第 1 級 · 高峰時冷水機組跳脫
炎熱的下午，室外 32 °C。資訊科技負載 850 kW，由三部冷水機組中的兩部承擔，冷凍水為節能運作於 16 °C——令伺服器進風距離 ASHRAE 建議上限只餘約 2 K。其中一部冷水機組即將跳脫。請令進風維持在建議範圍內，讓資訊科技工作繼續運作，並令冷水系統回復完整後備。
- 進風始終不超過 27 °C
- 完結時進風 ≤ 25 °C（回復正常）
- 平均資訊科技負載 ≥ 750 kW（不能只靠關掉伺服器）
- 完結時三部冷水機組全部重新可用（跳脫機組已重設）
數據中心能源 即時模型
你是一個 1 MW 數據機房的設施工程師：冷水機組、冷凍水循環、UPS 電池及後備發電機。熱力由伺服器傳到空氣、再傳到水，最後散到室外，而你花在冷卻上的每一瓦電，都會反映在 PUE 上。
你會學到甚麼
- 熱力如何在設施中流動，以及為何冷凍水循環能在危機中為你爭取到幾分鐘。
- 為何冷水機組在炎熱天氣效率會下降（卡諾 COP），以及 PUE 與 WUE 到底量度甚麼。
- 電網停電時，UPS 電池與發電機如何交接。
模擬器
- 進風 < 24 °C
- 進風 ≥ 27 °C
- 進風 ≥ 32 °C
- 冷水機組運作中
- 冷水機組啟動中（5 min）
- 冷水機組已跳脫（復歸前保持鎖定）
控制項
冷水機組 #1…#n。新啟動的冷水機組需要 5 min 才開始製冷。
水溫愈高，冷水機組效率愈好，但伺服器進風亦愈熱。
將批次工作延後處理：現時產生的熱力及用電較少。
室外夠冷時，透過乾式冷卻器利用室外冷空氣。
蒸發水分以冷卻冷凝器進風：效率較佳，但會耗水。
只在自動啟動失敗時才需要。需時 3 min。
在檢查故障後清除冷水機組的安全跳脫；跳脫 15 min 後才會接受。
指標
伺服器進風溫度
22.4°C
正常
PUE
1.34
正常
設施用電量
1076kW
UPS 電池
100%
正常
| 冷凍水溫度 | 14.0 °C |
|---|---|
| 冷水機組 COP | 5.1 |
| 資訊科技負載 | 803 kW |
| 運作中的冷水機組 | 2 |
| 可用的冷水機組（未跳脫） | 3 |
| 已跳脫的冷水機組（鎖定） | 0 |
| 可復歸跳脫尚餘 | 0 min |
| WUE | 0.00 L/kWh |
| CO₂ 排放量 | 484 kg/h |
趨勢
危機情景
第 2 級 · 熱浪與需求響應要求
室外溫度由 30 °C 升到 42 °C，冷水機組的容量及效率都在下降。跟着電網營運商發出需求響應要求：在半小時內將本站設施用電量控制在 900 kW 以下。
- 進風始終不超過 27 °C
- 要求期間設施平均用電量 ≤ 900 kW
- 整個情景內平均資訊科技負載 ≥ 720 kW
第 3 級 · 電網停電，發電機啟動失敗
電網斷電。發電機本應在十秒內接上，今次卻沒有。伺服器靠 UPS 電池運作，只餘下大約十分鐘電量，冷水機組全部停頓。
- 資訊科技設備沒有中斷
- 電池電量始終不低於 72 %
- 進風始終不超過 25 °C
依據：數字背後的模型
模擬器使用的每一個關係式及其來源。標示為假設的常數是示意校準值。
- 空氣節點能量平衡：伺服器加熱空氣，冷卻盤管將熱力轉移到冷凍水。
C_air · dT_air/dt = P_IT + P_fans − Q_CRAH, Q_CRAH = UA · (T_air − T_chw)[4][11]假設：熱容量、盤管傳熱係數、冷水機組容量及電池能量，均為針對 1 MW 機房的示意數值。- 水節點能量平衡：水循環的熱慣性緩衝了熱負載與冷水機組容量之間的差距。
C_w · dT_chw/dt = Q_CRAH − Q_chillers − Q_econ, C_w = 20 m³ × 4186 J/(kg·K)[4]- 冷水機組效率取為卡諾極限的固定比例，室外空氣愈熱，效率愈低。蒸發溫度跟隨冷凍水循環的實際溫度（比它低 2 K），而不是設定值，所以跳脫後循環升溫會令 COP 短暫上升。
COP = 0.45 · T_evap / (T_cond − T_evap), T_evap = T_chw − 2 K, T_cond = T_air,out + 12 K [K][5]假設：熱容量、盤管傳熱係數、冷水機組容量及電池能量，均為針對 1 MW 機房的示意數值。- 用水效益；蒸發的水量由冷卻冷凝器進風所需的能量推算。
WUE = water (L) / IT energy (kWh); evaporation = m_air · c_p · ΔT / h_fg[2][7]- 伺服器進風的 ASHRAE 熱環境範圍。
recommended 18–27 °C · A1 allowable 15–32 °C[3]- UPS 電池能量會隨受保護負載而消耗，直至發電機接手。
E_batt(t+Δt) = E_batt − (P_IT + P_fans + P_pumps)/η_UPS · Δt (energy balance); generator ≤ 10 s[6]假設：熱容量、盤管傳熱係數、冷水機組容量及電池能量，均為針對 1 MW 機房的示意數值。- 任何一次電源切換後，冷水機組都會停機，必須重新啟動。
chiller restart after any power transfer = 5 min (quick-start; typical 10–15 min)[11]- 按電網電力的碳強度計算排放量；發電機運作時則按柴油計算。
CO₂ = P_facility × grid intensity (≈450–650 g/kWh in the scenarios); diesel ≈ 2.69 kg CO₂/L[9][10][13]- 模型使用的其他運作常數。
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 %假設：熱容量、盤管傳熱係數、冷水機組容量及電池能量，均為針對 1 MW 機房的示意數值。
隨機性：帶種子的 mulberry32 產生器；所用分布包括均勻分布、指數分布（反 CDF）、常態分布（Box–Muller）及泊松分布（Knuth）。種子會顯示出來，並可分享。
來源
- 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
誰在從事這份工作
- 設施經理 — 確保電力、冷卻及樓宇系統運作，編排維修保養，並帶領處理突發事故。 職業概況（O*NET，美國勞工部） 11-3013.00
- 暖通空調及製冷技工與安裝人員 — 安裝、測試及維修冷水機組、空氣處理機組及控制系統。 職業概況（O*NET，美國勞工部） 49-9021.00
教育模型，不可用於實際營運決策。真實場地會按自己的設備及數據校準每一個常數。