CLIMATISATION AC OU DC CONTRÔLÉE PAR LA CAPACITÉ OU PAR MARCHE/ARRÊT POUR LE REFROIDISSEMENT DES SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES

EHSAN B. HAGHIGHI PhD, Spécialiste ThermiqueDantherm Cooling AB

CHRISTIAN SAKSTRUP CHEF DE PROJET SENIOR, ÉLECTRONIQUEDANTHERM COOLING A/S

ORLA LANG SØRENSEN INGÉNIEUR MÉCANIQUE SENIORDANTHERM COOLING A/S

1. INTRODUCTIONDu fait de sa performance de refroidissement précise et efficace, la climatisation est une solution commune pour éliminer la chaleur excessive dans les shelters télécoms, les armoires et les boîtiers. Pour certaines applications, l'utilisation d'un climatiseur AC est considérée comme une évidence en raison des sources de courant disponibles. Pour d'autres, le choix d'une climatisation AC est déterminé par le budget.

Cependant, la climatisation DC offre de plus vastes possibilités en matière d'économies d'énergie et de stabilité opérationnelle dans les réseaux de faible puissance, en particulier avec un contrôle par la capacité. Malgré tout, le secteur industriel accorde encore la préférence à la climatisation AC, même lorsque la climatisation DC est une option viable.

Ce livre blanc aborde les différences entre la climatisation AC et DC en ce qui concerne le refroidissement contrôlé par marche/arrêt et celui contrôlé par la capacité. De plus, les résultats d'un essai en conditions réelles sont présentés pour illustrer les fonctions des technologies étudiées et pour étayer les conclusions tirées quant à la consommation de courant et la stabilité en température.

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CLIMATISATION AC OU DC CONTRÔLÉE PAR LA CAPACITÉ OU PAR MARCHE/ARRÊT POUR LE REFROIDISSEMENT DES SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES

INFORMATIONS ESSENTIELLES - EN BREF• Ce livre blanc compare trois types de climatisation dans le cadre d'un essai en conditions réelles :

climatiseur DC contrôlé par la capacité, climatiseur DC contrôlé par marche/arrêt, climatiseur AC contrôlé par marche/arrêt.

• Configuration de l'essai : durée : 14 jours, charge thermique : 800 W, point de consigne : 25 oC, paramètres : consommation de courant et fluctuations de température, unités testées : climatiseurs Dantherm AC et DC contrôlés par la capacité ou par marche/arrêt.

• Résultat : le climatiseur DC contrôlé par la capacité a présenté une consommation de courant considérablement réduite par rapport aux autres unités testées, de même que des fluctuations de température inférieures.

• Consommation de courant enregistrée pour toute la période d'essai : climatiseur DC contrôlé par la capacité = 62 kWh climatiseur DC contrôlé par marche/arrêt = 74 kWh climatiseur AC contrôlé par marche/arrêt = 131 kWH

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2. CONTEXTE DE L'ÉTUDE COMPARATIVELes climatiseurs sont une solution commune pour l'élimination de la chaleur excessive dans l'industrie du refroidissement des systèmes électroniques et télécoms, grâce à leur performance de refroidissement précise et efficace. Pour certaines applications, la climatisation AC est le meilleur choix. Pour d'autres, une solution DC est plus avantageuse. Le choix de l'une ou de l'autre de ces solutions implique souvent des facteurs immuables comme le lieu ou les sources de courant disponibles.

Dans certains domaines de l'industrie du refroidissement des systèmes électroniques, on note toutefois une tendance à choisir la climatisation AC malgré le fait que la climatisation DC soit une option. Les raisons principales sont tout simplement le prix et la disponibilité. Parmi les clients qui optent pour des solutions de climatisation DC, la tendance illustre une préférence pour le contrôle par marche/arrêt, tel qu'on le connaît dans les solutions AC. Il reste donc l'option de la climatisation DC contrôlée par la capacité, qui demeure relativement inexploitée dans l'industrie en dépit des atouts qu'offre cette technologie pour maintenir des températures stables et générer des économies d'énergie.

Tableau 1 : caractéristiques des unités d'essai

Type de refroidissement Modèle Capacité de refroidissement (W)

Puissance

Climatiseur AC contrôlé par marche/arrêt Climatiseur AC 4000 de Dantherm 1055* 230 V, 50 Hz

Climatiseur DC contrôlé par marche/arrêt Climatiseur DC 1000 de Dantherm 1000* 48 V DC

Climatiseur DC contrôlé par la capacité Climatiseur DC 1000 de Dantherm 1000* 48 V DC

* à temp. interne 35 °C/ambiante 35 °C

Par conséquent, l'objectif de cette étude est de clarifier et d'illustrer la différence entre l'application d'une climatisation AC contrôlée par marche/arrêt, d'une climatisation DC contrôlée par marche/arrêt et d'une climatisation DC contrôlée par la capacité en ce qui concerne la consommation de courant et les fluctuations de température.

L'étude se base sur l'essai en conditions réelles de trois boîtiers identiques (voir figure 1) refroidis par trois solutions de climatisation différentes (voir tableau 1). Le point de consigne de température interne était de 25 oC et deux chauffages électriques AC de 400 W (800 W au total) ont été installés à l'intérieur de chaque boîtier. Pour chaque configuration, les températures du boîtier et d'entrée (sortie de l'unité de climatisation), la consommation de courant ainsi que la vitesse de rotation du compresseur ont été enregistrées toutes les minutes pendant 14 jours.

3. OBJECTIFS ET CONFIGURATION DE L'ESSAI

3.2 COMPARABILITÉ DE L'ESSAIDans le but d'assurer la comparabilité, l'essai est basé uniquement sur des climatiseurs Dantherm assurant la même capacité de refroidissement (voir tableau 1). En référence à la section 3, les trois unités ont pour mission d'éliminer une charge thermique égale de 800 kW.

3.1 LOGIQUE OPÉRATIONNELLELes trois boîtiers présentent tous une charge thermique interne constante (voir section 3) et des températures externes variables. Les trois climatiseurs ont tous été activés lorsque les températures internes ont dépassé le point de consigne. Du fait de leur contrôle par marche/arrêt, deux des climatiseurs testés ont été activés avec le ventilateur et le compresseur fonctionnant à pleine vitesse. Le ventilateur et le compresseur du climatiseur contrôlé par la capacité fonctionnaient de manière continue et régulée selon le refroidissement demandé.

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Figure 1 : boîtiers d'essai. Dimensions : 2,25*1,75*0,9 m. Épaisseur des parois : 60 mm.

4.1 Température et vitesse de rotation enregistréesLes figures 2-5 représentent une tranche de 24 heures dans la période d'essai. Données météorologiques enregistrées pour cette période : 10-20 oC.

Type de refroidissement Consommation de courant (kWh) Indice

Climatiseur AC contrôlé par marche/arrêt 131 211

Climatiseur DC contrôlé par marche/arrêt 74 119

Climatiseur DC contrôlé par la capacité 62 100

4. RÉSULTATS DE L'ESSAILes données du tableau 2 concernent la période d'essai intégrale (voir tableau 2).

Tableau 2 : consommation de courant pour la période d'essai de 14 jours.

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Unité d'essai Température d'entrée d'air

Température du boîtier Vitesse de rotation du compresseur

Climatiseur AC contrôlé par marche/arrêt 8-24 °C 20-25 °C 0-3000

Climatiseur DC contrôlé par marche/arrêt 12-22 °C 20-25 °C 0-3000

Climatiseur DC contrôlé par la capacité 16-20 °C 20-25 °C 1800-2800

Tableau 3 : température et vitesse de rotation du compresseur enregistrées pendant les 24 heures de la période d'essai.

Temp. boîtier oC Temp. boîtier oC

Temp. boîtier oC

Figure 4 : températures d'entrée d'air/du boîtier pour DC contrôlé par la capacité

Figure 5 : vitesse de rotation du compresseur pour toutes les unités

Figure 3 : températures d'entrée d'air/du boîtier pour DC marche/arrêt.

Figure 2 : températures d'entrée d'air/du boîtier pour AC marche/arrêt.

5. RÉSUMÉ DE L'ÉTUDE COMPARATIVE ET CONCLUSIONS5.1 Climatisation AC contrôlée par marche/arrêtL'essai montre que le système de climatisation AC contrôlé par marche/arrêt génère une température de consigne interne stable avec un refroidissement très important sur des périodes d'activation proportionnellement courtes (voir figures 2 et 5 + tableau 3). En d'autres termes, les fluctuations de température sont considérables et la température de consigne est atteinte rapidement. La figure 5 illustre la logique opérationnelle du compresseur activé par marche/arrêt à pleine vitesse pour cette unité.

5.2 Climatisation DC contrôlée par marche/arrêtLe système de climatisation DC contrôlé par marche/arrêt génère une température de consigne interne stable avec des fluctuations de température inférieures à celles du système de climatisation AC contrôlé par marche/arrêt (voir figure 3 + tableau 3). Comme indiqué à la section 5.1, la figure 5 illustre également la logique opérationnelle du compresseur activé par marche/arrêt à pleine vitesse pour cette unité.

5.3 Climatisation DC contrôlée par la capacitéLes résultats du système de climatisation DC contrôlé par la capacité indiquent exactement la même plage de température interne que les deux autres unités, ce qui démontre bien l'efficacité uniforme des trois technologies testées (voir figure 4 + tableau 3). Au sujet de ces résultats finaux de l'essai, il est toutefois intéressant de noter que la température d'entrée de l'air varie considérablement moins pour l'unité contrôlée par la capacité que pour les deux autres unités (voir tableau 3). Cela démontre clairement le résultat de la vitesse du ventilateur et du compresseur régulée par la capacité.

Illustrée à la figure 5, la vitesse de rotation du compresseur est adaptée en fonction du refroidissement actuellement demandé. Cela signifie que le compresseur tourne en continu à la vitesse exacte nécessaire pour maintenir le point de consigne de refroidissement, sauf pour une durée limitée lorsqu'un refroidissement supplémentaire est requis. Pendant la durée d'accélération limitée de la vitesse de rotation pour cette unité, il va de soi que le compresseur et les ventilateurs ne fonctionnent pas à plein régime. Le résultat de cette logique opérationnelle se traduit par des températures plus stables et une consommation de courant considérablement réduite, voir tableau 2.

5.4 Remarques finalesL'objectif de cette étude était de clarifier les différences entre trois systèmes de climatisation distincts offrant la même efficacité, mais avec différentes sources de courant et stratégies de contrôle, en ce qui concerne les paramètres de fluctuations de température et de consommation de courant étudiés. Les résultats de l'essai étayent clairement l'assomption selon laquelle les climatiseurs DC contrôlés par la capacité génèrent des économies beaucoup plus élevées que les climatiseurs DC contrôlés par marche/arrêt et les climatiseurs AC traditionnels.

Au cours d'un essai en conditions réelles réalisé sur 14 jours, le climatiseur DC (contrôlé par la capacité), le climatiseur DC (contrôlé par marche/arrêt) et le climatiseur AC (contrôlé par marche/arrêt) ont appliqué respectivement 62, 74 et 131 kWh pour refroidir des boîtiers et des charges thermiques identiques. Il existe une différence de consommation de courant maximale de plus de 100 % (voir indexation au tableau 2), qui permet d'obtenir des économies d'énergie significatives et de réduire l'usure du compresseur et des ventilateurs. Pour finir, la climatisation DC est en général plus écologique, ce qui constitue un choix sûr dans les réseaux de puissance instables. En conclusion, la climatisation DC contrôlée par la capacité engendre des économies supérieures et une stabilité accrue pour les applications de refroidissement des systèmes électroniques et télécoms dans des environnements DC idéaux, en comparaison aux technologies similaires de cette étude.

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DANTHERM COOLING DÉVELOPPE ET FABRIQUE DES SYSTÈMES D'ÉLIMINATION DE LA CHALEUR FIABLES ET EFFICACES EN ÉNERGIE POUR L'INDUSTRIE DU REFROIDISSEMENT

DES SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES

DANTHERM COOLING EST LE PARTENAIRE PRIVILÉGIÉ POUR LE REFROIDISSEMENT DES SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES

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