Энергетическая эффективность и доля механического охлаждения

Раздел посвящён оценке энергоэффективности различных схем охлаждения ЦОД и определению доли механического холода (Trim Cooling), требуемого для компенсации работы экономайзера в периоды высоких температур и влажности. Рассматриваются годовая доля естественного охлаждения, потребность в механическом резерве и их влияние на капитальные и эксплуатационные затраты.

Основные факторы влияния

На эффективность систем охлаждения влияют:

климат региона (температура и влажность наружного воздуха);
доступность воды для адиабатического охлаждения;
допустимая температура в холодном коридоре (обычно 22–27 °C);
экстремальные температуры и продолжительность пиковых часов;
архитектура здания и расположение воздухозаборов.

Экономайзер может обеспечивать до 95–99 % годового объёма охлаждения, однако в самые жаркие и влажные дни ему требуется механическое дополнение (Trim Cooling). Эта часть системы определяет:

энергоэффективность в течение года,
первоначальную стоимость оборудования,
надёжность охлаждения при экстремальных условиях.

Сравнение доли механического холода

Критерии расчёта по методике ASHRAE (TMY3 и 50-летние экстремумы):

выбран город/климатическая зона;
заданы уставки: холодный/горячий коридор 24 °C / 35 °C;
определены значения сухого (db) и влажного (wb) термометров;
вычислена требуемая мощность механического холода (тонн/1000 SCFM).

Схема	Обозначение	Принцип работы	Доля естественного охлаждения	Trim Cooling
1	IASE (HX воздух–воздух)	Косвенное воздушное охлаждение	70–90 %	0.9–1.8 т/1000 SCFM
2	IASE + DEC	Косвенное с адиабатическим предохлаждением	85–95 %	0.6–1.1 т/1000 SCFM
3	IEXC	Интегральный косвенный испарительный теплообменник	95–99 %	0.3–0.8 т/1000 SCFM
4	DASE + DEC	Прямое испарительное охлаждение	60–80 %	Δt ≈ 11 K к уставке холодного коридора

Типичные диапазоны по данным ASHRAE TMY3 (75 °F / 95 °F = 23.9 °C / 35 °C, 80 °F / 100 °F = 26.7 °C / 37.8 °C)

Интерпретация примеров для регионов России

В Москве при tₑ = 35 °C и влажности 50 % схема IASE обеспечивает около 75–80 % годовой нагрузки; при добавлении DEC — до 90 %.
В Екатеринбурге и Новосибирске IEXC и IASE работают в режиме free cooling до 98 % времени года.
В Казани и Нижнем Новгороде экономайзеры обеспечивают 90–95 %, механическое охлаждение включается редко.
В Краснодаре и Симферополе DASE + DEC покрывает 60–75 % нагрузки, остальное — механика.
В Владивостоке из-за высокой влажности предпочтительны IASE + DEC или IEXC, обеспечивающие 50–60 % естественного охлаждения.

Сравнение энергетических показателей

Для количественной оценки используется частичный показатель PUE (pPUE):

$$ pPUE = \frac{P_\text{ИТ} + P_\text{охлаждение}}{P_\text{ИТ}} $$

Тип системы	pPUE	Комментарий
Традиционная DX/чиллер	1.8 – 2.5	Высокие энергозатраты, постоянная работа компрессоров
Экономайзеры (IASE/IEXC)	1.07 – 1.3	До 6 раз меньше энергии на охлаждение

Пример расчёта

Для ЦОД с ИТ-нагрузкой 5 МВт и тарифом 6 ₽/кВт·ч:

Энергопотребление ИТ = 263 млн ₽/год.
При pPUE = 1.8 (DX/чиллер) общие расходы = 474 млн ₽/год.
При pPUE = 1.13 (IASE/IEXC) → 297 млн ₽/год.

Экономия ≈ 177 млн ₽/год, даже при частичной работе free cooling (95 %) сохраняется выгода 150–160 млн ₽.

Выводы

Экономайзерные системы снижают потребление электроэнергии на охлаждение в 4–6 раз.
Trim Cooling определяет только малую часть годовой нагрузки (1–20 %).
Использование DEC-модулей уменьшает потребность в механике до 2–5 %.
Для умеренных и континентальных регионов (Москва, Екатеринбург, Новосибирск) возможна круглогодичная работа free cooling с PUE ≈ 1.1–1.2.
Для южных и влажных климатов (Краснодар, Симферополь, Владивосток) рациональны DASE + DEC и IASE + DEC при качественной фильтрации воздуха.
Сочетание IASE/IEXC с резервным DX даёт оптимальный баланс надёжности и энергоэффективности.