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 (расчётная температура наружного воздуха и влажность);
доступность воды и качество воздушной среды;
допустимая температура в холодном коридоре (обычно 22–27 °C);
требуемая надёжность и резервирование;
стоимость электроэнергии и воды.

В регионах с умеренным и холодным климатом естественное охлаждение покрывает до 90–98 % годовой потребности в холоде. В южных и влажных районах его доля снижается, однако даже там экономайзеры обеспечивают значительную часть годовой работы без компрессоров.

Методика сравнения систем

Сравнение выполняется по двум критериям:

Доля естественного охлаждения — процент годовой тепловой нагрузки, снимаемой без компрессоров.
Потребность в механическом холоде (Trim Cooling) — дополнительная мощность, необходимая при превышении уставки температуры наружного воздуха.

Для анализа используются данные Росгидромета и СП 131.13330.2020 (температура наружного воздуха для тёплого периода при обеспеченности 0,4 %). Рассматриваются четыре типовые схемы:

1. **IASE** — косвенная схема с теплообменником воздух–воздух;  
2. **IASE + DEC** — та же схема с адиабатическим охлаждением наружного воздуха;  
3. **IEXC** — интегральный косвенный испарительный теплообменник;  
4. **DASE + DEC** — прямая схема с испарительным охлаждением и фильтрацией.

Климатические ориентиры для оценки потенциала free cooling

Расчётные температуры наружного воздуха (СП 131.13330.2025, обеспеченность 0,4 %)

Город	tс, °C (сухой термометр)	tв, °C (влажный термометр, прибл.)	Климатическая оценка	Рекомендуемые схемы
Москва	28	20	Умеренно-континентальный	IASE, IEXC
Санкт-Петербург	26	19	Морской, высокая влажность	IASE, IEXC
Екатеринбург	27	18	Континентальный, низкая влажность	IASE + DEC, IEXC
Новосибирск	27	17	Сухой континентальный	IASE, IEXC
Нижний Новгород	28	20	Умеренно-влажный	IASE + DEC
Казань	28	20	Умеренно-континентальный	IASE + DEC
Красноярск	28	18	Континентальный, холодный	IASE, IEXC
Владивосток	25	22	Морской, влажный	IEXC, IASE + DEC
Симферополь	30	24	Тёплый, сухой	DASE + DEC, IASE + DEC
Ростов-на-Дону	31	23	Тёплый, полувлажный	DASE + DEC
Краснодар	31	24	Тёплый, влажный	DASE + DEC, IASE + DEC

Интерпретация результатов

* В Центральной России и на Урале (Москва, Екатеринбург, Нижний Новгород) системы IASE и IEXC обеспечивают 95–98 % годовой работы без компрессоров. * В Сибири (Новосибирск, Красноярск) из-за сухого климата доля свободного охлаждения достигает 98–99 %. * В южных регионах (Краснодар, Симферополь, Ростов-на-Дону) прямые и комбинированные схемы DASE + DEC покрывают 60–75 % годового времени. * На побережьях с высокой влажностью (Владивосток) предпочтительны косвенные испарительные системы IEXC.

Диапазон энергоэффективности схем в климате РФ

Схема	Среднегодовая доля естественного охлаждения	Доля механического охлаждения	Оценочный PUE (только охлаждение)
DASE + DEC	60 – 80 %	20 – 40 %	≈ 1.30
IASE	75 – 90 %	10 – 25 %	≈ 1.25
IASE + DEC	85 – 95 %	5 – 15 %	≈ 1.20
IEXC	95 – 99 %	1 – 5 %	≈ 1.10

Экономический эффект

Для оценки используется частичный показатель PUE:

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

Для экономайзеров — 1.07–1.30, для традиционных DX/чиллер-систем — 1.8–2.5.

Пример расчёта: ЦОД мощностью 5 МВт при тарифе 6 ₽/кВт·ч тратит на ИТ-нагрузку около 263 млн ₽/год. При pPUE = 1.8 общее энергопотребление — 474 млн ₽/год. Переход на экономайзер с pPUE = 1.13 снижает расходы до 297 млн ₽, что даёт экономию порядка 177 млн ₽/год. Даже при частичной работе free cooling (95 % нагрузки) экономия сохраняется на уровне 150–160 млн ₽/год.

Выводы

* Климат большинства регионов России благоприятен для круглогодичного использования систем «свободного охлаждения». * IASE и IEXC — оптимальны для умеренных и континентальных зон. * DASE + DEC — рациональны для южных и приморских площадок при надёжной фильтрации и водоподготовке. * DEC-модули существенно расширяют диапазон температур без компрессорного холода. * Применение экономайзеров снижает годовой PUE до 1.1–1.2, что эквивалентно сокращению энергопотребления на 40–60 % по сравнению с традиционными системами DX/чиллер.