本文作者：Mukul Anand, Johnson Controls
通過將風冷磁力軸承冷水機組和關鍵任務空氣處理機組與開源數(shù)字平臺的復雜 AI 功能相結合，數(shù)據(jù)中心可以通過允許動態(tài)（而非靜態(tài)）冷凍水設定點來減少能源使用。
任何數(shù)據(jù)中心的首要目標都是完美的數(shù)據(jù)處理；實現(xiàn)這一目標的關鍵是高可靠性和最大限度地延長正常運行時間。然而，為了減輕氣候變化的影響，另一個屬性變得同樣重要——最大限度地減少對環(huán)境的影響。由于維持正常運行時間傳統(tǒng)上需要大量的能源和資源，因此這些目標似乎是不一致的。
數(shù)據(jù)中心是能源最密集的建筑類型之一，每層能耗是標準商業(yè)辦公樓的10 至 50 倍，合計約占某些國家全國總用電量的2%。隨著全球許多技術領導者做出重大的凈零排放和水承諾，他們正在尋求新的創(chuàng)新來可靠地減少能源和資源的使用。
除了服務器消耗的電力外，HVAC設備還占數(shù)據(jù)中心40%的用電量。為了實現(xiàn)可持續(xù)運營和盈利，這些設施必須優(yōu)化HVAC能源效率，同時確保數(shù)據(jù)中心的正常運行時間。
暖通空調和智能建筑技術的最新創(chuàng)新使這一成果成為可能，減少能源和水的使用、碳排放和成本，同時確保最高的可靠性。任務關鍵型機房空氣處理機組與風冷式磁力軸承冷水機組、數(shù)字解決方案和樓宇自動化技術相結合，可以顯著提高數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)性，同時維持支持可靠性和正常運行時間的環(huán)境。
維持冷通道溫度
冷通道的溫度決定了HVAC設備和服務器風扇的工作強度，從而決定了它們消耗的功率，以確保有適當?shù)目諝饬苛鬟^服務器以帶走熱量。冷通道溫度越高，冷水機功耗越低。冷通道溫度較低，需要的氣流量較小，空氣處理單元風扇和服務器風扇的風扇功耗也較低。
為了防止數(shù)據(jù)中心空白區(qū)域出現(xiàn)熱點并確保正常運行時間，數(shù)據(jù)中心冷卻策略歷來傾向于較低的冷通道溫度和較高的氣流——甚至超出了所需的范圍。這種多余的氣流可以作為接近要求邊緣的應用的緩沖區(qū)。例如，如果某個服務器的負載高于平常，則它可能會導致冷通道缺乏冷空氣，并可能導致過熱。額外的氣流提供了安全網(wǎng)，但也浪費了能源。
服務器技術的進步使得最新一代服務器能夠在較溫暖的冷通道的高溫環(huán)境條件下運行?？梢栽诟鬁囟确秶鷥冗\行的服務器使得可接受的冷通道溫度范圍更廣成為可能。
通過優(yōu)化冷通道溫度，數(shù)據(jù)中心可以消耗冷卻所需的最小電力。目前，該溫度是一個靜態(tài)數(shù)字。然而，對動態(tài)冷通道溫度影響的研究證明，動態(tài)冷通道溫度可以根據(jù)數(shù)據(jù)中心負載在任何給定時間的環(huán)境條件提供最佳冷卻，而且現(xiàn)在已經(jīng)有了實現(xiàn)這一目標的技術。例如，當室外非常冷時，可以使用經(jīng)濟冷卻或自然冷卻，同時降低冷凍水設定值并降低冷通道溫度。
這減少了機房空氣處理器和服務器風扇的氣流和功耗。當數(shù)據(jù)中心使用靜態(tài)冷凍水設定點和靜態(tài)冷通道溫度時，就會失去這個機會。
不同效率冷水機組的功耗與冷通道溫度對比
在一年中最熱的下午，冷水機組的功耗最高，因為冷水機組的升力很高。冷水機揚程是指冷凝器中制冷劑與蒸發(fā)器中制冷劑之間的壓力差。在較高的揚程下，壓縮機消耗更多的功率來驅動熱力循環(huán)。
通過在下午幾個小時內提高冷凍水設定點和冷通道溫度，可以減少升力，這減少了冷卻器壓縮機的功耗。業(yè)界使用 ASHRAE IT 設備空氣冷卻熱指南中的術語“臨時偏移”。
將風冷式磁力軸承離心式冷水機和關鍵任務計算機房空氣處理器與開源數(shù)字平臺和樓宇自動化系統(tǒng)相結合，可以在任何給定時刻驅動冷通道溫度，以適應數(shù)據(jù)中心的負載。動態(tài)冷凍水設定點和動態(tài)冷通道整體溫度有助于優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的功耗，而不會影響數(shù)據(jù)中心的正常運行時間。這種持續(xù)優(yōu)化的方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的最佳實時能源效率，同時提供有助于維持正常運行時間的冷通道溫度。
不斷發(fā)展的行業(yè)的創(chuàng)新技術
從歷史上看，數(shù)據(jù)中心使用的冷水機和其他暖通空調設備是為舒適冷卻而設計的，而不是數(shù)據(jù)中心。在舒適制冷中，冷凍水設定點約為 44 華氏度（6.6℃）。然而，服務器制造商越來越適應在更高溫度下運行的處理器和主板，這意味著它們可以使用高達 80 華氏度（26.6℃）的冷凍水進行冷卻。
數(shù)據(jù)中心應用冷水機組的創(chuàng)新使得冷凍水設定點可以達到 70 至 80 華氏度，有時甚至更高。當使用自然冷卻時，可以降低功耗并增加每年的小時數(shù)，從而顯著減少數(shù)據(jù)中心全年消耗的電量。
風冷式磁力軸承離心式冷水機專為數(shù)據(jù)中心設計，針對當今數(shù)據(jù)中心行業(yè)普遍存在的白色空間和電梯內的升高溫度進行了優(yōu)化。它們可以提供高達 80 華氏度的冷凍水溫度并滿足低升力的要求，從而提高能源效率。
雖然大多數(shù)數(shù)據(jù)中心使用帶有自然冷卻盤管的風冷式冷水機，以受益于較低的環(huán)境條件，但風冷式磁力軸承離心式冷水機可以在倒置條件下運行，并提供自然冷卻，無需額外的自然冷卻盤管。添加到冷水機冷凝器中的自然冷卻盤管可能會導致效率低下和額外的壓降，以及更重的設備和更大的碳足跡。它們增加到冷水機上的重量都體現(xiàn)為碳，從構成線圈的金屬到較重的運輸和索具重量，再到需要本身含有更多鋼材的建筑結構來支撐屋頂上的額外重量。使用更輕且無需倒轉操作的冷卻裝置可以在多個方面對建筑物本身的碳足跡產(chǎn)生積極影響。
無摩擦的磁力驅動器也有利于正常運行時間。如果電源中斷，典型的冷水機組可能需要長達 10 分鐘才能重新啟動。相比之下，磁力軸承離心式冷水機的壓縮機重啟時間要快得多，恢復供電后僅需三分鐘即可恢復滿負荷。由于風冷磁力軸承離心式冷水機采用變速驅動，因此不存在浪涌電流。這意味著快速、受控地恢復到滿容量和設定點。
為了進一步提高數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)性，風冷式磁力軸承冷水機產(chǎn)生的噪音明顯低于許多螺桿式冷水機，有些還使用 R-1234ze，一種具有超低全球變暖潛值 (GWP) 的制冷劑。
不同類型冷水機的噪音級別
當連接到基于人工智能的解決方案時，風冷磁力軸承離心式冷水機組與采用電子換向電機 (ECM) 設計的高效關鍵任務機房空氣處理器相結合，可以將冷通道溫度與實時負載相匹配，并優(yōu)化能源使用每時每刻。擁有動態(tài)冷凍水設定點和冷通道溫度可以優(yōu)化能源使用，而不會對數(shù)據(jù)中心的正常運行時間造成風險。
根據(jù)實時情況優(yōu)化能源使用
智能數(shù)字服務，例如基于人工智能 (AI) 的解決方案提供的服務，與風冷磁力軸承離心式冷水機組和高效關鍵任務機房空氣處理器集成，提供最優(yōu)化的能源解決方案。結合動態(tài)水設定點和常規(guī)冷凍水重置策略，可以進一步節(jié)省能源。這些解決方案根據(jù)實時條件優(yōu)化氣流，并可以顯著減少數(shù)據(jù)中心的能源使用。
作為數(shù)字平臺的一部分，基于人工智能的解決方案可以是位于樓宇管理系統(tǒng) (BMS) 之上的咨詢或監(jiān)督功能。在那里，它確保數(shù)據(jù)中心人員可以評估實時數(shù)據(jù)中心負載和周圍環(huán)境條件下的實時數(shù)據(jù)中心需求，并了解歷史負載模式或趨勢。有了這些有價值的信息，設施管理人員可以確保系統(tǒng)盡可能高效地運行。
冷凍水重置策略有助于減少環(huán)境溫度較高的數(shù)據(jù)中心在高峰需求期間的能源使用。冷水機的功耗取決于揚程，揚程較低意味著能源消耗較少。在一年中最熱的下午，需要較低的冷凍水溫度來冷卻數(shù)據(jù)中心。為了實現(xiàn)這一目標，升力和功耗通常很高。然而，冷凍水設定點可以在下午四到五個小時內調整到更高的溫度，以提高系統(tǒng)能源效率，同時依靠機房空氣處理器中高效 ECM 風扇的小幅提升。
這種冷凍水重置偏離了標準條件，并且不受某些服務級別協(xié)議的允許。為了提高整體效率和數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)性，在服務水平協(xié)議中包含每年一定小時數(shù)的冷凍水重置非常重要。
利用歷史趨勢，智能冷卻系統(tǒng)可以預測并為下一次負載變化做好準備。例如，如果數(shù)據(jù)中心在上午 8 點左右持續(xù)產(chǎn)生大量熱量，則系統(tǒng)可以自動從上午 7 點開始逐步提高容量，而不是在上午 7:59 時以 100% 的容量運行。這種逐步的提升可以最大限度地減少系統(tǒng)峰值，提高能源效率，甚至可以延長設備壽命。
數(shù)字解決方案、互聯(lián)設備和樓宇自動化技術的結合可以使數(shù)據(jù)中心更加智能、更加可持續(xù)。這些解決方案使設施管理人員能夠持續(xù)實時監(jiān)控設備運行狀況和能源消耗，同時實現(xiàn)關鍵流程的自動化。一些解決方案還提供易于閱讀的儀表板，用于顯示趨勢并在設置參數(shù)偏離指定值時通知指定人員。這使得設施團隊能夠解決問題、發(fā)現(xiàn)節(jié)能機會并推動最重要的成果。
同時提高能源效率和正常運行時間
技術領導者有非常嚴格的可持續(xù)發(fā)展目標，并且有緊迫的期限來實現(xiàn)這些目標。數(shù)據(jù)中心配備創(chuàng)新解決方案以幫助盡快實現(xiàn)這些目標至關重要。專門設計的風冷磁力軸承離心式冷水機組與人工智能驅動的關鍵任務計算機房空氣處理器相結合，可以根據(jù)現(xiàn)實世界的空白空間條件優(yōu)化可持續(xù)性，并在保持正常運行時間的同時顯著提高數(shù)據(jù)中心效率。
隨著服務器在高溫環(huán)境條件下運行的能力越來越強，數(shù)據(jù)中心所有者和運營商也越來越適應溫暖的冷通道，HVAC 設備必須準備好在更高的冷凍水設定點和更高的冷通道溫度下運行。這種長期持有的設計思維方式的轉變提供了創(chuàng)建更智能、更可持續(xù)的數(shù)據(jù)中心架構的機會，該架構能夠協(xié)作并增強整體能源效率和可靠性。風冷式磁力軸承離心式冷水機、關鍵任務機房空氣處理器和基于邏輯的 BMS 可以與數(shù)據(jù)中心一起成長和發(fā)展，從而在今天和明天提供持續(xù)改進。
