Енергія дата-центру Жива модель

Ви — інженер об’єкта з дата-залом на 1 МВт: чилери, контур охолодженої води, батареї ДБЖ і резервний генератор. Тепло йде від серверів до повітря, до води й назовні — і кожен ват, витрачений на охолодження, видно в PUE.

Чого ви навчитеся

Симулятор

Час 0 хв
Температура на вході серверів 22,4 °C · Працюють чилери 2/3 · Чилери в аварійній зупинці (блокування) 0 · Батарея ДБЖ 100% · 25 °C22,4 °C · IT 803 kW#1#2#3UPS 100%⚡ мережа · 🔌🌡 25 °C · COP 5,1 · PUE 1,34
  • Вхід < 24 °C
  • Вхід ≥ 27 °C
  • Вхід ≥ 32 °C
  • Чилер працює
  • Чилер запускається (5 хв)
  • Чилер аварійно зупинений (блокування до скидання)

Керування

Чилер №1…№n. Щойно запущеному чилеру потрібно 5 хв, щоб почати охолоджувати.

Тепліша вода = краща ефективність чилера, але тепліші входи серверів.

Пакетні завдання відкладено на потім: менше тепла і потужності зараз.

Використовує холодне зовнішнє повітря через сухий охолоджувач, коли достатньо холодно.

Випаровує воду для охолодження повітря конденсатора: краща ефективність, але витрата води.

Потрібно лише якщо автоматичний запуск не вдався. Триває 3 хв.

Знімає аварійне спрацювання захисту чилера після перевірки несправності; приймається не раніше ніж через 15 хв після спрацювання.

Показники

Температура на вході серверів
22,4°C
норма
PUE
1,34
норма
Потужність об’єкта
1076kW
Батарея ДБЖ
100%
норма
Температура охолодженої води14,0 °C
COP чилера5,1
ІТ-навантаження803 kW
Працюють чилери2
Доступні чилери (не зупинені аварійно)3
Чилери в аварійній зупинці (блокування)0
Скидання аварії можливе через0 min
WUE0,00 L/kWh
Викиди CO₂484 kg/h

Тренд

Температура на вході серверів: — °C40,015,0

Кризові сценарії

Рівень 1 · Відмова чилера в пік

Спекотний день, надворі 32 °C. ІТ споживає 850 кВт на двох із трьох чилерів, а охолоджена вода для економії енергії має 16 °C — через це входи серверів лише приблизно на 2 K нижчі за рекомендовану межу ASHRAE. Один чилер ось-ось аварійно зупиниться. Тримайте входи в рекомендованому діапазоні, не зупиняйте ІТ-роботу й поверніть установку до повного резервування.

  • Вхід ніколи не вище 27 °C
  • Вхід ≤ 25 °C наприкінці (повернення до норми)
  • Середнє ІТ-навантаження ≥ 750 кВт (не просто вимикайте сервери)
  • Наприкінці знову доступні всі три чилери (зупинений блок скинуто)

Рівень 2 · Хвиля спеки та запит на реагування попиту

Зовнішня температура зростає з 30 °C до 42 °C. Чилери втрачають потужність і ефективність. Потім оператор мережі подає запит на реагування попиту: тримайте потужність цього об’єкта нижче 900 кВт упродовж пів години.

  • Вхід ніколи не вище 27 °C
  • Середня потужність об’єкта ≤ 900 кВт під час запиту
  • Середнє ІТ-навантаження ≥ 720 кВт за сценарій

Рівень 3 · Відключення мережі, генератор не запускається

Мережа зникає. Генератор мав би підхопити за десять секунд — цього разу не підхоплює. Сервери працюють від батарей ДБЖ із запасом приблизно на десять хвилин, а чилери вимкнені.

  • Без простою ІТ
  • Батарея ніколи не нижче 72 %
  • Вхід ніколи не вище 25 °C

Основа — модель за цифрами

Кожне співвідношення, яке використовує симулятор, із джерелом. Константи, позначені як припущення, — ілюстративні калібрування.

Енергетичний баланс повітряного вузла: сервери нагрівають повітря, охолоджувальні змійовики передають тепло в охолоджену воду.
C_air · dT_air/dt = P_IT + P_fans − Q_CRAH, Q_CRAH = UA · (T_air − T_chw)[4][11]Припущення: ємності, провідність змійовика, розмір чилера та енергія батареї — ілюстративні значення для залу потужністю 1 МВт.
Енергетичний баланс водяного вузла: теплова маса контуру згладжує розрив між тепловим навантаженням і потужністю чилера.
C_w · dT_chw/dt = Q_CRAH − Q_chillers − Q_econ, C_w = 20 m³ × 4186 J/(kg·K)[4]
Ефективність чилера як фіксована частка межі Карно — вона падає, коли зовнішнє повітря стає спекотнішим. Температура випарника відповідає фактичній температурі контуру охолодженої води (на 2 K нижча), а не уставці, тож контур, що нагрівся після аварійної зупинки, ненадовго підвищує 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]Припущення: ємності, провідність змійовика, розмір чилера та енергія батареї — ілюстративні значення для залу потужністю 1 МВт.
Ефективність використання енергії: загальна потужність об’єкта до потужності ІТ (1,0 — ідеал).
PUE = P_facility / P_IT[1][12][8]
Ефективність використання води; випарувана вода з енергії, потрібної для охолодження повітря конденсатора.
WUE = water (L) / IT energy (kWh); evaporation = m_air · c_p · ΔT / h_fg[2][7]
Температурна оболонка ASHRAE для повітря на вході серверів.
recommended 18–27 °C · A1 allowable 15–32 °C[3]
Енергія батареї ДБЖ витрачається разом із захищеним навантаженням, доки не підхопить генератор.
E_batt(t+Δt) = E_batt − (P_IT + P_fans + P_pumps)/η_UPS · Δt (energy balance); generator ≤ 10 s[6]Припущення: ємності, провідність змійовика, розмір чилера та енергія батареї — ілюстративні значення для залу потужністю 1 МВт.
Після будь-якого перемикання живлення чилери зупиняються й мають перезапуститися.
chiller restart after any power transfer = 5 min (quick-start; typical 10–15 min)[11]
Викиди від інтенсивності електромережі або від дизеля, коли працює генератор.
CO₂ = P_facility × grid intensity (≈450–650 g/kWh in the scenarios); diesel ≈ 2.69 kg CO₂/L[9][10][13]
Інші експлуатаційні константи, які використовує модель.
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 %Припущення: ємності, провідність змійовика, розмір чилера та енергія батареї — ілюстративні значення для залу потужністю 1 МВт.

Випадковість: генератор mulberry32 із зерном; використані розподіли — рівномірний, експоненційний (обернена CDF), нормальний (Бокса–Мюллера), Пуассона (Кнут). Зерно показано, і ним можна ділитися.

Джерела

  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

Хто цим займається професійно

Навчальна модель — не для оперативних рішень. Реальні об’єкти калібрують кожну константу під власне обладнання та дані.