Czy PUE poniżej 1,2 jest naprawdę osiągalne? Fizyka budynku a projektowanie chłodzenia centrum danych

Sprawdzone przez: Yoan Guyon, Dyrektor Zarządzający w gbc engineers

Power Usage Effectiveness (PUE) stało się głównym wskaźnikiem efektywności energetycznej centrów danych. PUE na poziomie 1,0 oznaczałoby, że każdy wat pobrany z sieci trafia bezpośrednio do sprzętu IT. W rzeczywistych obiektach zawsze potrzebna jest jednak dodatkowa energia na chłodzenie, dystrybucję zasilania, oświetlenie i systemy sterowania. Dlatego utrzymanie PUE poniżej 1,2 jest ambitnym celem, zwłaszcza poza kampusami hyperscale w chłodnych klimatach.

W tym artykule gbc engineers analizuje, jak fizyka budynku, projektowanie chłodzenia i decyzje operacyjne wpływają na rzeczywistą wydajność PUE. Celem jest pomoc właścicielom centrów danych, inżynierom i decydentom w zrozumieniu, co jest technicznie osiągalne, co zależy od lokalizacji i gdzie niższe PUE może zwiększyć początkowe nakłady inwestycyjne (CapEx), Water Usage Effectiveness (WUE) lub złożoność operacyjną.

Czym jest Power Usage Effectiveness (PUE) w centrum danych?

PUE to stosunek całkowitej energii obiektu do energii zużywanej przez sprzęt IT. PUE na poziomie 1,5 oznacza, że na każdy 1 wat wykorzystany przez sprzęt IT kolejne 0,5 wata zużywane jest przez chłodzenie, dystrybucję zasilania, oświetlenie i inne systemy obiektu.

PUE na poziomie 1,2 oznacza tylko 0,2 wata narzutu na każdy wat obciążenia IT. Wzór jest prosty, ale stojące za nim wyzwanie projektowe już nie.

 

Uptime Institute w raporcie Global Data Center Survey 2024 podał średnie branżowe PUE na poziomie około 1,56. Najlepiej działające obiekty, głównie duże kampusy hyperscale w korzystnych warunkach klimatycznych i przy wysokim wykorzystaniu IT, często pracują bliżej zakresu 1,1 do 1,2.

W projektach enterprise i colocation osiągnięcie takiego poziomu wymaga więcej niż tylko efektywnych agregatów chłodniczych. Potrzebne jest projektowanie chłodzenia centrum danych, które koordynuje lokalizację, fizykę budynku, architekturę zasilania, gęstość IT i strategię operacyjną.

 

Dlaczego fizyka budynku wyznacza punkt wyjścia dla PUE centrum danych

Zanim zostanie wybrany system chłodzenia centrum danych, obudowa budynku, klimat, masa termiczna i strategia przepływu powietrza już definiują dużą część potencjału PUE.

Warunki klimatyczne i poprawa PUE centrum danych

Klimat jest jedną z najważniejszych zmiennych wpływających na poprawę PUE centrum danych. Obiekty w Europie Północnej, Skandynawii lub chłodnych regionach Ameryki Północnej mogą przez wiele godzin w roku wykorzystywać powietrze zewnętrzne lub water-side free cooling, co wyraźnie zmniejsza zużycie energii przez sprężarki.

Podobne centrum danych w gorącym i wilgotnym regionie może mieć znacznie mniej godzin pracy w trybie economizer. Nie oznacza to, że niskie PUE jest niemożliwe, ale zwykle wymaga wyższego CapEx, chłodzenia cieczą, bardziej starannie zaprojektowanego odprowadzania ciepła lub innego celu wydajnościowego.

Znaczenie mają również klasy środowiskowe American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Gdy sprzęt IT może bezpiecznie pracować w szerszych zakresach temperatury i wilgotności, instalacja chłodzenia może działać przy wyższych temperaturach i częściej korzystać z free cooling.

Fizyka budynku i wewnętrzne zyski ciepła w projektowaniu chłodzenia centrum danych

Ciepło z oświetlenia, strat zasilania bezprzerwowego (UPS), transformatorów, urządzeń dystrybucji zasilania i przegród budynku zwiększa obciążenie chłodnicze. Każdy wat, który nie jest obciążeniem IT, ale nadal wymaga chłodzenia, bezpośrednio pogarsza PUE. Izolacja dachu, powierzchnia przeszkleń i ekspozycja słoneczna rzadko dominują w całym obrazie PUE, ale stają się ważne, gdy celem jest poziom poniżej 1,2, gdzie drobne nieefektywności się kumulują.

Zarządzanie przepływem powietrza dla efektywności chłodzenia centrum danych

Słabe zarządzanie przepływem powietrza może zniszczyć efektywność nawet dobrze dobranej instalacji chłodniczej. Hot aisle i cold aisle containment, panele zaślepiające, uszczelnione przepusty podłogowe oraz kontrolowane ścieżki powietrza powrotnego ograniczają mieszanie się powietrza nawiewanego z gorącym powietrzem wylotowym.

Dla każdego poważnego celu PUE zarządzanie przepływem powietrza jest wymaganiem projektowym.

Przeczytaj więcej: Chłodzenie centrum danych: jak nowoczesne systemy poprawiają efektywność i zrównoważony rozwój

Jakie strategie projektowania chłodzenia centrum danych mogą obniżyć PUE poniżej 1,2?

Projektowanie chłodzenia określa, jak efektywnie można odprowadzać ciepło. Najlepsza strategia zależy od lokalnego klimatu, gęstości szaf rack, wymagań redundancji i poziomu CapEx, który projekt może uzasadnić.

Air-side economizer cooling w projektowaniu chłodzenia centrum danych

Air-side economizer cooling wykorzystuje powietrze zewnętrzne bezpośrednio do chłodzenia przestrzeni IT, gdy temperatura i wilgotność są odpowiednie. W chłodnym i suchym klimacie jest to jedna z najskuteczniejszych strategii osiągania niskich wartości PUE.

Obiekty hyperscale w Europie Północnej, wykorzystujące bezpośrednie chłodzenie świeżym powietrzem, regularnie raportują średnie roczne wartości PUE między 1,03 a 1,12, a niektóre lokalizacje utrzymują się stale poniżej 1,1.

Kompromisem jest zarządzanie jakością powietrza. Należy uwzględnić filtrację, kontrolę wilgotności, zdarzenia dymowe i zanieczyszczenia pyłowe. W lokalizacjach miejskich lub regionach zanieczyszczonych obciążenie filtracyjne może zmniejszyć część korzyści energetycznej.

Water-side economizer cooling i free cooling dla centrów danych

Water-side economizer cooling wykorzystuje wieże chłodnicze, dry coolers lub fluid coolers do odprowadzania ciepła bez mechanicznej kompresji, gdy pozwalają na to warunki zewnętrzne. Często jest to bardziej praktyczne niż bezpośrednie wykorzystanie powietrza zewnętrznego tam, gdzie jakość powietrza jest problemem.

Kluczowe pytanie nie dotyczy wyłącznie PUE. Chłodzenie wyparne może poprawić efektywność energetyczną, ale zwiększyć Water Usage Effectiveness (WUE). W regionach z niedoborem wody nieco wyższe PUE przy znacznie niższym zużyciu wody może być bardziej odpowiedzialnym wyborem inżynierskim.

Wyższe temperatury zasilania wodą lodową w systemach chłodzenia centrów danych

Efektywność agregatów chłodniczych rośnie, gdy temperatura zasilania wodą lodową jest wyższa. Tradycyjne instalacje wody lodowej zwykle dostarczają wodę o temperaturze 6 do 8 stopni Celsjusza do jednostek CRAC lub CRAH.

Podniesienie temperatury zasilania wodą lodową do 14 do 18 stopni Celsjusza zmniejsza różnicę temperatur, którą musi utrzymywać agregat. Ogranicza to energię sprężarek i wydłuża liczbę godzin, w których dry coolers lub fluid coolers mogą odprowadzać ciepło bez mechanicznego wsparcia.

Direct liquid cooling, immersion cooling i PUE

Chłodzenie cieczą usuwa ciepło bliżej źródła. Direct liquid cooling przenosi ciepło z chipów do obiegu płynu za pomocą cold plates, natomiast immersion cooling zanurza płyty serwerowe w płynie dielektrycznym. Obie metody zmniejszają energię wentylatorów i umożliwiają wyższe temperatury zasilania czynnikiem chłodzącym.

W przypadku sztucznej inteligencji (AI) i high-density computing chłodzenie cieczą zamienia problem przepływu powietrza w problem odprowadzania ciepła, który łatwiej rozwiązać efektywnie.

Wartości PUE możliwe do osiągnięcia przy poszczególnych podejściach chłodzenia cieczą podsumowano w poniższej tabeli porównawczej. Centrum danych z immersion cooling może także zmniejszyć zapotrzebowanie na wodę procesową, jeśli unika chłodzenia wyparnego, choć uzasadnienie biznesowe zależy od gęstości szaf rack, zarządzania płynem i CapEx.

Porównanie technologii chłodzenia pod względem wpływu na PUE

Czytaj więcej: Chłodzenie powietrzem vs. chłodzenie cieczą w centrach danych: kiedy warto dokonać zmiany?

Co uniemożliwia centrum danych osiągnięcie PUE poniżej 1,2?

Większość obiektów nie osiąga PUE poniżej 1,2 z powodu ograniczeń lokalizacji, pracy przy częściowym obciążeniu i wymagań biznesowych, a nie z powodu braku dostępnej technologii. Wczesne zrozumienie tych ograniczeń pomaga uniknąć nierealistycznych celów.

Straty dystrybucji zasilania w PUE centrum danych

Transformatory, systemy UPS, power distribution units i rozdzielnice powodują straty między przyłączem energetycznym a sprzętem IT. Straty te zamieniają się w ciepło, które zwiększa obciążenie chłodnicze.

Nowoczesne wysokosprawne systemy UPS mogą ograniczyć ten problem, ale tryby pracy muszą być dobierane ostrożnie. ECO mode może poprawić efektywność, jednak niektórzy operatorzy unikają go ze względu na czas przełączenia lub wymagania dotyczące odporności.

Praca przy częściowym obciążeniu i PUE centrum danych

PUE często wygląda gorzej, gdy obciążenie IT jest niskie. Narzuty obiektowe pozostają aktywne, podczas gdy sprzęt IT wykorzystuje tylko część zainstalowanej mocy. Centrum danych pracujące na 30 procent projektowego obciążenia IT może wykazywać znacznie wyższe PUE niż ten sam obiekt przy dojrzałym poziomie obłożenia, nawet jeśli wszystkie systemy są prawidłowo zaprojektowane i eksploatowane.

Modułowe strategie budowy odpowiadają na ten problem bezpośrednio. Systemy chłodzenia i zasilania powinny skalować się wraz z obciążeniem IT, zamiast zmuszać projekt do utrzymywania zbyt dużego niewykorzystanego narzutu w fazie ramp-up.

Wymagania redundancji a Power Usage Effectiveness

Redundancja zwiększa niezawodność, ale może obniżać efektywność PUE. Architektura 2N ma większą zainstalowaną moc chłodzenia i zasilania niż system N+1, a systemy rezerwowe nadal zużywają energię przez zasilanie sterowania, cykle pomp i pracę serwisową.

Rozwiązaniem jest projektowanie systemów redundantnych, które pozostają efektywne przy częściowym obciążeniu, oraz ustalanie celów PUE odzwierciedlających wybrany poziom dostępności.

Słabe airflow containment w systemach chłodzenia centrów danych

Bypass airflow, recyrkulacja i mieszanie gorącego z zimnym powietrzem to częste powody, dla których efektywne urządzenia chłodnicze działają poniżej swoich możliwości. Ten problem często można rozwiązać taniej niż poprzez dużą wymianę instalacji, szczególnie w istniejących obiektach.

Dla wielu operatorów poprawa containment, uszczelnienie przerw i optymalizacja sterowania wentylatorami to najbardziej opłacalny pierwszy krok.

Praktyczna lista kontrolna projektowania dla poprawy PUE centrum danych

Dla zespołów dążących do PUE poniżej 1,2 te zagadnienia projektowe należy przeanalizować wcześnie, zanim kluczowe decyzje projektowe zostaną zamknięte.

Ocena lokalizacji i klimatu dla projektowania chłodzenia centrum danych

• Potwierdzić roczne profile temperatury suchego i mokrego termometru dla lokalizacji.
• Obliczyć dostępne godziny free cooling dla rozważanych temperatur zasilania wodą lodową.
• Ocenić jakość powietrza zewnętrznego pod kątem możliwości bezpośredniego chłodzenia świeżym powietrzem.
• Sprawdzić dostępność wody i lokalne ograniczenia dotyczące chłodzenia wyparnego.
• Skoordynować układ konstrukcyjny ze ścieżkami przepływu powietrza, pomieszczeniami technicznymi i urządzeniami odprowadzania ciepła.
• Zaplanować pełne hot aisle lub cold aisle containment od pierwszego dnia.
• Ograniczyć przeszklenia w obszarach IT i stosować wysokowydajne szklenie tam, gdzie jest wymagane.
• Określić izolację dachu i ścian ograniczającą zyski ciepła od słońca i przewodzenia.

Projektowanie systemów chłodzenia i zasilania centrum danych

• Dążyć do temperatur zasilania wodą lodową od 14 do 18 stopni Celsjusza tam, gdzie pozwalają na to specyfikacje sprzętu IT i projekt containment.
• Stosować płytowe wymienniki ciepła, dry coolers lub water-side economizers tam, gdzie sprzyja temu klimat.
• Rozważyć direct liquid cooling dla szaf AI lub HPC zbliżających się do limitu chłodzenia powietrzem lub go przekraczających, zwykle 20 do 30 kW na szafę dla konwencjonalnych systemów powietrznych i do 30 do 40 kW dla chłodzenia precyzyjnego in-row lub overhead.
• Ocenić single-phase immersion cooling dla trwałych gęstości szaf powyżej 40 do 60 kW oraz two-phase immersion dla ekstremalnych gęstości powyżej 80 do 100 kW.
• Zaprojektować obieg odprowadzania ciepła pod kątem ponownego wykorzystania ciepła tam, gdzie istnieją pobliscy odbiorcy lub systemy sieciowe.

Jak PUE, WUE, CUE i ERF kształtują zrównoważony rozwój

PUE jest jednym z kilku ważnych wskaźników zrównoważonego rozwoju. WUE mierzy zużycie wody na jednostkę energii IT. Carbon Usage Effectiveness (CUE) uwzględnia intensywność emisyjną dostaw energii. Energy Reuse Factor (ERF) mierzy, czy odzyskane ciepło jest wykorzystywane produktywnie. Te wskaźniki mogą działać w różnych kierunkach: chłodzenie wyparne może obniżać PUE, jednocześnie podnosząc WUE, a zamknięte chłodzenie cieczą w niektórych klimatach może zużywać nieco więcej energii elektrycznej, ale zmniejszać zużycie wody i poprawiać potencjał ponownego wykorzystania ciepła. Właściwa równowaga zależy od lokalnego miksu energetycznego, dostępności wody i tego, czy systemy sieciowe mogą wykorzystać odzyskane ciepło.

 Dyrektywa Unii Europejskiej (UE) w sprawie efektywności energetycznej oraz rozporządzenie delegowane Komisji (UE) 2024/1364 wymagają od operatorów centrów danych przejrzystego raportowania efektywności energetycznej i zużycia wody. W projektach europejskich projektowanie chłodzenia powinno więc być oceniane w szerszym zestawie wyników zrównoważonego rozwoju.

Czytaj więcej: Direct-to-Chip vs Chłodzenie Immersyjne: Który System Chłodzenia Cieczą Pasuje Do Twojego Centrum Danych?

Czy PUE poniżej 1,2 jest właściwym celem dla projektu centrum danych?

Cel powinien wynikać z analizy inżynierskiej, a nie z nagłówkowego benchmarku skopiowanego z kampusu hyperscale.

Kiedy PUE poniżej 1,2 jest realistyczne dla centrum danych

• Lokalizacja ma chłodny klimat umiarkowany z wysoką dostępnością trybu economizer.
• Wykorzystanie IT jest wysokie i stabilne w całym obiekcie.
• Szafy high-density lub chłodzone cieczą umożliwiają odprowadzanie ciepła przy użyciu ciepłej wody.
• Redundancja jest starannie zaprojektowana pod kątem efektywnej pracy przy częściowym obciążeniu.
• Straty dystrybucji zasilania są ograniczone dzięki nowoczesnej architekturze systemów.

Kiedy trudno utrzymać PUE poniżej 1,2

• Lokalizacja jest gorąca lub wilgotna, z ograniczoną liczbą godzin free cooling.
• Obiekt wymaga wysokiej redundancji, zwłaszcza architektury 2N.
• Obciążenie IT jest niskie podczas długiej fazy ramp-up.
• Obudowa budynku generuje wysokie zyski ciepła lub ma słabą dyscyplinę przepływu powietrza.
• Dla wysokich gęstości szaf wymagających niskich temperatur nawiewu stosowane jest wyłącznie chłodzenie powietrzem.

Kiedy hybrydowe projektowanie chłodzenia centrum danych zamyka lukę PUE

Niektóre projekty mogą nie osiągnąć PUE poniżej 1,2 w całym obiekcie, ale mogą osiągnąć ten poziom w wybranych strefach high-density. Chłodzony cieczą AI compute pod może pracować z dużo niższym PUE niż obszar ogólnego przeznaczenia na tym samym kampusie, poprawiając efektywność tam, gdzie obciążenie cieplne uzasadnia inwestycję, bez angażowania niepotrzebnego CapEx w obszarach o niższej gęstości.

Wnioski

PUE poniżej 1,2 jest osiągalne, ale nie jest specyfikacją produktu. To wynik spójnych decyzji dotyczących wyboru lokalizacji, fizyki budynku i projektowania chłodzenia. gbc engineers ma nadzieję, że ten artykuł wyjaśnił decyzje inżynierskie stojące za realistycznym celem PUE.

Najważniejszym krokiem jest wczesna ocena potencjału PUE z wykorzystaniem rzeczywistych danych klimatycznych, realistycznych profili obciążenia i dokładnych krzywych efektywności systemów. Jeśli zespół analizuje system chłodzenia centrum danych, cel PUE lub strategię efektywności energetycznej, gbc engineers może wesprzeć tę ocenę.

Najczęściej zadawane pytania

Czy centrum danych może osiągnąć PUE poniżej 1,1?

Tak, ale zwykle dotyczy to dużych obiektów hyperscale w sprzyjającym klimacie, wykorzystujących air-side economization lub zaawansowane chłodzenie cieczą przy wysokim wykorzystaniu IT. Google, Meta i Microsoft publikowały roczne wartości PUE poniżej 1,1 dla niektórych swoich kampusów w Europie Północnej. Dla większości obiektów enterprise i colocation trwałe PUE poniżej 1,1 jest trudne do osiągnięcia ze względu na typowe wymagania redundancji i warunki klimatyczne.

Jak chłodzenie cieczą poprawia PUE?

Chłodzenie cieczą usuwa ciepło bliżej źródła, co zmniejsza energię wentylatorów i umożliwia wyższe temperatury czynnika chłodzącego. Zwiększa to dostępność pracy w trybie economizer i może wspierać niższe wartości PUE, szczególnie w środowiskach high-density AI i HPC. Systemy direct-to-chip mogą umożliwiać odprowadzanie ciepła przy 30 do 45 stopniach Celsjusza, natomiast immersion cooling może ograniczyć lub wyeliminować energię wentylatorów serwerowych w gęstych konfiguracjach.

Czy redundancja wpływa na PUE?

Tak, znacząco. Projekt 2N skutkuje wyższym zmierzonym PUE niż projekt N+1, ponieważ systemy rezerwowe zużywają energię sterowania, przechodzą cykle konserwacyjne i dodają obciążenie cieplne. Cele PUE zawsze powinny uwzględniać wybrany poziom redundancji.

Jaką rolę odgrywa klimat w osiąganiu niskiego PUE?

Klimat określa, jak często obiekt może korzystać z air-side lub water-side free cooling. W Europie Północnej air-side economization może działać przez 7 000 lub więcej godzin rocznie. W klimacie tropikalnym to samo podejście może zapewniać jedynie kilkaset użytecznych godzin rocznie.

Jaki jest realistyczny cel PUE dla nowego centrum danych w klimacie umiarkowanym?

Dla nowego centrum danych w umiarkowanym klimacie europejskim, z pełnym containment, nowoczesną wysokosprawną dystrybucją zasilania i dobrze zaprojektowaną strategią water-side economizer, trwała roczna średnia PUE na poziomie 1,15 do 1,25 jest osiągalna. Wartości poniżej 1,15 są możliwe, gdy direct liquid cooling stosuje się w strefach high-density, a obieg odprowadzania ciepła jest zaprojektowany dla pracy economizer-first.

 

O nas gbc engineers to międzynarodowe biuro inżynierskie z oddziałami w Niemczech, Polsce i Wietnamie, które zrealizowało ponad 10 000 projektów na całym świecie. Świadczymy usługi w zakresie inżynierii konstrukcyjnej, projektowania centrów danych, inżynierii infrastruktury i mostów, BIM & Scan-to-BIM oraz zarządzania budową. Łącząc niemiecką jakość inżynieryjną z międzynarodowym doświadczeniem, dostarczamy klientom zrównoważone, bezpieczne i efektywne rozwiązania.