 20 kW (ce qui se produit avec les nœuds périphériques alimentés par l'IA), l'air cesse de conduire efficacement la chaleur. Le nouveau concurrent est le refroidissement liquide.

1. Direct-to-Chip (DTC) : Des plaques froides sont placées sur les composants chauds (CPU/GPU) et un fluide diélectrique est utilisé pour transférer la chaleur.
2. Refroidissement par immersion : La carte du serveur est totalement immergée dans un fluide non conducteur.

La réalité : Bien que le refroidissement par liquide puisse être utilisé pour mieux transférer la chaleur, il implique une refonte à très grande échelle de l'infrastructure actuelle, ce qui implique l'introduction de la plomberie, du pompage et d'autres nouvelles procédures de maintenance qui ne sont pas familières à de nombreux sites de télécommunication éloignés. Dans un avenir proche et prévisible, les solutions hybrides assistées par air seront l'option la plus viable en ce qui concerne la mise en œuvre à grande échelle.

Stratégies de refroidissement hybrides

Refroidissement hybride est l'avenir auquel aspirent de nombreux opérateurs. Cette stratégie repose sur le refroidissement par air de la majeure partie de la salle ou de l'armoire, mais applique une forme localisée de refroidissement par liquide (par exemple, un échangeur de chaleur à l'arrière de la porte) à certaines baies à haute densité. Cela permettra aux opérateurs d'augmenter l'échelle de la 5G sans renoncer à leurs investissements dans le refroidissement par air.

Afin de vous permettre de visualiser le processus de sélection, une comparaison des cas d'utilisation typiques est présentée ci-dessous :

Stratégies de refroidissement pour les armoires de télécommunication extérieures

La ligne de front du réseau moderne est l'armoire extérieure. Elle n'a pas d'enveloppe de bâtiment pour protéger l'équipement, comme c'est le cas dans un centre de données. Dans ce cas, la politique de refroidissement doit être à la fois défensive et fonctionnelle.

Gestion des facteurs environnementaux (poussière, humidité et chaleur)

Systèmes de refroidissement extérieurs sont caractérisés par une protection contre les infiltrations (IP) ou Indice NEMA. La construction de l'élément de refroidissement, le ventilateur en l'occurrence, est le plus souvent le maillon faible.

1. Poussière et sable : Les dissipateurs thermiques et les filtres peuvent être obstrués par des particules fines dans un environnement désertique ou urbain. La résistance au passage de l'air augmente à mesure que les filtres se remplissent de poussière. Cela nécessite l'utilisation de Haut Pression statique Les fans qui peut maintenir un débit d'air suffisant dans un milieu obstrué sans s'arrêter ou s'épuiser.
2. Humidité et brouillard salin : Le brouillard salin est mortel pour le service côtier. Il provoque des dépôts de cuivre et la perte des roulements normaux des ventilateurs sur les cartes de circuits imprimés. Les remèdes à ce problème sont les suivants Ventilateurs IP68 avec des moteurs entièrement encapsulés. Ces ventilateurs sont hermétiquement scellés, contrairement aux ventilateurs à revêtement normal, de sorte que l'électronique interne n'est jamais exposée à l'humidité ni au sel.

Méthodes de refroidissement actives et passives

La prise en compte du refroidissement actif ou passif d'une armoire extérieure est un calcul de Δ T (delta T) - l'écart entre la température interne la plus élevée autorisée et la température extérieure la plus élevée autorisée.

1. Refroidissement passif (échangeurs de chaleur/HEX)

C'est la solution la plus sûre et la moins énergivore. Elle recycle l'air chaud dans l'armoire grâce à un ventilateur interne et souffle l'air ambiant frais à travers un noyau d'échange thermique grâce à un ventilateur externe. Les deux flux d'air ne se mélangent jamais.

• Le rôle du fan : La capacité de refroidissement du système est propulsée par le seul volume de flux d'air des ventilateurs puisque le système n'a pas de compresseur. Les ventilateurs de haute performance peuvent augmenter considérablement le taux d'élimination de la chaleur de l'unité HEX traditionnelle.

2. Refroidissement actif (climatiseurs/TEC)

Un refroidissement actif est nécessaire lorsque l'armoire doit être exposée au soleil, à 40 °C (104 °F), et que l'équipement doit être maintenu à 25 °C (77 °F).

Bien que les climatiseurs actifs soient alimentés en électricité, ils utilisent de puissants ventilateurs de condensation pour restituer la chaleur à l'atmosphère. Lorsque ces ventilateurs fonctionnent mal ou s'usent par mauvais temps, le compresseur surchauffe et explose. La qualité des ventilateurs installés dans l'unité de climatisation est donc un facteur directement lié à la qualité de l'unité de climatisation elle-même.

Le rôle de la technologie avancée des ventilateurs dans l'efficacité des systèmes

Quel que soit le type d'échangeur de chaleur que vous choisissez, ou une unité de climatisation de précision ou un système de Free Cooling, un élément est très important pour la performance et l'efficacité de l'ensemble de la chaîne, et c'est le ventilateur.

Le ventilateur est souvent considéré comme une commodité ; en réalité, c'est le cœur du système thermique. Si le ventilateur tombe en panne, le refroidissement est interrompu et l'endroit devient sombre. Lorsque ce ventilateur n'est pas efficace, votre PUE (Power Usage Effectiveness) grimpe en flèche.

Pourquoi les ventilateurs sont essentiels pour les télécommunications modernes (ACDCFAN Solutions)

Un ventilateur générique de série ne suffit pas dans le contexte d'une infrastructure de télécommunications moderne. C'est là que l'ingénierie spécialisée entre en jeu dans le coût total de possession (TCO).

Chez ACDCFAN, nous avons réalisé que les clients du secteur des télécommunications sont confrontés à trois problèmes particuliers, à savoir le gaspillage d'énergie, les conditions environnementales difficiles, les températures extrêmes et les coûts de maintenance. La solution à ces problèmes passe par l'abandon des ventilateurs CA ordinaires au profit de ventilateurs plus spécifiques :

• Refroidissement intelligent "à la demande" (technologie EC) :

  Les ventilateurs conventionnels fonctionnent en permanence à pleine vitesse. Les ventilateurs EC (Electronically Commutated) d'ACDCFAN sont compatibles avec le contrôle de vitesse intelligent PWM (Pulse Width Modulation). Le ventilateur sera en contact avec le système et ne tournera plus rapidement qu'avec l'augmentation de la charge thermique.

  • La valeur : Lorsque la charge de trafic est faible, les ventilateurs sont ralentis, ce qui réduit considérablement la consommation d'énergie et le bruit.
• Survivre aux éléments (protection IP68) :

  Les ventilateurs normaux ne durent pas longtemps lorsqu'ils sont exposés à l'eau ou à de minuscules particules de poussière. Dans le cas des armoires de télécommunication d'extérieur, nous utilisons un ventilateur spécial. Encapsulation IP68 de la procédure. Cela rend le moteur et l'électronique totalement résistants à la pénétration de l'eau et de la poussière. En outre, nos modèles sont conçus pour fonctionner correctement à des altitudes extrêmes, lorsque la densité de l'air est suffisante et qu'un refroidissement suffisant est obtenu, contrairement aux ventilateurs normaux qui ne peuvent pas fonctionner dans de telles conditions.

• La longévité, un facteur d'économie :

  Un changement de ventilateur qui doit être remplacé dans une armoire de montagne éloignée peut coûter un demi-millier de roulements de camion et d'heures de travail. La fiabilité est primordiale. Grâce aux systèmes de roulements à billes doubles de haute qualité, nos ventilateurs peuvent atteindre une durée de vie de MTBF (Mean Time Between Failures) de plus de 70 000 heures. Il s'agit d'une caractéristique importante de cette fiabilité "installer et oublier", qui permet de minimiser les coûts d'exploitation des infrastructures à distance.

Gestion thermique pour les centres informatiques de pointe

Le centre de données périphérique est situé un peu plus à l'intérieur que l'armoire distante. Il s'agit de centres de données conteneurisés et préfabriqués qui sont placés plus près de l'utilisateur afin de minimiser la latence.

L'espace est un luxe dans ces unités. Les grandes unités de refroidissement périmétriques sont hors de question. La mode dans ce domaine est au refroidissement en rangée ou aux échangeurs de chaleur à l'arrière. Ceux-ci sont situés entre les baies de serveurs (ou sur la partie arrière de ces baies), ce qui réduit la distance de circulation de l'air.

Les points chauds sont également difficiles à gérer dans les centres Edge. Les charges de travail pouvant varier d'un rack à l'autre (par exemple, un rack fournit des flux vidéo, un autre des données IoT), la chaleur est produite de manière inégale. Pour gérer tous ces microclimats, les systèmes de gestion thermique intelligents doivent être dotés de capteurs qui les détectent et qui ciblent le flux d'air à l'endroit où il est nécessaire, ce qui est une autre raison pour laquelle les systèmes de gestion thermique intelligents ont été mis au point. Ventilateurs PWM décrite ci-dessus.

Optimiser le PUE : l'efficacité énergétique dans l'infrastructure des télécommunications

Le PUE (Power Usage Effectiveness) est le rapport entre l'énergie totale de l'installation et l'énergie de l'équipement informatique. Un PUE parfait est de 1,0. Les anciens sites de télécommunications fonctionnent généralement avec un PUE de 2,0 ou plus, c'est-à-dire que chaque watt d'électricité consommé pour la transmission des données est gaspillé dans le refroidissement et l'éclairage.

Minimiser le PUE n'est pas seulement une question d'écologie, c'est aussi une question de rentabilité qui peut être minimisée grâce à la maintenance. Le refroidissement représente généralement 30-50% de la demande d'énergie d'un site de télécommunications.

Pour optimiser le PUE :

1. Augmenter le point de consigne : Les équipements de télécommunication contemporains sont durables. La température de consigne interne de 22°C peut être portée à 26°C, ce qui permet de réaliser des économies colossales.
2. Mettre en œuvre la gestion des flux d'air : Mettre en place une gestion des flux d'air. Séparer les allées du chaud et du froid pour éviter les mélanges d'air.
3. Passer à des composants à vitesse variable : Le passage futur à des compresseurs et des ventilateurs à vitesse variable vous assure de ne payer que pour refroidir la quantité dont vous avez réellement besoin à ce moment-là.

Conclusion

Le passage à l'infrastructure de télécommunications moderne est un processus de gestion de la densité. Plus le taux de transmission des données est élevé, en utilisant des réseaux plus avancés, plus la pénalité thermique est importante. Qu'il s'agisse d'une tour éloignée gérée par la 5G ou d'un centre de périphérie conteneurisé, l'objectif est le même, à savoir la fiabilité, l'efficacité et la longévité.

Il se peut que le budget ne permette pas de construire des installations entièrement nouvelles dotées d'un système de refroidissement liquide, comme c'est le cas pour de nombreux opérateurs. C'est à ce moment-là que la modernisation sera une stratégie efficace.

Il n'est pas nécessaire de remplacer l'ensemble de l'unité de refroidissement pour obtenir certains avantages. Il est possible de redonner une seconde jeunesse aux armoires plus anciennes en modernisant les anciens systèmes avec des plateaux de ventilation à haut débit d'air ou en remplaçant les ventilateurs CA des armoires par des équivalents efficaces de type EC. Le présent document a pour but d'aider les entreprises à améliorer leur efficacité énergétique. méthode de micro-mise à niveau répond aux préoccupations thermiques à court terme de l'équipement 5G tout en permettant de réaliser les économies d'une mise à niveau complète du site.

ACDCFAN est à vos côtés si vous rencontrez des problèmes thermiques dans votre déploiement, qu'il s'agisse de concevoir une nouvelle armoire extérieure ou de mettre à niveau une ancienne armoire avec l'ancienne station de base. Nous disposons d'une gamme complète de ventilateurs CA, CC et CE et de solides capacités ODM qui nous permettent d'élaborer une proposition préliminaire de solution de refroidissement. dans les 10 jours.

L'avenir des télécommunications est chaud, mais avec un plan de refroidissement approprié, votre réseau de télécommunications restera froid, efficace et en ligne.