摘要：數(shù)據(jù)中心冷卻設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)一直是通過冗余實(shí)現(xiàn)備份的可靠性。最重要的是，冷卻設(shè)備必須維持關(guān)鍵環(huán)境條件下的精確的溫度和濕度——不管其是如何通過現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)策略來實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)據(jù)中心冷卻設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)一直是通過冗余實(shí)現(xiàn)備份的可靠性。最重要的是，冷卻設(shè)備必須維持關(guān)鍵環(huán)境條件下的精確的溫度和濕度——不管其是如何通過現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)策略來實(shí)現(xiàn)的。這導(dǎo)致了不必要的能源消耗使用。在這方面，沒有任何其他地方要比CRAC(計(jì)算機(jī)房空調(diào))更加明顯的了，該CRAC單元繼續(xù)采用控制策略，其中冷卻、加濕和再熱系統(tǒng)彼此斗爭(zhēng)，以維持關(guān)鍵的環(huán)境條件，而不考慮這樣做所消耗的能量的量。當(dāng)在CRAC單元的部分負(fù)載操作下供應(yīng)全部氣流時(shí)，浪費(fèi)了更多的能量。即使內(nèi)置了電子換向EC風(fēng)扇技術(shù)，風(fēng)扇通常在旁路或手動(dòng)模式下全速運(yùn)行。盡管這些能源效率低下，但是在過去二十年中已經(jīng)可靠且令人滿意地工作的冷卻設(shè)備和控制策略在當(dāng)今的新的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中仍然還在繼續(xù)使用。而隨著數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排號(hào)召的推動(dòng)，上述這一局面將不得不改變，并將通過相應(yīng)的立法授權(quán)。

而相關(guān)的立法授權(quán)所帶來的結(jié)果是，我們有望可以看到趨向于更節(jié)能的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，其主要目標(biāo)是減少與能源使用相關(guān)的運(yùn)營(yíng)成本。而隨著碳排放配額和碳排放交易系統(tǒng)在奧巴馬任職總統(tǒng)期間成為現(xiàn)實(shí)，減少數(shù)據(jù)中心的碳足跡將成為一個(gè)額外的目標(biāo)。冷卻系統(tǒng)提供最大的潛力以實(shí)現(xiàn)顯著的能源節(jié)省，原因有兩個(gè)：1、已被證明的節(jié)能冷卻水冷卻系統(tǒng)技術(shù)，其使用變速裝置和優(yōu)化控制已經(jīng)存在;2、冷卻系統(tǒng)占數(shù)據(jù)中心總電力消耗和碳足跡的50%以上。隨著技術(shù)和處理能力的不斷提高，熱負(fù)荷密度迅速提高 - 每年約25%至30%的冷水冷卻系統(tǒng)提供了最有效的運(yùn)輸和傳熱方法。當(dāng)冷卻水冷卻系統(tǒng)中的所有旋轉(zhuǎn)裝置(包括冷卻器，泵和風(fēng)扇)利用可變速度和集成控制策略時(shí)，實(shí)現(xiàn)了前所未有的節(jié)能效果。

在本文中，我們將與廣大讀者諸君共同探討關(guān)于超高效數(shù)據(jù)中心冷凍水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制集成背后的概念，在當(dāng)今最佳的變速冷凍水系統(tǒng)中，其將節(jié)約40%至60%的能源。通過使用不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和使用基于功率的關(guān)系控制的更直接的控制策略，可以對(duì)可變速度組件進(jìn)行排序和操作，不僅大大減少能量使用，而且還有助于改善性能、可靠性、冗余、可擴(kuò)展性，減少維護(hù)并大大延長(zhǎng)了冷卻水冷卻系統(tǒng)的使用壽命。而為了更好的了解超高效數(shù)據(jù)中心冷凍水冷卻系統(tǒng)的概念，我們需要了解當(dāng)前設(shè)計(jì)實(shí)踐方案和控制策略所欠缺的方面，以便我們可以完全最大限度地發(fā)揮其利用的可能性。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選擇

數(shù)據(jù)中心冷凍水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以采用模塊化方法來逐步建立，以便逐級(jí)匹配數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建，或者可以從數(shù)據(jù)中心在完全利用時(shí)將看到的全負(fù)載狀況開始設(shè)計(jì)。無論采用何種方法，冷凍水系統(tǒng)都將需要是超大規(guī)模尺寸的，以便面向未來的業(yè)務(wù)需求，并考慮到技術(shù)的快速進(jìn)步，正是這些因素才導(dǎo)致了數(shù)據(jù)中心設(shè)備熱負(fù)荷密度的增加。這些增加的熱負(fù)載密度導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心處理和存儲(chǔ)設(shè)備的更短的使用壽命周期，隨后需要設(shè)備每隔三至五年進(jìn)行升級(jí)，以便得以能夠利用具有更多處理能力和存儲(chǔ)容量的現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)空間。然而，冷卻系統(tǒng)的使用壽命將超過二十年，因此其必須設(shè)計(jì)成在其使用壽命期間能夠適應(yīng)這些設(shè)備的變化。當(dāng)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)被適當(dāng)?shù)乜刂疲⑶也考贿x擇為彼此協(xié)調(diào)地作為集成系統(tǒng)的一部分時(shí)，電氣和機(jī)械子系統(tǒng)的功能壽命可以額外增加20%至30%。

由于數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)將需要在一個(gè)更大的操作設(shè)計(jì)環(huán)境中，并且是操作變化的工作負(fù)載，所以在部分的工作負(fù)載操作下將主要需要可靠性和效率。而滿足不斷變化的數(shù)據(jù)中心冷卻和關(guān)鍵負(fù)載需求的最有效的方法是利用所有的變速組件——冷水機(jī)組、水泵和風(fēng)機(jī)，并采用一套專用于變速裝置的獨(dú)特的操作特性的控制策略。沒有例外，因?yàn)楹闼僭O(shè)備器件不能解決諸如數(shù)據(jù)中心冷卻的一款變化的應(yīng)用程序方面的挑戰(zhàn)。

冷卻機(jī)組和其他子系統(tǒng)，包括管道和CRAC單元，其規(guī)模尺寸大小必須確定能夠滿足當(dāng)前和未來的冷卻需求。由于數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)將大部分的運(yùn)行時(shí)間用于部分工作負(fù)載，因此設(shè)備的選擇應(yīng)基于部分負(fù)載的效率。變速冷水機(jī)比恒速冷水機(jī)具有更高的部分負(fù)載效率。這是因?yàn)楹闼倮渌畽C(jī)僅在滿負(fù)荷時(shí)達(dá)到其最高效率，而在低于100%的滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)保持相對(duì)穩(wěn)定。因此，數(shù)據(jù)中心冷卻的恒速冷水機(jī)是基于滿負(fù)載的效率選擇，即使他們將大部分時(shí)間用于部分負(fù)載運(yùn)行。故而任何控制策略都被迫運(yùn)行恒速冷水機(jī)和所有相關(guān)設(shè)備(包括冷凍水泵、冷凝水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī))，這些設(shè)備通常與冷水機(jī)排序，同樣是滿負(fù)載。這意味著在多冷卻器冷卻系統(tǒng)中，最常用的控制策略是基于容量的排序。這種廣泛使用的測(cè)序方法使用開/關(guān)循環(huán)，以確保冷卻器首先以滿負(fù)荷能力運(yùn)行——它們最高效的運(yùn)行水平——隨著負(fù)載的增加而打開下一個(gè)冷卻器。這種基于容量的開/關(guān)分階段的排序具有許多負(fù)面的影響。設(shè)備壽命和能源效率是這些負(fù)面影響中的其中之二。

設(shè)備的壽命由于用于分階段設(shè)備的開/關(guān)循環(huán)而縮短，以匹配冷卻系統(tǒng)輸出容量與數(shù)據(jù)中心的需求。每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)由于浪涌電流產(chǎn)生的大量壓力，造成當(dāng)每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)使用壽命會(huì)縮短。由于將電動(dòng)機(jī)從怠速提升到全速所需的高扭矩，而該沖擊電流可以高達(dá)電動(dòng)機(jī)的滿載電流的10倍。相比之下，變頻驅(qū)動(dòng)器具有軟啟動(dòng)的能力，可以逐漸將電機(jī)提升到所需的運(yùn)行速度。這減少了電機(jī)上的電氣和電機(jī)械應(yīng)力作用，并且可以降低維護(hù)和修理成本，同時(shí)延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

在部分負(fù)載操作期間，當(dāng)數(shù)據(jù)中心將花費(fèi)大部分操作時(shí)間用于恒定速度裝置以全速運(yùn)行時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)能源效率。當(dāng)使用恒定速度設(shè)備代替變速時(shí)，使用機(jī)械流量控制來限制流量以卸載設(shè)備，并減少輸出容量，從而滿足部分負(fù)載操作運(yùn)行期間的需求。機(jī)械流量控制包括：

• 關(guān)閉進(jìn)氣葉片以限制壓縮機(jī)中的流量，
• 關(guān)閉閥門的泵，
• 風(fēng)扇關(guān)閉阻尼器，
• 重置靜態(tài)和壓差。

這些解決方案在今天仍然廣泛使用，在部分負(fù)荷運(yùn)行狀況下卸下恒速裝置的全面運(yùn)行速度可以被比作駕駛一輛汽車一腳踩油門，而另一只腳踩剎車踏板，以控制汽車的速度——但這不是一個(gè)非常有效的控制策略。

集成整合的控制策略

需要一種新的集成整合的控制方法來替代開/關(guān)分級(jí)的基于容量的排序。變速提供最有效、可靠的節(jié)能解決方案，以便在更廣泛的操作設(shè)計(jì)范圍內(nèi)有效地響應(yīng)和操作，進(jìn)而匹配數(shù)據(jù)中心中不斷變化的熱負(fù)荷。需要專門針對(duì)變速裝置的操作特性的控制策略來利用所有提供的可變速度裝置。在變速冷卻系統(tǒng)中，所有旋轉(zhuǎn)裝置的速度將隨著負(fù)載的增加而增加，并隨著負(fù)載的減小而減小(與使用機(jī)械流控制來減少輸出相比，在部分負(fù)載期間以全速運(yùn)行的恒定速度裝置 )。 當(dāng)將一款變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)添加到壓縮機(jī)、泵或風(fēng)扇以提高部分負(fù)載效率時(shí)，由于泵風(fēng)扇法則，其所帶來的節(jié)能潛力是巨大的，其狀態(tài)是：功率與轉(zhuǎn)速的立方(pαn3)成比例。

• 與轉(zhuǎn)速成比例的流量 QαN
• 與轉(zhuǎn)速平方成正比(壓力)HαN2
• 與轉(zhuǎn)速的立方成比例的功率 PαN3

如果一款旋轉(zhuǎn)裝置允許沿其自然曲線操作的靈活性，則50%的流量減少就相當(dāng)于(.53)或12.5%銘牌功率。這將等同于操作效率增加了50%/ 12.5%= 400%。只有當(dāng)沿著自然曲線的壓力和轉(zhuǎn)速之間的泵風(fēng)扇法則關(guān)系保持在速度下降時(shí)，該效率才是可能的。流量減少50%將等于(.52)或壓力減少25%。

為了讓這些設(shè)備裝置能夠在最高效率下操作運(yùn)作，他們需要具備在所有負(fù)載條件下保持流量和壓力之間關(guān)系的自由度，并允許沿著它們的理想操作曲線操作，如下圖1所示的自然曲線的泵操作。傳統(tǒng)的控制方法將保持泵供應(yīng)和回流集管上的一個(gè)固定的或最小的壓差(DP)。泵將沿著固定的差壓曲線操作，如圖1所示。這意味著泵將需要更多的功率，以維持DP設(shè)定點(diǎn)，并且將不具有沿其自然曲線或最佳點(diǎn)操作的自由度。 理想情況下，壓差傳感器應(yīng)放置在更關(guān)鍵的CRAC單元處，此處的壓力更為重要，使泵保持跟進(jìn)，而保持流量和壓力之間理想的關(guān)系是不同的速度、流量和壓力。

自然曲線排序?qū)⑹箍勺兯倮渌畽C(jī)的順序在所有負(fù)載條件下沿著它們的自然曲線操作。對(duì)于特定冷凍水供應(yīng)的冷凍器負(fù)載曲線和進(jìn)入冷凝器水溫的理想點(diǎn)，冷凍器將以其最佳效率操作。通過針對(duì)特定供應(yīng)冷卻水溫度針對(duì)四個(gè)進(jìn)入冷凝器水溫找到這些理想點(diǎn)來開發(fā)冷卻器的自然曲線。該點(diǎn)將是四個(gè)冷凝器水溫曲線中的每一個(gè)上的最低點(diǎn)(最低kW / ton)。然后通過繪制與四個(gè)點(diǎn)相交的線來形成自然曲線，如下圖2所示的冷凍器操作的自然曲線。在所有運(yùn)行情況下，冷卻器只沿其自然曲線運(yùn)行，確保了在所有負(fù)載下的最佳效率。

據(jù)稱，只有以下條件均滿足時(shí)，數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)峰值效率：1、當(dāng)使用變速裝置時(shí);2、并且冷卻系統(tǒng)服務(wù)能夠響應(yīng)數(shù)據(jù)中心的熱負(fù)載，以便控制所有子系統(tǒng)的優(yōu)化。當(dāng)變速冷水機(jī)、泵和冷卻塔風(fēng)扇的運(yùn)行與使用EC風(fēng)扇技術(shù)的冷凍水壓縮機(jī)單元的運(yùn)行協(xié)調(diào)一致時(shí)，冷卻系統(tǒng)的效率會(huì)得到顯著提高。當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心冷卻水冷卻系統(tǒng)作為四個(gè)子系統(tǒng)操作，每個(gè)具有其各自獨(dú)立的比例 - 積分 - 微分(PID)反饋回路：

1. CRAC單元，
2. 冷卻器，
3. 冷凝器配水系統(tǒng)，
4. 冷卻塔風(fēng)扇。

這四個(gè)子系統(tǒng)中的每一個(gè)都獨(dú)立地有效運(yùn)行。然而，這種相同的獨(dú)立性意味著，他們作為一個(gè)整體則不能以最高效率運(yùn)行，因?yàn)樽酉到y(tǒng)不是彼此協(xié)調(diào)工作的。將這四個(gè)子系統(tǒng)與基于網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系控制集成，可實(shí)現(xiàn)所有組件的完全優(yōu)化，并使其作為一個(gè)功能單元。

PID控制已經(jīng)存在了幾十年了，其是簡(jiǎn)單的線性過程的一個(gè)非常簡(jiǎn)單的通用控制。PID反饋控制回路能夠有效地控制單個(gè)裝置，控制單個(gè)控制回路上的單個(gè)變量，例如壓力或溫度。任何具有變化條件的過程對(duì)于PID控制來說都太復(fù)雜了。PID控制作為網(wǎng)絡(luò)的一部分，其正在通信和控制多個(gè)可變?cè)O(shè)備，并不具有連續(xù)適應(yīng)在HVAC應(yīng)用程序中遇到的變化負(fù)載的靈活性。相反，需要不同的控制方法來改善冷凍水設(shè)備的性能。

基于功率的速度控制和基于功率的排序用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心冷凍水冷卻系統(tǒng)的超高效優(yōu)化?；诠β实乃俣瓤刂剖褂靡环N稱為等邊際性能指標(biāo)的控制方法來計(jì)算和確定冷卻器，冷凝器泵和塔式風(fēng)扇之間的最佳功率關(guān)系。這種控制方法在三個(gè)子系統(tǒng)之間減輕負(fù)載和效率，以實(shí)現(xiàn)最佳的凈系統(tǒng)效率。基于功率的排序取代了在全速下運(yùn)行器件的傳統(tǒng)的，低效率的基于容量的排序，然后下一個(gè)器件被排序或者匹配變化的數(shù)據(jù)中心負(fù)載?；诠β实呐判?qū)⑹共考谄洳糠重?fù)載操作期間沿著其自然曲線以峰值效率運(yùn)行。通過確定最佳凈系統(tǒng)效率和在彼此相關(guān)的系統(tǒng)組件之間折衷功率效率來滿足操作負(fù)載。這種折衷可以在較低速度下操作更多數(shù)量的設(shè)備以利用相關(guān)法律。這導(dǎo)致大量的功率節(jié)省并且通過在50%的功率水平操作兩個(gè)設(shè)備或在33%的功率水平操作三個(gè)設(shè)備，進(jìn)而產(chǎn)生更大的熱傳遞面積。這與常規(guī)的基于容量的排序形成對(duì)比，當(dāng)負(fù)載通常由以100%全速運(yùn)行的一個(gè)設(shè)備滿足時(shí)，這消耗了不必要的更多的功率。

結(jié)論

目前的技術(shù)大大提高了數(shù)據(jù)中心的效率，減少了碳足跡，同時(shí)提高了性能、可靠性、冗余性、可擴(kuò)展性，減少了維護(hù)，大大延長(zhǎng)了冷凍水冷卻系統(tǒng)的使用壽命。通過采用一種新的和不同的方法——變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)與控制策略的集成，利用變速裝置的獨(dú)特特性來操作和排序相互關(guān)聯(lián)的這些裝置，除了為數(shù)據(jù)中心冷卻提供了整體優(yōu)越的性能和可靠性之外，還提供了無與倫比的節(jié)能機(jī)會(huì)。目前可用的全部?jī)?yōu)勢(shì)尚未真正得到充分利用，而一旦將數(shù)據(jù)中心冷凍水系統(tǒng)效率全面最大化到超高效能水平，目前的能源使用量可減少高達(dá)60%。