摘要：數據中心冷卻設計的主要目標一直是通過冗余實現備份的可靠性。最重要的是，冷卻設備必須維持關鍵環境條件下的精確的溫度和濕度——不管其是如何通過現有的冷卻系統策略來實現的。
數據中心冷卻設計的主要目標一直是通過冗余實現備份的可靠性。最重要的是，冷卻設備必須維持關鍵環境條件下的精確的溫度和濕度——不管其是如何通過現有的冷卻系統策略來實現的。這導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(計算機房空調)更加明顯的了，該CRAC單元繼續采用控制策略，其中冷卻、加濕和再熱系統彼此斗爭，以維持關鍵的環境條件，而不考慮這樣做所消耗的能量的量。當在CRAC單元的部分負載操作下供應全部氣流時，浪費了更多的能量。即使內置了電子換向EC風扇技術，風扇通常在旁路或手動模式下全速運行。盡管這些能源效率低下，但是在過去二十年中已經可靠且令人滿意地工作的冷卻設備和控制策略在當今的新的數據中心設計中仍然還在繼續使用。而隨著數據中心節能減排號召的推動，上述這一局面將不得不改變，并將通過相應的立法授權。
而相關的立法授權所帶來的結果是，我們有望可以看到趨向于更節能的數據中心基礎設施，其主要目標是減少與能源使用相關的運營成本。而隨著碳排放配額和碳排放交易系統在奧巴馬任職總統期間成為現實，減少數據中心的碳足跡將成為一個額外的目標。冷卻系統提供最大的潛力以實現顯著的能源節省，原因有兩個：1、已被證明的節能冷卻水冷卻系統技術，其使用變速裝置和優化控制已經存在;2、冷卻系統占數據中心總電力消耗和碳足跡的50%以上。隨著技術和處理能力的不斷提高，熱負荷密度迅速提高 - 每年約25%至30%的冷水冷卻系統提供了最有效的運輸和傳熱方法。當冷卻水冷卻系統中的所有旋轉裝置(包括冷卻器，泵和風扇)利用可變速度和集成控制策略時，實現了前所未有的節能效果。
在本文中，我們將與廣大讀者諸君共同探討關于超高效數據中心冷凍水系統設計和控制集成背后的概念，在當今最佳的變速冷凍水系統中，其將節約40%至60%的能源。通過使用不同的系統設計方法和使用基于功率的關系控制的更直接的控制策略，可以對可變速度組件進行排序和操作，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、可擴展性，減少維護并大大延長了冷卻水冷卻系統的使用壽命。而為了更好的了解超高效數據中心冷凍水冷卻系統的概念，我們需要了解當前設計實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揮其利用的可能性。
系統的設計與選擇
數據中心冷凍水系統的設計可以采用模塊化方法來逐步建立，以便逐級匹配數據中心的構建，或者可以從數據中心在完全利用時將看到的全負載狀況開始設計。無論采用何種方法，冷凍水系統都將需要是超大規模尺寸的，以便面向未來的業務需求，并考慮到技術的快速進步，正是這些因素才導致了數據中心設備熱負荷密度的增加。這些增加的熱負載密度導致數據中心處理和存儲設備的更短的使用壽命周期，隨后需要設備每隔三至五年進行升級，以便得以能夠利用具有更多處理能力和存儲容量的現有數據中心運營空間。然而，冷卻系統的使用壽命將超過二十年，因此其必須設計成在其使用壽命期間能夠適應這些設備的變化。當數據中心冷卻系統被適當地控制，并且部件被選擇為彼此協調地作為集成系統的一部分時，電氣和機械子系統的功能壽命可以額外增加20%至30%。
由于數據中心的冷卻系統將需要在一個更大的操作設計環境中，并且是操作變化的工作負載，所以在部分的工作負載操作下將主要需要可靠性和效率。而滿足不斷變化的數據中心冷卻和關鍵負載需求的最有效的方法是利用所有的變速組件——冷水機組、水泵和風機，并采用一套專用于變速裝置的獨特的操作特性的控制策略。沒有例外，因為恒速設備器件不能解決諸如數據中心冷卻的一款變化的應用程序方面的挑戰。
冷卻機組和其他子系統，包括管道和CRAC單元，其規模尺寸大小必須確定能夠滿足當前和未來的冷卻需求。由于數據中心的冷卻系統將大部分的運行時間用于部分工作負載，因此設備的選擇應基于部分負載的效率。變速冷水機比恒速冷水機具有更高的部分負載效率。這是因為恒速冷水機僅在滿負荷時達到其最高效率，而在低于100%的滿負荷下運行時保持相對穩定。因此，數據中心冷卻的恒速冷水機是基于滿負載的效率選擇，即使他們將大部分時間用于部分負載運行。故而任何控制策略都被迫運行恒速冷水機和所有相關設備(包括冷凍水泵、冷凝水泵和冷卻塔風機)，這些設備通常與冷水機排序，同樣是滿負載。這意味著在多冷卻器冷卻系統中，最常用的控制策略是基于容量的排序。這種廣泛使用的測序方法使用開/關循環，以確保冷卻器首先以滿負荷能力運行——它們最高效的運行水平——隨著負載的增加而打開下一個冷卻器。這種基于容量的開/關分階段的排序具有許多負面的影響。設備壽命和能源效率是這些負面影響中的其中之二。
設備的壽命由于用于分階段設備的開/關循環而縮短，以匹配冷卻系統輸出容量與數據中心的需求。每次電動機啟動時由于浪涌電流產生的大量壓力，造成當每次電動機啟動時電動機使用壽命會縮短。由于將電動機從怠速提升到全速所需的高扭矩，而該沖擊電流可以高達電動機的滿載電流的10倍。相比之下，變頻驅動器具有軟啟動的能力，可以逐漸將電機提升到所需的運行速度。這減少了電機上的電氣和電機械應力作用，并且可以降低維護和修理成本，同時延長了電機的使用壽命。
在部分負載操作期間，當數據中心將花費大部分操作時間用于恒定速度裝置以全速運行時，不能實現能源效率。當使用恒定速度設備代替變速時，使用機械流量控制來限制流量以卸載設備，并減少輸出容量，從而滿足部分負載操作運行期間的需求。機械流量控制包括：
· 關閉進氣葉片以限制壓縮機中的流量，
· 關閉閥門的泵，
· 風扇關閉阻尼器，
· 重置靜態和壓差。
這些解決方案在今天仍然廣泛使用，在部分負荷運行狀況下卸下恒速裝置的全面運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/關分級的基于容量的排序。變速提供最有效、可靠的節能解決方案，以便在更廣泛的操作設計范圍內有效地響應和操作，進而匹配數據中心中不斷變化的熱負荷。需要專門針對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。在變速冷卻系統中，所有旋轉裝置的速度將隨著負載的增加而增加，并隨著負載的減小而減小(與使用機械流控制來減少輸出相比，在部分負載期間以全速運行的恒定速度裝置 )。 當將一款變頻驅動器(VFD)添加到壓縮機、泵或風扇以提高部分負載效率時，由于泵風扇法則，其所帶來的節能潛力是巨大的，其狀態是：功率與轉速的立方(pαn3)成比例。
· 與轉速成比例的流量 QαN
· 與轉速平方成正比(壓力)HαN2
· 與轉速的立方成比例的功率 PαN3
如果一款旋轉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%。只有當沿著自然曲線的壓力和轉速之間的泵風扇法則關系保持在速度下降時，該效率才是可能的。流量減少50%將等于(.52)或壓力減少25%。
為了讓這些設備裝置能夠在最高效率下操作運作，他們需要具備在所有負載條件下保持流量和壓力之間關系的自由度，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。傳統的控制方法將保持泵供應和回流集管上的一個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設定點，并且將不具有沿其自然曲線或最佳點操作的自由度。 理想情況下，壓差傳感器應放置在更關鍵的CRAC單元處，此處的壓力更為重要，使泵保持跟進，而保持流量和壓力之間理想的關系是不同的速度、流量和壓力。
圖1、泵運行的自然曲線
自然曲線排序將使可變速冷水機的順序在所有負載條件下沿著它們的自然曲線操作。對于特定冷凍水供應的冷凍器負載曲線和進入冷凝器水溫的理想點，冷凍器將以其最佳效率操作。通過針對特定供應冷卻水溫度針對四個進入冷凝器水溫找到這些理想點來開發冷卻器的自然曲線。該點將是四個冷凝器水溫曲線中的每一個上的最低點(最低kW / ton)。然后通過繪制與四個點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。在所有運行情況下，冷卻器只沿其自然曲線運行，確保了在所有負載下的最佳效率。
圖2、冷凍機運行的自然曲線
據稱，只有以下條件均滿足時，數據中心的冷卻系統才能實現峰值效率：1、當使用變速裝置時;2、并且冷卻系統服務能夠響應數據中心的熱負載，以便控制所有子系統的優化。當變速冷水機、泵和冷卻塔風扇的運行與使用EC風扇技術的冷凍水壓縮機單元的運行協調一致時，冷卻系統的效率會得到顯著提高。當今的數據中心冷卻水冷卻系統作為四個子系統操作，每個具有其各自獨立的比例 - 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，
4、冷卻塔風扇。
這四個子系統中的每一個都獨立地有效運行。然而，這種相同的獨立性意味著，他們作為一個整體則不能以最高效率運行，因為子系統不是彼此協調工作的。將這四個子系統與基于網絡的關系控制集成，可實現所有組件的完全優化，并使其作為一個功能單元。
PID控制已經存在了幾十年了，其是簡單的線性過程的一個非常簡單的通用控制。PID反饋控制回路能夠有效地控制單個裝置，控制單個控制回路上的單個變量，例如壓力或溫度。任何具有變化條件的過程對于PID控制來說都太復雜了。PID控制作為網絡的一部分，其正在通信和控制多個可變設備，并不具有連續適應在HVAC應用程序中遇到的變化負載的靈活性。相反，需要不同的控制方法來改善冷凍水設備的性能。
基于功率的速度控制和基于功率的排序用于實現數據中心冷凍水冷卻系統的超高效優化。基于功率的速度控制使用一種稱為等邊際性能指標的控制方法來計算和確定冷卻器，冷凝器泵和塔式風扇之間的最佳功率關系。這種控制方法在三個子系統之間減輕負載和效率，以實現最佳的凈系統效率。基于功率的排序取代了在全速下運行器件的傳統的，低效率的基于容量的排序，然后下一個器件被排序或者匹配變化的數據中心負載。基于功率的排序將使部件在其部分負載操作期間沿著其自然曲線以峰值效率運行。通過確定最佳凈系統效率和在彼此相關的系統組件之間折衷功率效率來滿足操作負載。這種折衷可以在較低速度下操作更多數量的設備以利用相關法律。這導致大量的功率節省并且通過在50%的功率水平操作兩個設備或在33%的功率水平操作三個設備，進而產生更大的熱傳遞面積。這與常規的基于容量的排序形成對比，當負載通常由以100%全速運行的一個設備滿足時，這消耗了不必要的更多的功率。
結論
目前的技術大大提高了數據中心的效率，減少了碳足跡，同時提高了性能、可靠性、冗余性、可擴展性，減少了維護，大大延長了冷凍水冷卻系統的使用壽命。通過采用一種新的和不同的方法——變頻驅動技術與控制策略的集成，利用變速裝置的獨特特性來操作和排序相互關聯的這些裝置，除了為數據中心冷卻提供了整體優越的性能和可靠性之外，還提供了無與倫比的節能機會。目前可用的全部優勢尚未真正得到充分利用，而一旦將數據中心冷凍水系統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60%。
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