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优化冷却系统中的自控系统(上)
  • 如果在规划之初,不考虑冷却系统中自控系统采用哪种方式的话,就会引发需求冲突、人为错误、停机、运营成本过高或造成其他损失等问题。

    如果在规划之初,不考虑冷却系统中自控系统采用哪种方式的话,就会引发需求冲突、人为错误、停机、运营成本过高或造成其他损失等问题。
      
      了解不同级别的自控方式,为我们理性的探讨数据中心冷却系统提供框架。本文将介绍四种控制的级别的使用条件,各级别的优缺点,并通过实例证明。
      
      伴随着日益增长的能耗成本,以及处于对环境保护的意识,使得数据中心发展面临着越来越大的压力,必须提高自身能效。在所有数据中心的能耗中,冷却系统是数据中心内第二大能源消耗来源(第一能耗消耗来源是IT设备)。例如,假设某一数据中心功率为1MW(兆瓦),PUE为1.91,IT负载为50%(想了解更多的假设条件见下文),冷却系统的能耗大约占整个数据中心能耗的36%(包括IT设备的能耗),而大约75%的物理基础设施使用的能源,以用来支持IT应用。(无IT设备)。
      
      假设:
      
      基于以下数据中心进行的计算:
      
      IT负载:功率为1MW(兆瓦),50%的负载
      
      功率密度:每个机架5kW(千瓦)
      
      制冷方式:风冷式冷水机组
      
      制冷机容量:600kW三台(2+1)
      
      不使用换热器
      
      房间级制冷没有组级控制
      
      没有部署气流控制系统
      
      高效的冷冻水泵
      
      高效的UPS
      
      照明效率高
      
      电力供应:2N
      
      鉴于数据中心运营而产生的巨大的CO2排放量,这给优化冷却系统降低能耗排放带来机会。如果是新建数据中心,我们有三种方式来建立建立能耗低的冷却系统。
      
      (备注:energyfootprint:能源足迹能源足迹(energyfootprint)是指,计算在化石燃料燃烧后所产生的二氧化碳排放量,需要多少森林面积净化。)
      
      本文仅关注这三种方式之一——采用有效的冷却控制系统。我们研究数据中心冷却系统面临的挑战,为什么传统的冷却控制系统不起作用,以及什么是有效的控制系统。最后,我们描述四个制冷控制级别,使用每个级别的优势和局限性,并且提供使用每个级别制冷控制的实例。
      
      一般来说,您可以使用以下三种方式来设计新的数据中心,建立高效的冷却系统:
      
      选择合适的冷却方式
      
      采用有效的控制系统
      
      对气流组织进行管理
      
      选择合适的冷却方式
      
      首先,根据您的数据中心的关键属性(如位置、设计容量、平均功率密度及数据中心特定需求和相关约束)选择合适的冷却方式(即散热方式、热交换模式和室内气流分配)。少数一些例子包括是否允许冷冻水或室外空气进入IT空间;或者是否将高架活动地板用于冷通道或者封闭热通道。
      
      值得注意的是,热交换模式可以帮助数据中心冷却系统在有利的室外空气条件下,减少机械冷却(压缩机)消耗的大量能源,特别是对于气候适宜的地方。
      
      采用高效的控制系统
      
      没有高效的控制系统,即使选择合适的制冷方式,依旧就不足以建立高效的冷却系统。例如,在许多评估中发现,数据中心内的冷却系统很少在热交换模式下运行。在所有情况下,数据中心没有采用热交换的的原因是,由于控制的问题,当开启热交换模模式,系统会变得很不稳定。因此,运维人员只有在冬季才手动开启热交换模式,从而失去大量使用热交换模式的时间。
      
      另一个例子导致冷却系统效率低下源于冷却需求的不同。一些制冷单元在冷却的同时,有些在散热(有些在除湿或加湿)。这就是由于缺乏组级控制系统而造成的。选择包括组级控制或系统级控制的冷却系统可以最大限度的降低能耗,同时可以解决数据中心冷却系统中面临的困难。
      
      (备注:组级控制:指的是协调相同类型设备,相同类型的设备通常控制算法相同(设备源于同一家供应商系统级控制:组级的上一级,协调数据中心内各制冷子系统(比如制冷泵和CRAH)的运行。)
      
      对气流组织进行管理:
      
      最后一种方式是对气流组织进行管理,并根据最新的ASHRAE散热指南来管理IT环境。气流管理的最佳做法是通过气流遏制系统来分离冷气流。通道或房间级气流管理不仅能节约能耗而且可以解决数据中心局部热点问题。
      
      由于数据中心负载是动态的,不是固定的导致冷却功率也随之变化,这给数据中心降低冷却系统能带来很多挑战。传统控制方法的局限性或弊端使这种情况更糟。选择具有有效控制系统的冷却系统是解决这些困难的最佳做法。本部分解释为什么有效的控制系统按对于优化数冷却系统非常重要:
      
      影响冷却性能的变量
      
      传统控制方法的局限性
      
      有效控制系统的特点
      
      控制系统的分类
      
      影响制冷性能的变量
      
      冷却系统的动态变化是复杂的。以采用风冷式冷水机组的设计为例:当IT温度设定值升高(冷冻水温度升高)时,冷水机组能耗降低有以下两个原因:
      
      1.数据中心能够在一年中更多的时间使用热交换模式
      
      2.提高冷水机组运行效率。然而,如果CRAH(冷水分配单元)的供风温度(IT送风温度)与冷冻水温度成比例地增加,则CRAH的冷却能力降低,CRAH风扇需要旋转以补偿此减少量,这意味着CRAH能量消耗更大。
      
      由于采用热交换模式运行,延长冷却时间,干式冷却器(换热交换模式替代冷水机组运行)能耗增加。因此,很难说这么做能节能多少,事实上,总的节能还取决于数据中心所在的地理位置、服务器风扇的性能、以及IT负载所占总能耗的百分比。
      
      这些变量,如果没有有效控制,节约能耗会更加困难。下面,我们再解释其他一些变量:
      
      总制冷量大于实际需求量(即制冷量大于实际IT负载);更糟糕的是,数据中心通常在低于50%负载情况下运行。
      
      数据中心是动态环境,其设备的数量和布局都会随着时间推移而发生变化,负载也会随着计算流量的变化而不断变化。IT空间内机架布局与密度的不均衡也会导致制冷量需求的不均衡。
      
      冷却系统的效率会由于数据中心负载、室外空气温度、冷却设置、机房露点温度以及控制方式的不同而不同。
      
      冷却系统通常是由来自不同供应商的冷却设备组成的。因此,设备的兼容性与协调性是要面对的一项挑战。
      
      传统的控制系统限制冷却系统随着数据中心环境变化。
      
      导致性能不佳的控制措施
      
      传统的数据中心冷却系统通常用于恒温负载,监控温度、湿度及压力等操作参数。因此,冷却系统通常根据回风温度、湿度或冷冻水的温度进行温度设定,并以独立的、分散的方式对冷却设备进行控制。其他限制包括:
      
      •手动调整:通常,运维人员对CRAHs/CRACs进行手动调整,根据过往经验开启或关闭设备。有时候经验却却是与实际操作相反的。
      
      例如,运维人员在遇到热点时通常会打开更多的冷却设备(事实上,应关闭冗余单元),但是这种做法并不能消除热点,反而会使情况更糟。在CRAH风扇转速固定的情况下,会导致能量消耗增加。事实上,正确的做法将冷热空气流分离,并在较高负载下运行较少的固定式冷却装置。在CRAH采用变频风扇后,打开更多的冷却单元,从而实现降低能耗。
      
      冷却装置独立工作:IT空间中相邻的冷却装置可根据自己的回风温度和湿度独立运行,从而导致这些设备之间的需求相互冲突,消耗过多能源。另一个例子是冷水机组系统,室内与室外冷却装置(CRAH和冷却器)都根据自身设置和负载条件独立工作。例如,即使在负载低的情况下,冷却器通常也不会改变其冷冻水温度设定值,以用来节省能源。
      
      •根据相对湿度(RH)进行控制,而不是露点温度,
      
      大多数CRAH/CRAC测量数据的相对湿度水平是测量气流从冷通道返回到制冷单元中;如果设备安装加湿器,可以通过测量数据来控制加湿器的运行。如果冷却设备没有配置组级控制,RH控制更容易导致相邻冷却单元之间的需求矛盾(除湿/加湿)。请注意,虽然这个限制可以通过组级控制来解决,但更有效、更低成本的解决方案是使集中式空气处理单元(AHU)(带有加湿器的露点温度来控制)。这就省去为每个冷却单元中增加加湿器。
      
      •只有监控,没有控制:大部分传统的制冷控制方法只专注于监测冷却系统的运行状态,而不执行控制功能,如调整压缩机、风扇及泵的运行速度来优化其性能。另一个因素是一些制冷设备没有安装VFD.
      
      •整个冷却系统性能的不具有可见性:
      
      传统系统中的制冷设备的设计主要考虑优化其自身的性能,而不会去考虑对冷却系统总能耗有何影响。例如,增加冷冻水设定点可以降低冷水机组的能耗,但由于冷却盘管的△T较小,室内CRAH将消耗更多能量,这可能会抵消冷水机组的节能。随着冷冻水的温度设定值不断上升到更高的水平,很难说整个冷却系统的能源消耗是否减少。
      
      (ΔT:温度的变化量;)
      
      •不可靠的传感器或测量仪器:
      
      未校准或质量差的传感器或仪表,使得优化冷却系统的操作变得非常困难。
      
      传统的控制方法在管理数据中心冷却的复杂性方面是无效的。这在大多数情况下会导致运营费用增加,人为错误和数据中心可用性降低。
      
      有效控制系统的特点
      
      有效的控制系统将整体考虑冷却系统,并且理解系统的动态特定,从而实现降低能耗。它还有助于运营商解决其他问题,如改善热管理和最大限度地降低冷却能力。以下列出了有效控制系统的主要特点:
      
      •自动控制:冷却系统应根据室外空气温度和IT负载自动在不同的运行模式,如机械模式,部分节能模式和全节能模式之间切换,以优化节能。它应该这样做,而不会导致IT送风温度,组件压力和这些模式之间的停机时间的变化等问题。自动控制的另一个例子是当冷却输出与动态地匹配冷却需求时,通过平衡服务器风扇要求和冷却装置(即CRAH或CRAC)之间的气流,以在轻IT负载低的情况下,节省风扇能量,而无需人为干预。
      
      基于IT入口的集中控制:室内冷却设备(即CRAH或CRAC)应相互协调工作,以防止需求冲突。所有室内冷却装置应根据IT送风温度与湿度进行控制,以确保IT进风温度在最新的ASHRAE热力学指南保持在目标范围内。
      
      •用露点温度进行集中湿度控制:应通过保持IT送风温度,集中控制IT空间内湿度,这比气流保持返回制冷单元时的相对湿度更具成本效益。
      
      •灵活控制:良好的控制系统允许根据客户要求灵活地更改某些设置。例如,可配置的控制系统允许改变组中的冷却单元的数量,或者在某些室外温度下关闭蒸发冷却。
      
      •简化维护:冷却控制系统可以在维护期间轻松进入维护模式。控制系统甚至可能在异常操作期间警告维护人员,并指出问题存在的位置。
      
      控制系统分类
      
      市场上有许多种类的制冷控制系统,却没有针对控制系统分类或等级制度的官方或行业标准的描述。因此,根据有效的制冷功能和架构,将控制系统分为四个级别(从最简单的到最复杂的):
      
      设备级控制:不如其他级别先进,却是基础
      
      组级控制:不如其他级别先进,却是基础
      
      系统级控制:是有益的,但不是必须的
      
      控制级
      
      可以在这四个级别的控制中的任意一个部署冷却系统。下面将描述每个级别(从最简单的“设备级控制”开始),在运行每个控制级别时的优势和局限性以及其应用实例。
      
      每个冷却装置(这可能是CRAH,CRAC或冷却器)通常都有自己的内置控制,我们称之为设备级控制。设备级控制的主要功能是确保设备的可操作性和可靠性。注意,设备可以在内部具有许多不同的部件(例如压缩机,风扇,泵和阀),但由于它们被设计和制造为单个系统,因此其控制系统被认为处于设备级。
      
      设备级控制的优势
      
      设备级控制可以被认为是冷却设备的“大脑”,具有以下优点:
      
      由于控制程序的嵌入和工厂验证,运营商只需根据其环境要求调整设定值。
      
      •由于产品内置控件,因此无需额外成本。
      
      当冷却装置采用可根据IT负载调整的VFD风扇,VFD压缩机,VFD泵等时,通过设备液位控制,以此降低能耗。
      
      •设备级控制是组级控制的基础。
      
      设备级控制的局限性
      
      对于仅具有设备级控制的数据中心,主要的局限性在于相邻冷却设备之间没有通信,并且冷却设备不能相互协调,无法避免诸如需求矛盾等问题。该模式,适用于使用一台冷却单元的数据中心。然而,设备级控制是建立有效的控制系统的基础。我们建议您选择具有支持组级别控制和系统级别控制的设备级别控制的冷却设备。
      
      采用设备级控制的实例
      
      图1展示的是具有内置设备级控制的基于行的CRAH的实例。控制系统可以调整风扇转速及冷冻水阀,以便更好的匹配IT负载和所需的进风温度。该控制系统能够支持组级控制和系统级控制。CRAH单元也可以根据机架入口空气温度进行控制,以确保温度保持在目标内。

    编辑:Andly

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