La réduction de l’écart de température d’approche rend le dimensionnement d’un CDU liquide-liquide plus exigeant : à puissance frigorifique et débits de fluide caloporteur identiques, un écart de température plus faible nécessite une conductance plus élevée de l’échangeur thermique. Cela implique généralement une surface d’échange plus importante, une configuration différente des plaques, ou les deux. Une augmentation du débit peut être utile dans certaines conditions, mais elle accroît également les besoins hydrauliques et ne peut pas compenser indéfiniment la réduction de l’écart de température.

Pour l’évaluation technique, il faut d’abord déterminer si l’approche spécifiée est nécessaire lorsque l’eau de l’installation atteint sa température maximale. Une approche plus faible peut permettre d’utiliser une eau plus chaude dans l’installation tout en maintenant la température d’alimentation du fluide caloporteur requise par les serveurs. Son intérêt doit être évalué au regard de la taille de l’échangeur, de la perte de charge, de la puissance de pompage et de la marge disponible lorsque les conditions de fonctionnement s’écartent du point nominal.

Définir l’approche aux raccordements appropriés

Dans le cadre de cette analyse, la température d’approche correspond à la température d’alimentation du fluide caloporteur secondaire à la sortie du CDU, moins la température de l’eau primaire de l’installation à son entrée :

Approche = T_{alimentation secondaire} − T_{entrée primaire}

Un CDU fournissant un fluide caloporteur secondaire à 40°C, avec une eau de l’installation entrant à 35°C, fonctionne donc avec une approche de 5 K. Ces valeurs illustrent une condition de conception et ne constituent pas une température de fonctionnement recommandée. La température d’alimentation secondaire admissible doit être déterminée en fonction des exigences thermiques et de refroidissement des équipements raccordés.

Vérifiez l’emplacement des points de mesure avant de comparer les offres. La température mesurée à la sortie d’un CDU n’est pas nécessairement celle qui est fournie à une baie après passage dans les tuyauteries de distribution. Les tolérances des capteurs, la chaleur des pompes et les gains thermiques le long du circuit peuvent consommer une partie d’une faible marge de température. Les fournisseurs doivent également préciser si l’approche indiquée s’applique aux orifices de l’échangeur thermique ou aux raccordements de l’unité complète.

Il faut distinguer l’approche de l’élévation de température du fluide caloporteur à travers les équipements informatiques. Cette dernière détermine le débit secondaire pour une charge thermique donnée. L’approche décrit l’écart de température entre les deux circuits à une extrémité de l’échangeur. La spécification de l’une ne définit pas l’autre.

Pourquoi une approche plus faible modifie le dimensionnement de l’échangeur

La relation thermique fondamentale est Q = U × A × ΔT_lm, où Q est la puissance thermique, U le coefficient global de transfert thermique, A la surface effective d’échange et ΔT_lm la différence de température moyenne logarithmique. Dans un échangeur à contre-courant, cette moyenne dépend des écarts de température aux deux extrémités.

L’approche côté alimentation ne fournit donc qu’une partie des données de dimensionnement. L’autre différence aux bornes est la température de retour secondaire moins la température de sortie primaire. Les deux doivent être prises en compte dans le calcul thermique, avec toute correction requise en fonction de la configuration réelle des écoulements dans l’échangeur.

Considérons un exemple illustratif avec une puissance thermique de 1 MW, où le fluide caloporteur secondaire entre dans l’échangeur à 50°C et en sort à 40°C. Supposons que l’eau primaire entre à 35°C et en sorte à 40°C. Les écarts aux bornes sont de 5 K et de 10 K, ce qui donne une différence de température moyenne logarithmique d’environ 7,2 K.

Augmentons maintenant la température d’entrée primaire à 38°C, tout en maintenant la puissance thermique, les débits et les températures secondaires constants. La température de sortie primaire passe alors à 43°C. Les écarts aux bornes diminuent à 2 K et 7 K, et la différence de température moyenne logarithmique tombe à environ 4,0 K. La valeur UA requise augmente d’environ 80 %. Si U reste inchangé, la surface requise augmente dans la même proportion.

Il s’agit d’un calcul de conductance thermique, et non d’une prévision selon laquelle l’unité de chaque fournisseur deviendra 80 % plus grande. La géométrie des plaques, la vitesse dans les canaux, les propriétés des fluides et la répartition des débits influent sur U. L’ajout de plaques peut modifier la vitesse dans les canaux ; le choix de l’échangeur nécessite donc un calcul thermique et hydraulique itératif. Une spécification d’approche à elle seule ne permet pas de déterminer le nombre de plaques ni l’encombrement requis.

Cet exemple montre également pourquoi il n’est pas fiable d’appliquer une marge de dimensionnement linéaire. Réduire l’approche de 5 K à 2 K n’implique pas une variation proportionnelle de la capacité ou de la surface. À mesure que la différence de température à une borne tend vers zéro, la conductance requise devient de plus en plus élevée. Un échangeur passif de dimensions finies a besoin d’une différence de température locale positive pour transférer la chaleur.

Le débit peut aider, mais il répond à un autre besoin

Chaque circuit doit respecter son bilan thermique : Q = ṁ × c_p × ΔT. Le débit secondaire est déterminé par la charge thermique, les propriétés du fluide caloporteur et l’élévation de température autorisée à travers les équipements informatiques. Le débit primaire dépend de la charge thermique et de l’élévation de température admissible de l’eau de l’installation. À lui seul, un écart d’approche plus faible ne prescrit pas un débit plus élevé.

À puissance thermique constante, l’augmentation du débit primaire réduit l’élévation de température primaire. Cela abaisse la température de sortie primaire et peut améliorer la différence de température moyenne. Une vitesse plus élevée peut également améliorer le coefficient de transfert thermique. Toutefois, le débit primaire ne peut pas modifier l’approche définie par une température d’entrée primaire fixe et une température cible d’alimentation secondaire fixe.

L’augmentation du débit secondaire réduit l’élévation de température à travers les équipements informatiques pour une charge constante et peut améliorer les coefficients de transfert thermique. Elle modifie également la température de retour secondaire et le profil des températures dans l’échangeur. Son bénéfice net doit être calculé pour le point de fonctionnement complet ; un débit secondaire plus élevé ne remplace pas automatiquement une surface d’échange supplémentaire.

Les deux options nécessitent de vérifier la perte de charge. La puissance hydraulique de pompage est proportionnelle au débit volumique multiplié par la hausse de pression ; la puissance électrique absorbée dépend également du rendement de la pompe et du moteur. Évaluez l’échangeur avec les tuyauteries, les vannes, les collecteurs et les équipements raccordés. Un choix thermique qui nécessite un débit supérieur à celui que l’installation peut fournir, ou une pression différentielle supérieure à celle que la pompe secondaire peut délivrer, ne peut pas assurer la puissance thermique requise.

Le choix du fluide impose une contrainte supplémentaire. Les mélanges eau-glycol présentent une capacité thermique, une viscosité et un comportement en matière de transfert thermique différents de ceux de l’eau. Une valeur nominale établie pour l’eau ne peut pas être transposée directement à un circuit glycolé. Demandez des calculs effectués avec la concentration et les températures de fonctionnement spécifiées, y compris toute condition de fonctionnement à température plus basse susceptible de limiter les performances de la pompe.

Comparer les points de fonctionnement garantis, puis examiner la plage de fonctionnement

Une capacité nominale n’est utile que si ses conditions de référence sont clairement indiquées. Deux CDU affichant la même puissance en kilowatts peuvent fournir des capacités très différentes à la température d’eau disponible dans l’installation. Demandez une base de sélection commune comprenant :

• La puissance thermique requise, la température cible d’alimentation secondaire et la température ou le débit de retour secondaire.
• La température d’entrée primaire, le débit primaire disponible et la perte de charge primaire admissible.
• La composition du fluide caloporteur, les propriétés pertinentes du fluide et les exigences de pression secondaire.
• La capacité garantie, les tolérances de température et la méthode de calcul de toute marge d’encrassement.
• La puissance thermique disponible dans la condition de redondance spécifiée pour les pompes ou les modules.

Utilisez la condition d’entrée d’eau de l’installation la plus chaude jugée plausible pour vérifier le cas thermique limitant. Si la température d’entrée primaire augmente alors que la température d’alimentation secondaire requise reste fixe, l’approche disponible se réduit. Une unité sélectionnée pour une température nominale favorable peut alors nécessiter un débit primaire supérieur, une hausse de la température d’alimentation secondaire, ou fonctionner à une puissance inférieure à sa capacité nominale.

Demandez les performances à plusieurs points de fonctionnement définis plutôt que de vous fier à une seule valeur nominale favorable. Incluez la pleine charge à la température d’entrée primaire la plus élevée, les conditions normales prévues et la condition de redondance pertinente. À charge partielle, examinez la stabilité de la régulation et les débits minimaux. Un échangeur disposant d’une capacité de pointe suffisante doit aussi être associé à des pompes et des vannes capables de réguler la température sur toute la plage de charge visée.

La réserve doit également avoir une fonction clairement définie. Une conductance supplémentaire de l’échangeur, une hauteur manométrique de pompe accrue et une consigne normale d’alimentation plus basse répondent à des contraintes différentes. Un pourcentage de « marge de conception » est difficile à évaluer si le fournisseur n’explique pas quelle condition de fonctionnement cette marge protège ni comment les performances évoluent lorsqu’elle est consommée.

La question de sélection pertinente est donc précise : le CDU peut-il fournir la température d’alimentation secondaire et la puissance thermique requises à la température d’entrée primaire maximale disponible, tout en respectant les limites de débit et de pression des deux circuits ? Une fois ce point démontré, l’évaluateur peut déterminer si le coût d’une approche plus faible offre une flexibilité intéressante pour l’eau de l’installation, ou si une température d’alimentation secondaire légèrement supérieure, dans les limites des équipements, donne un meilleur résultat à l’échelle du système.