在規劃模塊化數據中心設計時，工程師們應關注于諸如系統效率和操作特性等屬性。而參考本文，將為廣大讀者：提供與數據中心和其他復雜的電力和冷卻基礎設施的關鍵設施類型的模塊化相關主題的深層次理解。提出關于一系列模塊化設計方法的財務和運營結果方面的論點，包括了從應用程序最小化到具有多級冗余的高度模塊化設計。
在設計數據中心的電源和冷卻系統的過程中，必須有一個已知的基本負載，使之成為工作的起點。這是所需的最小容量。從該起點出發，以作出關于必須內置多少額外容量能力的決策。這類容量能力可用于未來的業務增長，或者預留給發生故障時。(通常，該預留儲備容量已經建立在基本負載中)。當工程師在每個模塊中建立冗余時，創建模塊化的策略變得更加復雜。
在本文中，我們將仔細研究關于建立電源和冷卻系統中的基本負載、額外容量和冗余的不同參數。盡管本文的重點是關于冷卻系統的數據中心模塊化，但相同的基本概念同樣也適用于電氣設備和配電系統。分析冷卻和電力系統的模塊化共同推薦的方法，往往會產生協同效應。
什么是模塊化規劃?
在規劃一款模塊化基礎設施(如數據中心)時，有三大主要問題需要解決：
用于功率和冷卻中央設備規模尺寸大小的基本負載是多少(分別用千安培，或千伏安和噸表示)?在建筑的初始階段，如果使用一個電源和冷卻模塊，則被認為是一個“N”系統，該模塊的容量能力等于基本負載。
在基本負載的情況下，中央設備用作構建塊的N是多少?例如，如果基礎冷卻負荷為500噸，并且使用兩臺冷卻器而沒有冗余，則N為250噸。如果需要并行維護級別，則可以使用“N + 1”配置。在這種情況下，N仍然是250噸，但現在有三臺冷卻器了。在這種冷卻情況下，設計的容量能力將超過250噸。
我們如何規劃未來的模塊?如果功率和冷卻 負載的增長被確定為線性的和可預測的(這是罕見的情況)，則一天的模塊將被復制，并用于未來的增長。然而，當增長不可預測或模塊設計由于負載或儲備容量需求的變化而必須改變時，則必須有一套相應的戰略來解決這些問題。這便是在模塊內使用模塊方法發揮其用武之地的地方了。
模塊內的模塊方法
每個模塊都將具有多款功率和冷卻 裝置，其規模尺寸設置成各種配置，以至少能夠滿足為一天的負載提供服務。這可以在沒有備用容量的情況下完成，到達系統的所有方式都是容錯，例如2N、2(N + 1)、2(N + 2)等。因此，系統的增長對整體模塊會產生直接的影響。例如，如果每個模塊將服務于設施內的一個區域，而沒有與其他模塊的任何互連，則模塊化的方法將保持純粹，并且該設施將被設計并構造為具有相等大小的構建塊。雖然這種方法非常干凈和易于理解，但其并沒有利用機會存在的優勢：共享儲備容量，同時保持所需的可靠性水平。
如果長期戰略包括數據中心的互連模塊隨著設施的增長而增長，那么毫無疑問，將有機會減少支出，包括與能源消耗和維護成本相關的資本支出和持續的運營成本。互連戰略使得設計看起來更像傳統的中央設備，而不像模塊化的方法。盡管這是真的，但是如果在一個模塊中存在某種類型的災難性故障(例如火災)，則模塊可以被設計為適應負載。這就是模塊化的方法可以成為實現高水平正常運行時間的一個組成部分的原因所在了。使模塊化實現物理分離將允許關閉處于故障模式的一個模塊;其他模塊將承擔由故障模塊卸下的容量。
使用互連的方法可以在構建更多模塊時減少電力和冷卻設備的數量，僅僅因為安裝了更多的N規模的模塊(參見圖1至圖4)。安裝具有共同容量和儲備容量的模塊將為設施提供更大的功率和冷卻 能力。
如果對于基礎設施中未來的冷卻負荷的存在不確定性，則可以在一天安裝電力和冷卻設備，但這種方法偏離了模塊化數據中心的基本設計原則。雖然這種方法肯定能夠提供一個大的“緩沖”，但其所帶來的財務支出是相當大的，設備可能會在極低的工作負載運行一段時間。
設備容量，維護和物理規模尺寸
在分析實施模塊化解決方案的可行性時，要理解的參數之一是N的大小以及其將如何影響到數據中心運營的長期成本和靈活性。為了證明這一點，我們不妨考慮一處基礎載荷為1,000噸的數據中心基礎設施。該模塊可以設計成N為1000噸。這種方法幾乎不提供儲備容量或最大限度地為IT系統減少超出范圍的溫度和濕度風險的能力。在這一N配置中，一款主要的HVAC設備將使整個冷卻系統癱瘓而不能工作(除非在測試或維護期間激活臨時的冷卻器，泵等)。
另一方面，是由許多較小的設備所組成的設備布局。使用這種方法肯定會導致一個高度模塊化的設計，但這是有代價的：所有的設備必須安裝，每個部件都需要電氣連接(加上配電功率分布、斷開、啟動器，等等)、測試、調試和長期的操作和維護。故而找到一個中間地帶是非常重要的;關鍵是建立所要求的可靠性水平，優化能源效率，并減少維護和運營成本。
工廠制造的模塊與現場安裝的模塊
在考慮如何構建模塊時，有幾種選擇：現場安裝，混合模式或工廠制造。這些選項中的每一種都有其各自的一組優缺點。故而您企業將需要考慮以下要素：
設施的安裝地理位置將立即影響到模塊化設計方法的類型。例如，當設施位于人口稀少的地區，導致熟練的管道工人，板材和電氣設計和施工專家很難找到時，使用工廠制造的，測試和調試的模塊將是有益的，該數據中心模塊化站點可能在多個部分組裝，并且能夠連接到其他系統和設施。這有一點復雜和詳細細節需要考慮，但在這種類型的情況下，選擇工廠制造的方案是有意義的。
通常，數據中心基礎設施必須建在一定的地理區域，這些地理區域不具備制造商對于新的電力和冷卻設備的啟動、調試和維護的支持。這將涉及到需要制造商的技術團隊進行長途的差旅——故而在發生運行異常或設備故障的情況下是不可取的。如果地理選址方面沒有選擇，那么前期的規劃和特殊要求應該被寫入規范，以主動解決這些問題。雖然來自設備供應商的成本會增加，但預先購買備件并在運行異常情況下規定最大響應時間將會減少設備故障所帶來的影響。
數據中心和其他關鍵設施的施工進度通常是由客戶的需求所驅動的，而客戶的需求通常又是由其營收的產生或客戶的最終用戶(例如社區，商業企業，政府機構)盡快使用/占用擬議的設施所決定的。當分析構造整個數據中心基礎設施的最佳方法時，使模塊與設施的構造并行地在場外建造將會是有利的。該模塊可以運送到數據中心站點現場并安裝，即使設施不完整。 由于模塊中的所有設備，管道和電氣都已安裝，測試和調試，因此可以縮短建造基礎設施的總體時間。此外，在出廠設置中對設備的調試和測試可以更有效——特別是當建立模塊的人員與調試機構在現場，并且所有人都在一起工作時，得以能夠確保所有的問題都獲得及時解決。
在現場制造和工廠制造的兩種選擇之間方法是構建一款模塊的混合方法。顧名思義，混合方法使用工廠構建和現場站點直接組件的組合的方法。這種方法并沒有一套統一的解決方案，因為與工廠內部制造相比，在現場完成的工作量會因具體項目的不同而異。關于為什么要使用混合方法的一個很好的例子是，當運輸安裝在模塊中的大型電源和冷卻設備時可能會遇到困難。 HVAC和電氣工作的平衡仍然可以在工廠完成，并利用這一點來減少總體的時間。而數據中心未來的業務擴張需求可以以同樣的方式處理，進而建立快速擴張的能力。
性能比較
使用模塊化設計方法的優勢之一是獲得來自具有多個較小的冷卻器，泵，風扇等的更高程度的靈活性和可維護性。當存在多個冗余設備時，維護程序較少具有破壞性，并且在設備發生故障的情況下，可以修復或更換冗余設備，而不會危及整個操作運營。
在數據中心中，冗余設備的設計理念是關鍵基礎設施設計的基石之一，因此這些策略非常易于使用，并且能夠被數據中心的設計者和業主們所理解。在冗余策略的基礎上實現分層的模塊化只需要長期規劃練習，更加專注于設計在所構建的數據中心的整個生命周期中如何發揮作用。
為了說明這個概念，一處新的數據中心設施可以從使用N+2冗余策略的一款冷凍水系統開始，其中N是中央設備的構建塊。二階算法被用來比較不同的制冷壓縮機的卸載曲線。這些曲線基本上顯示了設施空調負荷和壓縮機的能力，以減少能源使用之間的差異。
在分析中，每款冷卻機組都將共享負載的相等部分;隨著冷卻器的數量的增加，每臺冷卻器將具有較小的負載百分比。一般來說，當空調負載減小時，壓縮設備不能具有線性能量使用的減少。當嘗試優化能量使用，可擴展性和可靠性時，這是系統設計中的固有挑戰。故而在分析中可以使用以下參數：
曲線設計：CentH2OVSD-EIR-fPLR&dT
(這是具有變速壓縮機的水冷渦輪制冷卻器的能量模型簡寫，其中EIR是能量輸入比，這是方程的求解。fPLR&dt表示EIR是冷卻器的部分負荷比率和從進入的冷凝器水溫中減去壓縮機冷凍水供給溫度的升程的函數)。
曲線類型：比率和dT中的四次方程式
方程：f(r1,dT) = c1 + c2*r1 + c3*r12 + c4*dT + c5*dT2 + c6*r1*dT
系數：
· c1 = 0.27969646
· c2 = 0.57375735
· c3 = 0.25690463
· c4 = -0.00580717
· c5 = 0.00014649
· c6 = -0.00353007
每種場景都是使用這種方法開發的(圖1至圖4)，并且結果證明了冷卻器設備的效率是如何隨著總空調負載的降低而減小的。
分析綜述：
當整個數據中心設備負載從100%降低到25%時，N + 2系統(三臺冷卻器)的能量性能下降最小。這是由于冷卻器已經在非常小的負載下操作。因此，冷卻負載的大波動不會對系統的效率產生大的影響。
N系統(一臺制冷機)顯示對設備制冷負荷變化的影響最大。冷卻器將在峰值負載時以最高效率水平運行，但會隨著系統的卸載而快速下降。
N + 1系統(兩臺制冷機)在設備負載變化的靈敏度方面介于N和N + 2系統之間。
當付諸實踐時，類似的類型場景(以一種或另一種形式)將成為許多數據中心項目的一部分。當對這些場景進行建模和分析時，結果將使優化策略顯得更清晰，使支持后續的技術和金融財務演習。模塊化的類型最終將由可靠性，第一和運營成本所驅動。因為一系列不同的參數和環境會塑造最終的設計方案，一個精心策劃的，有條不紊的程序最終將允許企業數據中心實現一個知情和精簡的決策過程。
關于作者
本文作者Bill Kosik是一名數據中心能源工程師。他同時也是《Consulting-Specifying Engineer》雜志編輯顧問委員會的成員。
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