摘要：数据中心冷却设计的主要目标一直是通过冗余实现备份的可靠性。最重要的是，冷却设备必须维持关键环境条件下的精确的温度和湿度——不管其是如何通过现有的冷却系统策略来实现的。
数据中心冷却设计的主要目标一直是通过冗余实现备份的可靠性。最重要的是，冷却设备必须维持关键环境条件下的精确的温度和湿度——不管其是如何通过现有的冷却系统策略来实现的。这导致了不必要的能源消耗使用。在这方面，没有任何其他地方要比CRAC(计算机房空调)更加明显的了，该CRAC单元继续采用控制策略，其中冷却、加湿和再热系统彼此斗争，以维持关键的环境条件，而不考虑这样做所消耗的能量的量。当在CRAC单元的部分负载操作下供应全部气流时，浪费了更多的能量。即使内置了电子换向EC风扇技术，风扇通常在旁路或手动模式下全速运行。尽管这些能源效率低下，但是在过去二十年中已经可靠且令人满意地工作的冷却设备和控制策略在当今的新的数据中心设计中仍然还在继续使用。而随着数据中心节能减排号召的推动，上述这一局面将不得不改变，并将通过相应的立法授权。
而相关的立法授权所带来的结果是，我们有望可以看到趋向于更节能的数据中心基础设施，其主要目标是减少与能源使用相关的运营成本。而随着碳排放配额和碳排放交易系统在奥巴马任职总统期间成为现实，减少数据中心的碳足迹将成为一个额外的目标。冷却系统提供最大的潜力以实现显著的能源节省，原因有两个：1、已被证明的节能冷却水冷却系统技术，其使用变速装置和优化控制已经存在;2、冷却系统占数据中心总电力消耗和碳足迹的50%以上。随着技术和处理能力的不断提高，热负荷密度迅速提高 - 每年约25%至30%的冷水冷却系统提供了最有效的运输和传热方法。当冷却水冷却系统中的所有旋转装置(包括冷却器，泵和风扇)利用可变速度和集成控制策略时，实现了前所未有的节能效果。
在本文中，我们将与广大读者诸君共同探讨关于超高效数据中心冷冻水系统设计和控制集成背后的概念，在当今最佳的变速冷冻水系统中，其将节约40%至60%的能源。通过使用不同的系统设计方法和使用基于功率的关系控制的更直接的控制策略，可以对可变速度组件进行排序和操作，不仅大大减少能量使用，而且还有助于改善性能、可靠性、冗余、可扩展性，减少维护并大大延长了冷却水冷却系统的使用寿命。而为了更好的了解超高效数据中心冷冻水冷却系统的概念，我们需要了解当前设计实践方案和控制策略所欠缺的方面，以便我们可以完全最大限度地发挥其利用的可能性。
系统的设计与选择
数据中心冷冻水系统的设计可以采用模块化方法来逐步建立，以便逐级匹配数据中心的构建，或者可以从数据中心在完全利用时将看到的全负载状况开始设计。无论采用何种方法，冷冻水系统都将需要是超大规模尺寸的，以便面向未来的业务需求，并考虑到技术的快速进步，正是这些因素才导致了数据中心设备热负荷密度的增加。这些增加的热负载密度导致数据中心处理和存储设备的更短的使用寿命周期，随后需要设备每隔三至五年进行升级，以便得以能够利用具有更多处理能力和存储容量的现有数据中心运营空间。然而，冷却系统的使用寿命将超过二十年，因此其必须设计成在其使用寿命期间能够适应这些设备的变化。当数据中心冷却系统被适当地控制，并且部件被选择为彼此协调地作为集成系统的一部分时，电气和机械子系统的功能寿命可以额外增加20%至30%。
由于数据中心的冷却系统将需要在一个更大的操作设计环境中，并且是操作变化的工作负载，所以在部分的工作负载操作下将主要需要可靠性和效率。而满足不断变化的数据中心冷却和关键负载需求的最有效的方法是利用所有的变速组件——冷水机组、水泵和风机，并采用一套专用于变速装置的独特的操作特性的控制策略。没有例外，因为恒速设备器件不能解决诸如数据中心冷却的一款变化的应用程序方面的挑战。
冷却机组和其他子系统，包括管道和CRAC单元，其规模尺寸大小必须确定能够满足当前和未来的冷却需求。由于数据中心的冷却系统将大部分的运行时间用于部分工作负载，因此设备的选择应基于部分负载的效率。变速冷水机比恒速冷水机具有更高的部分负载效率。这是因为恒速冷水机仅在满负荷时达到其最高效率，而在低于100%的满负荷下运行时保持相对稳定。因此，数据中心冷却的恒速冷水机是基于满负载的效率选择，即使他们将大部分时间用于部分负载运行。故而任何控制策略都被迫运行恒速冷水机和所有相关设备(包括冷冻水泵、冷凝水泵和冷却塔风机)，这些设备通常与冷水机排序，同样是满负载。这意味着在多冷却器冷却系统中，最常用的控制策略是基于容量的排序。这种广泛使用的测序方法使用开/关循环，以确保冷却器首先以满负荷能力运行——它们最高效的运行水平——随着负载的增加而打开下一个冷却器。这种基于容量的开/关分阶段的排序具有许多负面的影响。设备寿命和能源效率是这些负面影响中的其中之二。
设备的寿命由于用于分阶段设备的开/关循环而缩短，以匹配冷却系统输出容量与数据中心的需求。每次电动机启动时由于浪涌电流产生的大量压力，造成当每次电动机启动时电动机使用寿命会缩短。由于将电动机从怠速提升到全速所需的高扭矩，而该冲击电流可以高达电动机的满载电流的10倍。相比之下，变频驱动器具有软启动的能力，可以逐渐将电机提升到所需的运行速度。这减少了电机上的电气和电机械应力作用，并且可以降低维护和修理成本，同时延长了电机的使用寿命。
在部分负载操作期间，当数据中心将花费大部分操作时间用于恒定速度装置以全速运行时，不能实现能源效率。当使用恒定速度设备代替变速时，使用机械流量控制来限制流量以卸载设备，并减少输出容量，从而满足部分负载操作运行期间的需求。机械流量控制包括：
- 关闭进气叶片以限制压缩机中的流量，
- 关闭阀门的泵，
- 风扇关闭阻尼器，
- 重置静态和压差。
这些解决方案在今天仍然广泛使用，在部分负荷运行状况下卸下恒速装置的全面运行速度可以被比作驾驶一辆汽车一脚踩油门，而另一只脚踩刹车踏板，以控制汽车的速度——但这不是一个非常有效的控制策略。
集成整合的控制策略
需要一种新的集成整合的控制方法来替代开/关分级的基于容量的排序。变速提供最有效、可靠的节能解决方案，以便在更广泛的操作设计范围内有效地响应和操作，进而匹配数据中心中不断变化的热负荷。需要专门针对变速装置的操作特性的控制策略来利用所有提供的可变速度装置。在变速冷却系统中，所有旋转装置的速度将随着负载的增加而增加，并随着负载的减小而减小(与使用机械流控制来减少输出相比，在部分负载期间以全速运行的恒定速度装置 )。 当将一款变频驱动器(VFD)添加到压缩机、泵或风扇以提高部分负载效率时，由于泵风扇法则，其所带来的节能潜力是巨大的，其状态是：功率与转速的立方(pαn3)成比例。
- 与转速成比例的流量 QαN
- 与转速平方成正比(压力)HαN2
- 与转速的立方成比例的功率 PαN3
如果一款旋转装置允许沿其自然曲线操作的灵活性，则50%的流量减少就相当于(.53)或12.5%铭牌功率。这将等同于操作效率增加了50%/ 12.5%= 400%。只有当沿着自然曲线的压力和转速之间的泵风扇法则关系保持在速度下降时，该效率才是可能的。流量减少50%将等于(.52)或压力减少25%。
为了让这些设备装置能够在最高效率下操作运作，他们需要具备在所有负载条件下保持流量和压力之间关系的自由度，并允许沿着它们的理想操作曲线操作，如下图1所示的自然曲线的泵操作。传统的控制方法将保持泵供应和回流集管上的一个固定的或最小的压差(DP)。泵将沿着固定的差压曲线操作，如图1所示。这意味着泵将需要更多的功率，以维持DP设定点，并且将不具有沿其自然曲线或最佳点操作的自由度。 理想情况下，压差传感器应放置在更关键的CRAC单元处，此处的压力更为重要，使泵保持跟进，而保持流量和压力之间理想的关系是不同的速度、流量和压力。
自然曲线排序将使可变速冷水机的顺序在所有负载条件下沿着它们的自然曲线操作。对于特定冷冻水供应的冷冻器负载曲线和进入冷凝器水温的理想点，冷冻器将以其最佳效率操作。通过针对特定供应冷却水温度针对四个进入冷凝器水温找到这些理想点来开发冷却器的自然曲线。该点将是四个冷凝器水温曲线中的每一个上的最低点(最低kW / ton)。然后通过绘制与四个点相交的线来形成自然曲线，如下图2所示的冷冻器操作的自然曲线。在所有运行情况下，冷却器只沿其自然曲线运行，确保了在所有负载下的最佳效率。
据称，只有以下条件均满足时，数据中心的冷却系统才能实现峰值效率：1、当使用变速装置时;2、并且冷却系统服务能够响应数据中心的热负载，以便控制所有子系统的优化。当变速冷水机、泵和冷却塔风扇的运行与使用EC风扇技术的冷冻水压缩机单元的运行协调一致时，冷却系统的效率会得到显着提高。当今的数据中心冷却水冷却系统作为四个子系统操作，每个具有其各自独立的比例 - 积分 - 微分(PID)反馈回路：
- CRAC单元，
- 冷却器，
- 冷凝器配水系统，
- 冷却塔风扇。
这四个子系统中的每一个都独立地有效运行。然而，这种相同的独立性意味着，他们作为一个整体则不能以最高效率运行，因为子系统不是彼此协调工作的。将这四个子系统与基于网络的关系控制集成，可实现所有组件的完全优化，并使其作为一个功能单元。
PID控制已经存在了几十年了，其是简单的线性过程的一个非常简单的通用控制。PID反馈控制回路能够有效地控制单个装置，控制单个控制回路上的单个变量，例如压力或温度。任何具有变化条件的过程对于PID控制来说都太复杂了。PID控制作为网络的一部分，其正在通信和控制多个可变设备，并不具有连续适应在HVAC应用程序中遇到的变化负载的灵活性。相反，需要不同的控制方法来改善冷冻水设备的性能。
基于功率的速度控制和基于功率的排序用于实现数据中心冷冻水冷却系统的超高效优化。基于功率的速度控制使用一种称为等边际性能指标的控制方法来计算和确定冷却器，冷凝器泵和塔式风扇之间的最佳功率关系。这种控制方法在三个子系统之间减轻负载和效率，以实现最佳的净系统效率。基于功率的排序取代了在全速下运行器件的传统的，低效率的基于容量的排序，然后下一个器件被排序或者匹配变化的数据中心负载。基于功率的排序将使部件在其部分负载操作期间沿着其自然曲线以峰值效率运行。通过确定最佳净系统效率和在彼此相关的系统组件之间折衷功率效率来满足操作负载。这种折衷可以在较低速度下操作更多数量的设备以利用相关法律。这导致大量的功率节省并且通过在50%的功率水平操作两个设备或在33%的功率水平操作三个设备，进而产生更大的热传递面积。这与常规的基于容量的排序形成对比，当负载通常由以100%全速运行的一个设备满足时，这消耗了不必要的更多的功率。
结论
目前的技术大大提高了数据中心的效率，减少了碳足迹，同时提高了性能、可靠性、冗余性、可扩展性，减少了维护，大大延长了冷冻水冷却系统的使用寿命。通过采用一种新的和不同的方法——变频驱动技术与控制策略的集成，利用变速装置的独特特性来操作和排序相互关联的这些装置，除了为数据中心冷却提供了整体优越的性能和可靠性之外，还提供了无与伦比的节能机会。目前可用的全部优势尚未真正得到充分利用，而一旦将数据中心冷冻水系统效率全面最大化到超高效能水平，目前的能源使用量可减少高达60%。
