第 1 级 · 高峰时冷水机组跳闸
炎热的下午，室外 32 °C。IT 负载 850 kW，由三台冷水机组中的两台承担，冷冻水为节能运行在 16 °C——这使服务器进风距离 ASHRAE 推荐上限只有约 2 K。其中一台冷水机组即将跳闸。请让进风保持在推荐范围内，维持 IT 工作运行，并让冷站恢复完全冗余。
- 进风始终不超过 27 °C
- 结束时进风 ≤ 25 °C（恢复正常）
- 平均 IT 负载 ≥ 750 kW（不能只靠关服务器）
- 结束时三台冷水机组全部重新可用（跳闸机组已复位）
数据中心能源 实时模型
你是一座 1 MW 数据机房的设施工程师：冷水机组、冷冻水环路、UPS 电池和备用发电机。热量从服务器传到空气，再传到水，最后散到室外，而你在制冷上花的每一瓦电都会体现在 PUE 上。
你将学到什么
- 热量如何在设施中流动，以及为什么冷冻水环路能在危机中为你争取到几分钟。
- 为什么冷水机组在炎热天气效率下降（卡诺 COP），以及 PUE 和 WUE 到底衡量什么。
- 电网停电时，UPS 电池和发电机如何交接。
模拟器
- 进风 < 24 °C
- 进风 ≥ 27 °C
- 进风 ≥ 32 °C
- 冷水机组运行中
- 冷水机组启动中（5 min）
- 冷水机组已跳闸（复位前保持锁定）
控制
冷水机组 #1…#n。新启动的冷水机组需要 5 min 才能开始制冷。
水温越高，冷水机组效率越高，但服务器进风也越热。
把批处理任务推迟到以后：当前发热和用电更少。
室外足够冷时，通过干冷器利用室外冷空气。
蒸发水分来冷却冷凝器进风：效率更高，但要耗水。
仅在自动启动失败时才需要。耗时 3 min。
在故障检查完毕后清除冷水机组的安全跳闸；跳闸 15 min 后才可接受。
指标
服务器进风温度
22.4°C
正常
PUE
1.34
正常
设施功率
1076kW
UPS 电池
100%
正常
| 冷冻水温度 | 14.0 °C |
|---|---|
| 冷水机组 COP | 5.1 |
| IT 负载 | 803 kW |
| 运行中的冷水机组 | 2 |
| 可用冷水机组（未跳闸） | 3 |
| 已跳闸的冷水机组（锁定） | 0 |
| 可复位跳闸还需 | 0 min |
| WUE | 0.00 L/kWh |
| CO₂ 排放 | 484 kg/h |
趋势
危机场景
第 2 级 · 热浪与需求响应请求
室外温度从 30 °C 升到 42 °C，冷水机组的容量和效率都在下降。随后电网运营商发出需求响应请求：在半小时内将本站点的设施功率控制在 900 kW 以下。
- 进风始终不超过 27 °C
- 请求期间设施平均功率 ≤ 900 kW
- 整个场景内平均 IT 负载 ≥ 720 kW
第 3 级 · 电网停电，发电机启动失败
电网断电。发电机本应在十秒内接上，这次却没有。服务器靠 UPS 电池运行，只剩大约十分钟的电量，冷水机组全部停转。
- IT 无中断
- 电池电量始终不低于 72 %
- 进风始终不超过 25 °C
依据：数字背后的模型
模拟器使用的每一个关系式及其来源。标注为假设的常数是示意性校准值。
- 空气节点能量平衡：服务器加热空气，冷却盘管把热量转移到冷冻水中。
C_air · dT_air/dt = P_IT + P_fans − Q_CRAH, Q_CRAH = UA · (T_air − T_chw)[4][11]假设：热容、盘管传热系数、冷水机组容量和电池能量均为针对 1 MW 机房的示意性数值。- 水节点能量平衡：水环路的热惯性缓冲了热负荷与冷水机组容量之间的差额。
C_w · dT_chw/dt = Q_CRAH − Q_chillers − Q_econ, C_w = 20 m³ × 4186 J/(kg·K)[4]- 冷水机组效率取为卡诺极限的固定比例，室外空气越热，效率越低。蒸发温度跟随冷冻水环路的实际温度（比其低 2 K），而不是设定值，所以跳闸后环路升温会让 COP 短暂上升。
COP = 0.45 · T_evap / (T_cond − T_evap), T_evap = T_chw − 2 K, T_cond = T_air,out + 12 K [K][5]假设：热容、盘管传热系数、冷水机组容量和电池能量均为针对 1 MW 机房的示意性数值。- 水资源利用效率；蒸发的水量由冷却冷凝器进风所需的能量得出。
WUE = water (L) / IT energy (kWh); evaporation = m_air · c_p · ΔT / h_fg[2][7]- 服务器进风的 ASHRAE 热环境范围。
recommended 18–27 °C · A1 allowable 15–32 °C[3]- UPS 电池能量随受保护负载而消耗，直到发电机接手。
E_batt(t+Δt) = E_batt − (P_IT + P_fans + P_pumps)/η_UPS · Δt (energy balance); generator ≤ 10 s[6]假设：热容、盘管传热系数、冷水机组容量和电池能量均为针对 1 MW 机房的示意性数值。- 任何一次供电切换后，冷水机组都会停机，必须重新启动。
chiller restart after any power transfer = 5 min (quick-start; typical 10–15 min)[11]- 排放量按电网电力的碳强度计算；发电机运行时按柴油计算。
CO₂ = P_facility × grid intensity (≈450–650 g/kWh in the scenarios); diesel ≈ 2.69 kg CO₂/L[9][10][13]- 模型使用的其他运行常数。
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 %假设：热容、盘管传热系数、冷水机组容量和电池能量均为针对 1 MW 机房的示意性数值。
随机性：带种子的 mulberry32 生成器；所用分布包括均匀分布、指数分布（逆 CDF）、正态分布（Box–Muller）和泊松分布（Knuth）。种子会显示出来，并且可以分享。
来源
- ISO/IEC 30134-2:2016 Data centres — Key performance indicators — Part 2: Power usage effectiveness (PUE) — ISO/IEC, 2016
- ISO/IEC 30134-9:2022 Data centres key performance indicators — Part 9: Water usage effectiveness (WUE) — ISO/IEC, 2022
- ASHRAE TC 9.9 — Thermal Guidelines for Data Processing Environments (recommended inlet 18–27 °C; class A1 allowable 15–32 °C) — ASHRAE, 2021
- F. P. Incropera et al. — Fundamentals of Heat and Mass Transfer: lumped capacitance, Q = UA·ΔT — Wiley, 2011
- Y. A. Çengel, M. A. Boles — Thermodynamics: An Engineering Approach — Carnot COP of refrigerators, COP = T_L/(T_H − T_L) — McGraw-Hill, 2019
- NFPA 110 — Standard for Emergency and Standby Power Systems (Type 10: power restored within 10 s) — NFPA
- IAPWS — enthalpy of vaporization of water (≈2442 kJ/kg at 25 °C, 2257 kJ/kg at 100 °C) — IAPWS / NIST Chemistry WebBook
- Directive (EU) 2023/1791 (Energy Efficiency Directive) Art. 12 and Commission Delegated Regulation (EU) 2024/1364 — data-centre reporting — EUR-Lex, 2023–2024
- Ember — Global Electricity Review 2025: world average grid carbon intensity 473 gCO₂/kWh (2024) — Ember, 2025
- IPCC AR5 WG3 Annex III — life-cycle emissions of electricity supply technologies (median gCO₂eq/kWh) — IPCC, 2014
- Schneider Electric (APC) White Paper 179 — Data Center Temperature Rise During a Cooling System Outage — Schneider Electric
- Uptime Institute Global Data Center Survey 2025 — average annual PUE 1.54 — Uptime Institute, 2025
- 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
谁在从事这份工作
- 设施经理 — 保障供电、制冷和楼宇系统运行，制定维护计划，并牵头处置突发事件。 职业概况（O*NET，美国劳工部） 11-3013.00
- 暖通空调与制冷机械师及安装工 — 安装、测试和维修冷水机组、空气处理机组及控制系统。 职业概况（O*NET，美国劳工部） 49-9021.00
教育模型，不可用于实际运营决策。真实站点会根据自己的设备和数据校准每一个常数。