Энергия дата-центра Живая модель

Вы — инженер по эксплуатации зала данных мощностью 1 МВт: чиллеры, контур охлаждённой воды, батареи ИБП и резервный генератор. Тепло идёт от серверов к воздуху, затем к воде и на улицу — и каждый ватт, потраченный на охлаждение, виден в PUE.

Чему вы научитесь

Симулятор

Время 0 мин
Температура воздуха на входе серверов 22,4 °C · Работающие чиллеры 2/3 · Чиллеры в аварийном отключении (с блокировкой) 0 · Батарея ИБП 100% · 25 °C22,4 °C · IT 803 kW#1#2#3UPS 100%⚡ сеть · 🔌🌡 25 °C · COP 5,1 · PUE 1,34
  • Вход < 24 °C
  • Вход ≥ 27 °C
  • Вход ≥ 32 °C
  • Чиллер работает
  • Чиллер запускается (5 мин)
  • Чиллер аварийно отключён (блокировка до сброса)

Управление

Чиллер №1…№n. Только что запущенному чиллеру нужно 5 мин, прежде чем он начнёт охлаждать.

Тёплая вода = выше эффективность чиллера, но теплее воздух на входе серверов.

Пакетные задания перенесены на потом: сейчас меньше тепла и потребляемой мощности.

Использует холодный наружный воздух через драйкулер, когда на улице достаточно холодно.

Испаряет воду, чтобы охладить воздух конденсатора: выше эффективность, но расходуется вода.

Нужно, только если автоматический запуск не сработал. Занимает 3 мин.

Сбрасывает аварийное отключение чиллера после проверки неисправности; принимается через 15 мин после отключения.

Показатели

Температура воздуха на входе серверов
22,4°C
норма
PUE
1,34
норма
Мощность объекта
1076kW
Батарея ИБП
100%
норма
Температура охлаждённой воды14,0 °C
COP чиллера5,1
ИТ-нагрузка803 kW
Работающие чиллеры2
Доступные чиллеры (не отключены аварийно)3
Чиллеры в аварийном отключении (с блокировкой)0
Сброс аварии возможен через0 min
WUE0,00 L/kWh
Выбросы CO₂484 kg/h

Динамика

Температура воздуха на входе серверов: — °C40,015,0

Кризисные сценарии

Уровень 1 · Отключение чиллера на пике

Жаркий день, на улице 32 °C. ИТ-нагрузка 850 кВт на двух из трёх чиллеров, а охлаждённая вода для экономии энергии идёт при 16 °C — из-за этого до рекомендованного предела ASHRAE на входе серверов остаётся лишь около 2 К. Один чиллер вот-вот аварийно отключится. Удержите температуру на входе в рекомендованном диапазоне, сохраните ИТ-работу и верните установке полное резервирование.

  • На входе никогда не выше 27 °C
  • На входе ≤ 25 °C в конце (возврат к норме)
  • Средняя ИТ-нагрузка ≥ 750 кВт (не просто выключайте серверы)
  • В конце снова доступны все три чиллера (отключившийся агрегат сброшен)

Уровень 2 · Жара и запрос demand response

Наружная температура растёт с 30 °C до 42 °C. Чиллеры теряют мощность и эффективность. Затем оператор сети присылает запрос на сокращение потребления (demand response): держать мощность объекта ниже 900 кВт в течение получаса.

  • На входе никогда не выше 27 °C
  • Средняя мощность объекта ≤ 900 кВт во время запроса
  • Средняя ИТ-нагрузка ≥ 720 кВт за сценарий

Уровень 3 · Отключение сети, генератор не запускается

Сеть пропадает. Генератор должен подхватить нагрузку за десять секунд — но на этот раз этого не происходит. Серверы работают от батарей ИБП с запасом энергии примерно на десять минут, а чиллеры обесточены.

  • Без ИТ-простоя
  • Батарея никогда не ниже 72 %
  • На входе никогда не выше 25 °C

Основа — модель, стоящая за числами

Все зависимости, которые использует симулятор, с источниками. Константы, помеченные как допущения, — иллюстративные калибровки.

Баланс энергии узла воздуха: серверы нагревают воздух, охлаждающие теплообменники передают тепло в охлаждённую воду.
C_air · dT_air/dt = P_IT + P_fans − Q_CRAH, Q_CRAH = UA · (T_air − T_chw)[4][11]Допущение: тепловые ёмкости, проводимость теплообменника, размер чиллера и энергия батареи — иллюстративные значения для зала мощностью 1 МВт.
Баланс энергии узла воды: тепловая масса контура сглаживает разрыв между тепловой нагрузкой и мощностью чиллера.
C_w · dT_chw/dt = Q_CRAH − Q_chillers − Q_econ, C_w = 20 m³ × 4186 J/(kg·K)[4]
КПД чиллера как фиксированная доля предела Карно — он падает по мере нагрева наружного воздуха. Температура испарителя следует за фактической температурой контура охлаждённой воды (на 2 К ниже неё), а не за уставкой, поэтому контур, нагревающийся после аварийного отключения, ненадолго повышает COP.
COP = 0.45 · T_evap / (T_cond − T_evap), T_evap = T_chw − 2 K, T_cond = T_air,out + 12 K [K][5]Допущение: тепловые ёмкости, проводимость теплообменника, размер чиллера и энергия батареи — иллюстративные значения для зала мощностью 1 МВт.
Эффективность использования энергии: полная мощность объекта к мощности ИТ-оборудования (1,0 — идеал).
PUE = P_facility / P_IT[1][12][8]
Эффективность использования воды: испарённая вода из энергии, нужной для охлаждения воздуха конденсатора.
WUE = water (L) / IT energy (kWh); evaporation = m_air · c_p · ΔT / h_fg[2][7]
Температурный диапазон ASHRAE для воздуха на входе серверов.
recommended 18–27 °C · A1 allowable 15–32 °C[3]
Энергия батареи ИБП расходуется вместе с защищаемой нагрузкой, пока не подхватит генератор.
E_batt(t+Δt) = E_batt − (P_IT + P_fans + P_pumps)/η_UPS · Δt (energy balance); generator ≤ 10 s[6]Допущение: тепловые ёмкости, проводимость теплообменника, размер чиллера и энергия батареи — иллюстративные значения для зала мощностью 1 МВт.
После любого переключения питания чиллеры останавливаются и должны перезапуститься.
chiller restart after any power transfer = 5 min (quick-start; typical 10–15 min)[11]
Выбросы по углеродоёмкости сетевой электроэнергии или от дизельного топлива, когда работает генератор.
CO₂ = P_facility × grid intensity (≈450–650 g/kWh in the scenarios); diesel ≈ 2.69 kg CO₂/L[9][10][13]
Прочие рабочие константы, используемые моделью.
chillers 3 × 450 kW, derate 2.5 %/K above 35 °C · adiabatic effectiveness 70 % · loop P-gain 150 kW/K · IT shutdown at 40 °C inlet · manual generator start 3 min · chiller trip reset accepted 15 min after the trip · battery 150 kWh (≈10 min at full load), recharge 10 %/h · UPS η 95 %Допущение: тепловые ёмкости, проводимость теплообменника, размер чиллера и энергия батареи — иллюстративные значения для зала мощностью 1 МВт.

Случайность: генератор mulberry32 с seed; используемые распределения — равномерное, экспоненциальное (обратная CDF), нормальное (Бокса — Мюллера), Пуассона (Кнут). Seed показан и им можно делиться.

Источники

  1. ISO/IEC 30134-2:2016 Data centres — Key performance indicators — Part 2: Power usage effectiveness (PUE) — ISO/IEC, 2016
  2. ISO/IEC 30134-9:2022 Data centres key performance indicators — Part 9: Water usage effectiveness (WUE) — ISO/IEC, 2022
  3. ASHRAE TC 9.9 — Thermal Guidelines for Data Processing Environments (recommended inlet 18–27 °C; class A1 allowable 15–32 °C) — ASHRAE, 2021
  4. F. P. Incropera et al. — Fundamentals of Heat and Mass Transfer: lumped capacitance, Q = UA·ΔT — Wiley, 2011
  5. Y. A. Çengel, M. A. Boles — Thermodynamics: An Engineering Approach — Carnot COP of refrigerators, COP = T_L/(T_H − T_L) — McGraw-Hill, 2019
  6. NFPA 110 — Standard for Emergency and Standby Power Systems (Type 10: power restored within 10 s) — NFPA
  7. IAPWS — enthalpy of vaporization of water (≈2442 kJ/kg at 25 °C, 2257 kJ/kg at 100 °C) — IAPWS / NIST Chemistry WebBook
  8. Directive (EU) 2023/1791 (Energy Efficiency Directive) Art. 12 and Commission Delegated Regulation (EU) 2024/1364 — data-centre reporting — EUR-Lex, 2023–2024
  9. Ember — Global Electricity Review 2025: world average grid carbon intensity 473 gCO₂/kWh (2024) — Ember, 2025
  10. IPCC AR5 WG3 Annex III — life-cycle emissions of electricity supply technologies (median gCO₂eq/kWh) — IPCC, 2014
  11. Schneider Electric (APC) White Paper 179 — Data Center Temperature Rise During a Cooling System Outage — Schneider Electric
  12. Uptime Institute Global Data Center Survey 2025 — average annual PUE 1.54 — Uptime Institute, 2025
  13. U.S. EPA — Greenhouse Gas Emissions from a Typical Passenger Vehicle: 10,180 g CO₂ per gallon of diesel (≈2.69 kg/L) — U.S. EPA

Кто этим занимается профессионально

Образовательная модель — не для принятия эксплуатационных решений. Реальные объекты калибруют каждую константу под своё оборудование и данные.