Энергетическая эффективность и сравнение с традиционными системами охлаждения

Раздел посвящён сравнительному анализу энергоэффективности различных схем «свободного охлаждения» (DASE, IASE, IEXC) и традиционных механических систем (DX, чиллеры, CRAC/CRAH). Рассмотрены: годовая доля естественного охлаждения, потребность в дополнительном (trim) механическом холоде, влияние климатических условий и экономический эффект для эксплуатации ЦОД.

Основные факторы выбора схемы

На выбор системы охлаждения влияют:

климат площадки (среднегодовая и экстремальная температура воздуха, влажность);
доступность воды;
допустимая температура воздуха в холодном коридоре;
требуемая надёжность и резервирование охлаждения;
стоимость электроэнергии.

В городах с умеренным или сухим климатом естественное охлаждение обеспечивает до 90–98 % годовой потребности в холоде. В тёплых и влажных регионах его доля уменьшается, но даже в таких условиях (например, Майами) экономайзеры способны покрывать более половины годовой нагрузки.

Методика сравнения систем

Сравнение выполняется по двум критериям:

Доля естественного охлаждения — процент годовой нагрузки, который покрывается без компрессоров.
Потребность в механическом холоде (Trim Cooling) — мощность дополнительного охлаждения, необходимая при высоких температурах наружного воздуха.

Для анализа используются климатические данные TMY3 (Typical Meteorological Year) и экстремальные температуры за 50 лет наблюдений. Расчёт выполняется по стандартам ASHRAE и включает четыре базовые схемы:

1. IASE с теплообменником воздух–воздух.  
2. IASE с теплообменником и адиабатическим охлаждением DEC.  
3. IEXC — интегральный косвенный испарительный теплообменник.  
4. DASE с адиабатическим охлаждением (DEC).

Пример климатического сравнения

Типовые условия по данным ASHRAE (50-летний максимум и среднегодовой максимум)

Город	tс, °C (50-летний экстремум)	tв, °C (50-летний экстремум)	tс, °C (TMY3)	tв, °C (TMY3)
Атланта	40.6	28.0	36.7	25.1
Пекин	42.7	31.0	37.4	28.4
Чикаго	40.9	28.5	35.0	26.9
Даллас	45.4	28.3	40.0	28.3
Денвер	40.4	20.7	40.0	20.3
Лас-Вегас	47.6	27.4	44.4	23.4
Майами	37.4	29.3	35.6	26.5
Париж	39.6	26.0	30.0	22.9
Портленд	42.3	26.0	37.0	26.3
Сан-Хосе	42.1	26.0	35.6	21.2
Вашингтон	41.1	28.9	37.2	26.8

Интерпретация результатов

В условиях Далласа (tс = 35 °C, tг = 23,9 °C) IASE покрывает ~76 % годовой нагрузки, остальное — механика.
При добавлении DEC (IASE+DEC) — до 90 % естественного охлаждения.
В Вашингтоне система IEXC обеспечивает 98–99 % годового охлаждения, оставляя менее 2 % для DX/чиллера.
Даже в Майами (tв = 29 °C) возможна работа экономайзеров 50–60 % времени года.

Диапазон эффективности по схемам (по данным TMY3)

Схема	Среднегодовая доля естественного охлаждения	Доля механического охлаждения	Эффективность (PUE мех.)
DASE + DEC	60–85 %	15–40 %	~1.3
IASE	70–90 %	10–30 %	~1.25
IASE + DEC	85–95 %	5–15 %	~1.2
IEXC	95–99 %	1–5 %	~1.1

Экономический эффект

Для оценки используется показатель частичного PUE (pPUE), отражающий отношение: $$ pPUE = \frac{P_\text{ИТ} + P_\text{охлаждение}}{P_\text{ИТ}} $$

Для экономайзеров значение pPUE находится в диапазоне 1.07–1.3, в то время как для традиционных систем с компрессорами — 1.8–2.5.

Пример: ЦОД с нагрузкой 5 МВт и стоимостью электроэнергии $0,10/кВт·ч потребляет на ИТ-оборудование $4,38 млн/год. При классическом механическом охлаждении (pPUE = 1.8) суммарное потребление составит ~$7,9 млн/год. Переход на экономайзер с pPUE = 1.13 уменьшит затраты на электроэнергию до ~$4,95 млн/год, то есть экономия составит порядка $3 млн/год. Даже если экономайзер покрывает 95 % нагрузки, годовая экономия остаётся ~$2,8–3,0 млн.

Выводы

Эффективность схем охлаждения напрямую зависит от климата и влажности наружного воздуха.
IASE и IEXC показывают наилучшее соотношение между стабильностью и экономией.
Использование DEC-модулей значительно увеличивает долю естественного охлаждения.
Даже при наличии резервных компрессоров экономайзеры снижают потребление электроэнергии в 4–6 раз по сравнению с классическими DX/чиллер-системами.
Переход на экономайзерные технологии снижает годовой PUE до 1.1–1.2 против 1.8–2.5 для традиционных систем.