用于冷却系统的部件的能量分析与预测建模的系统及方法

摘要

本发明公开了一种用于对具有多个冷水（CW）部件的CW系统的性能进行分析的方法。该方法可以考虑用于每个CW部件的允许工作点、允许工作范围或允许工作条件中至少一个的集合。可以考虑在设置有所述CW部件中的至少子多个CW部件的环境下用户设置的周围湿球（WB）温度或系统测量的周围WB温度。可以计算对于覆盖由CW系统热管理的负载的每个CW部件的等效循环条件。针对所计算的等效循环条件中的每一个，处理器可以生成用于平衡CW部件以满足负载要求的信息，然后分析并且选择产生用户优选优化的平衡条件。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日提交的美国临时专利申请No.61/793,872的优先权，其全部公开内容通过引用合并到本文中。

技术领域

本公开内容涉及一种用于分析冷却系统的性能的系统，并且更具体地涉及一种用于对冷却系统的多个不同部件进行分析与建模以响应于多个设备工作参数和用户限定输入来确定和/或预测该系统的冷却能力的综合的系统及方法。

背景技术

本部分中的描述仅提供与本公开内容有关的背景信息并且可能未构成现有技术。

随着对于各种设施的冷却需求的量（尤其是在数据中心）持续增长，改善冷却系统的性能以及控制这样的冷却系统迅速引起人们的关注。具体地，在冷水（CW）冷却系统的情况下，多个部件工作以将热从负载移除，其中负载可以由各种不同类型的设备创建。在一个示例中，负载可能是由几打、几百或几千个服务器和其他IT和/或网络设备在数据中心内生成的热。在一个示例中，基本的CW冷却系统可以被理解成包括一个或更多个冷却器、一个或更多个CW泵、旁路、一个或更多个冷却塔泵、一个或更多个冷却塔、补充水过滤控制、受控的一个或更多个变频驱动器（VFD）以及连接上述部件的关联管道。与这些设备中的任意一个或更多个相关联的性能和/或设备设置点在过渡和平衡期间对各个部件的性能输出具有影响以及分别对整个CW系统的性能输出具有影响。当前，没有一种已知的系统能够使用CW系统的部件中的各种部件的已知信息、运行能力或性能曲线来对CW系统的各种重要的性能参数（例如每分钟的总加仑（GPM）、温度差（ΔT）和SCWT（供应冷却水温度）等）在变化的设备设置点被应用于CW系统的一个或更多个部件的情况下受到影响的可能性有多大进行建模。此外，没有一种方式能够预测一个特定部件的性能变化（或用户/系统变化设置点）如何影响系统的、可能正在从特定部件接收直接或间接输出的一个或更多个其他部件的工作。

发明内容

在一个方面中，本公开内容涉及一种用于对具有多个冷水（CW）部件的CW系统的性能进行分析的方法。所述方法包括：考虑用于所述CW系统的所述多个CW部件中的每一个的允许工作点、允许工作范围或允许工作条件中至少一个的集合。所述方法还可以包括考虑设置有所述CW部件中的至少子多个（subplurality）CW部件的环境下的用户设置的周围湿球（WB）温度或系统测量的周围WB温度。可以计算对于一起覆盖由CW系统热管理的负载的每个CW部件的等效循环条件。所述等效循环条件可以以管理对负载的冷却的方式与覆盖负载的CW部件中的一个或更多个的性能参数相关。对于所计算出的等效循环条件中的每一个，可以使用处理器在给定用户设置的WB温度或系统测量的WB温度的情况下生成用于通过选择CW系统的具体工作点来平衡CW部件的信息，以满足由所述负载所施加的负载要求。

在另一个方面中，本公开内容涉及一种用于对具有多个冷水（CW）部件的CW系统的性能进行分析和优化的方法。所述方法可以包括获取CW系统的每个CW部件的性能数据表。性能数据表可以基于与每个CW部件相关联的输入或输出中至少一个来限定用于每个CW部件的工作点或工作范围中的至少一个。可以获取在设置有所述CW部件中的至少子多个CW部件的环境下的用户设置的周围湿球（WB）温度或系统测量的周围WB温度。可以基于由用户提供的信息或表示已知工作参数限制的信息来获取对于CW系统的所述子多个部件中的每一个的允许工作点、工作范围或允许工作条件中的至少一个的集合。可以计算对于覆盖由CW系统热管理的负载的每个CW部件的等效循环条件。等效循环条件可以以管理对负载的冷却的方式与用于覆盖所述负载的CW部件中的一个或更多个的每分钟加仑（GPM）、温度的变化和供应冷水温度（SCWT）中至少一个相关。针对所计算出的等效循环条件中的每一个，可以使用处理器在给定用户设置的WB温度或系统测量的WB温度的情况下平衡CW系统的CW部件以满足负载要求从而生成多个计算结果，其可以包括或可以不包括用于每个可控CW部件的在所述WB温度和负载处产生系统平衡的一个或更多个设置点。所述多个结果可以用于通过选择用于CW部件的、导致优化所述CW系统的选择工作参数的具体设置点来对CW部件的工作进行优化。

在又一个方面中，本公开内容涉及一种用于对具有多个冷水（CW）部件的CW系统的性能进行分析的系统。所述系统包括具有非瞬态、机器可执行代码的至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成利用用于CW系统的每个CW部件的性能数据表。所述性能数据表可以基于与每个CW部件相关联的输入或输出中的至少一个来限定用于每个CW部件的工作点或工作范围中的至少一个。所述至少一个处理还可以利用在设置有所述CW部件中的至少子多个CW部件的环境下用户设置的周围湿球（WB）温度或系统测量的周围WB温度。此外，所述处理器可以使用对于CW系统的所述子多个部件中的每一个的允许工作点、工作范围或允许工作条件中的至少一个的集合。所述处理器可以计算对于覆盖由CW系统热管理的负载的每个CW部件的等效循环条件。等效循环条件可以以管理对负载的冷却的方式与覆盖所述负载的的CW部件中的一个或更多个的性能参数相关。针对所计算出的等效循环条件中的每一个，处理器可以在给定用户设置的WB温度或系统测量的WB温度的情况下生成用于平衡CW系统的CW部件的信息以满足所述负载所施加的负载要求。

从本文所提供的描述，另外的应用领域会变得很明显。应当理解，描述和具体示例仅意在于说明目的并且并非意在限制本公开内容的范围。

附图说明

本文所描述的附图仅出于说明目的而非意在以任何方式限制本公开内容的范围。

图1是可以用于在考虑到用于CW系统的每个CW设备的许可工作设置/范围的情况下计算室内工作条件和CW系统部件两者的性能特征的系统的各个子部分的框图。

图2是可以由本公开内容的系统的一种实施方式使用以确定CW系统的每个部件的性能值的各种计算单的高级框图，其中，所述确定考虑到来自第一CW部件的、馈送至第二CW部件的输出可能影响第二CW部件的输出；以及

图3是提出了在CW系统的用于满足负载和/或客户所特定的需求的优化操作中可以由本公开内容的系统所进行的主要操作的高级流程图；

图4是示出了在给定负载和湿球（WB）温度情况下取决于供应冷水温度（SCWT）和供应/移除空气温度（SAT）在效率上能够实现多么明显的差异的图表；

图5是示出了如何可以使用系统来针对给定的负载和WB温度来预测可以取决于用户所设置的变量而可以获得何种节能类型的图；

图6是可以呈现给用户的图，其基于某种预选形式的历史工作数据（例如，时间或外部信息源）向用户表明系统预测负载和WB温度要经历的方向；以及

图7是示出了系统10如何将用于组成CW系统的各个部件和负载的变量考虑在内来确定CW系统的每种可能许可设备配置的平衡点的图500。

具体实施方式

以下描述本身仅为示例性并且并非意在限定本公开内容、应用或用途。应当理解，贯穿附图，相应的附图标记表示相似或相应的部分和特征。

参考图1，示出了形成能量分析系统10（下文中简单地称为“系统10”）的多个模块，系统10用于对符合用户或系统湿球（WB）设置点和负载要求的冷水（CW）系统的各个室内和其他部件的性能进行预测和优化。一般地，应当理解，CW系统的每件设备相应地做出反应以实现所期望的输出条件。最终的平衡设备状态由施加在各件设备上的设置点来指定。最终平衡状态会指定所述CW系统内每件设备的能量和/或水消耗。

由于能够不仅快速地计算各件设备的性能而且快速地计算用于改变设备互连的总的系统平衡，所以系统10可以对任何CW系统配置相对于任何负载输入进行建模，以确定所有设备件相对于给定环境条件的最经济的设置点。所计算的可能设备可以包括但不限于计算机/IT服务器、CW单元、水冷冷却器、冷却塔、风冷冷却器和泵。针对给定的固定条件集对用于各个CW部件的所有可能允许的设置点进行建模，使得不仅能够针对系统10的当前工作条件而且还可以针对系统10的预期未来工作状态来对总成本进行全局优化。这可以对设置点和设备分级（staging）进行预测。还可以表明非局部工作点是否可能。通过“非局部”工作点，意味着推断未通过对设备设置点或工作条件的小增量变化来实现的情形可以被计算并且检查以确保更加有效的CW系统工作状态没有被忽视。例如，在特定CW循环设备上将设置点增加1度或减小1度可以产生较高的总CW系统能耗。在该情形中，控制系统会将设置点保持原样。但是，实践中，将相同的设置点改变3到4度实际上会触发可以利用先前已经被忽视的某种形式的精减的不同CW系统工作模式。实际的设备性能还可以反馈至系统10中以调节性能表以使得理论的设备计算随着时间的推移甚至更加精确。现有的设备数据表然后可以被提取用于新系统的设计中，从而提供了相比当前可能的CW系统设计而言更加有效的CW系统设计。

系统10还可以评估设备分级以优化总体系统性能。由于效率不是成比例的，所以设备分级的示例会是系统10确定何时以1/3能力操作3个冷却器相对于以1/2能力操作2个冷却器的会更加有效的情况。使用系统10来控制泵分级是另一个示例。

还参考图1，系统10可以包括用于计算CW系统的每个部件的性能的多个子系统（软件和硬件）模块。例如，“室内单元计算器”模块12可以用于针对CW系统的每个室内单元（即，部件）的每个允许工作点来计算用于CW系统的每个室内单元的性能。“主CW泵”计算器模块14可以用于对主CW泵在每个允许工作点处的性能进行建模。“节约器（economizer）计算器”模块16可以用于对热交换节约器在每个许可工作点处的性能进行建模。“冷却塔泵计算器”模块18可以用于计算冷却塔泵的每个允许工作点处的冷却塔泵性能。“冷却塔”计算器20可用于计算每个可能工作条件（即，考虑进入冷却塔的水的温度和流速）处CW系统的冷却塔的性能。“冷却器”计算器22可用于计算在每个许可工作点处CW系统的冷却器单元的性能。处理系统24可以与部件12至部件22中的每个部件通信并且用于执行优化和预测计算从而满足在规定的WB处的客户和/或系统需求。WB设置点和任何其他相关客户或系统信息26以及关于负载28的信息可以提供给处理系统24。应当理解，通过“许可”或“可能”工作点或条件，意味着部件可以在其处（或内）工作的工作点的具体范围或工作条件的范围，并且意味着该范围可能部分地受限于CW系统的一个部件的作为对于CW系统的另一个部件的输入提供的输出。

参考图2，可以看出，系统10为其优化和预测能力而使用多个信息源。应当理解，通过系统10能够实施的预测和优化特征可以使得用户能够在几乎不减小或不减小系统10所管理的设备的能力的情况下实现明显的节能（并且因此节省成本）。系统10还使得在对作为给定环境中的热管理数据中心部件的不同CW部件进行控制时将预期加载时间表和/或预期未来环境条件考虑在内。

具体地，室内单元计算器模块12可以生成室内单元计算器数据单12a，主CW泵计算器模块14可以生成主CW泵计算器数据单14a，节约器计算器模块16可以计算节约器计算器数据单16a，冷却塔泵计算器模块18可以生成冷却塔泵数据单18a，冷却塔计算器模块20可以计算冷却塔数据单20a并且冷却器计算器模块22可以生成冷却器数据单22a。数据单12a至数据单22a中的每个表示关于在每个许可工作点处它们的关联部件中的每一个部件的性能的数据或信息。但是，如果该信息可从给定部件的制造商获得，则系统10可以使用从部件的制造商提供的信息。从数据计算单12a至数据计算单22a提供的信息可以由系统10用于进行其优化和/或预测计算，并且最终“推开”或替换（override）CW系统的各个部件的先前所确定的设置点以满足和/或维持WB设置点并且满足负载要求。

现参考图3，高级流程图100示出了图1的系统10在其优化/控制和/或预测操作中可以进行的各个操作。在操作102处，系统10可以获取或创建CW系统的至少一个部件的性能数据表（即，数据单）。实践中，CW系统的大多数或所有部件会具有为其生成的数据表，如结合图2所描述的。如果其正在接收来自CW部件中的不同部件或组合的输出作为输入，则这些数据表提供用于该部件的所有可能的工作点的性能信息并且优先地将可以施加给每个部件的限制考虑在内。

在操作104处，CW系统的每个部件的允许或适用的工作点被限定。关于这一点，应当理解，取决于通过CW部件中的其他部件施加在给定部件上的限制或其他因素，给定部件的工作点的限定范围实际上比部件实际上能够工作的工作点的范围窄。在操作106处，系统10生成用于CW系统的每个单独室内单元的、落入关于设置点或关于每个CW系统部件的允许工作条件的用户、客户和/或系统允许工作范围内的可获得的性能点的列表。在操作108处，系统10确定/计算用于覆盖负载的CW系统部件的等效循环特征，如每分钟的总加仑（GPM）水流量、温度差和SCWT（供应冷水温度）。

在操作110处，针对每个等效循环工作条件，系统10在给定周围环境湿球（WB）输入的一些或全部可能工作条件下对CW系统部件进行平衡，以满足包括负载在内的CW部件的负载要求。这相当于生成用于CW系统的、满足用户、客户和/或系统需求的每个可用平衡点的列表。

在操作112处，在操作110处生成的列表可以用于优化分析。这可能涉及进行各种分析，包括但不限于用于操作CW系统的能量分析、水分析、潮湿（或除湿）分析、设备分级分析、节约分析、维护分析和总成本分析。

在操作114中，系统10可以可选地用于根据需要“推开”或替换对适当的CW部件的先前实施的设置点以实现所需的客户、用户或系统期望优化。在操作116处，系统10可以可选地使用在操作112处进行的上述分析以及负载分布和大小的趋势数据以及用于给定环境的湿球历史数据，来构造用于CW系统部件的预测优化表和/或设置点图以积极地优化系统来满足变换的负载和/或环境要求。

图4示出了用于说明如何能够取决于供应冷却水温度（SCWT）和供应去除风温度（SAT）的相对地小的变化而同时当前负载和湿球（WB）保持恒定来实现效率上的明显差异的图200。出于本公开内容的目的，词语“SAT”应当被理解为包括供应和/或移除风温度。

图表200示出了表示相对于当前负载和WB处的最坏可能工作条件能量节省的百分比（与成本有关）的条202至条210，其可以通过SCWT和SAT的轻微变化来实现。例如，块210表示当SCWT被设置成58°F并且SAT被设置成67°F时可以实现大约34%的能量节省。在图表200的相对端，块202表示当SCWT被设置成45°F并且SAT被设置成64°F时可实现的能量节省将仅为11%。图表200由此向用户表明相对于当前工作条件（即，在WB为62°F以及负载为1200kW的示例中）、利用对SCWT和SAT两者的不同变化可以实现何种类型的能量节省。应当理解，系统10提供了强大的工具以帮助用户确定SCWT和SAT的小的改变相对于条件的基线集合（例如，相对于当前负载和WB温度）是否/如何预期影响总体能量节省。

图5示出了表示系统10可以构造的具体属性等高线图，其有助于直观地传达（即，预测）用户选择的变量将关于WB和/或负载变化如何进行变化。在描述图5的过程中，应当理解，用户会针对系统10正在监视和/或控制的每个CW部件而将许可设置点的范围（或可能仅一个设置点）输入至系统10中。用户可选范围不会超过设备制造商的具体设备限制。用户还指定了用于由302表示的变量的具体设置点或设置点的范围。这些选择的设置点可能包括许可的SCWT温度的范围、用户设置为许可的SAT的范围等。

图5的图300可以使得系统能够直观地表示用户选择的感兴趣的变量的变化。该变量可以是但不限于总CW系统能量消耗、相比基线的能量节省类型、SCWT、SAT设置点、工作的冷却器数量、工作的室内单元数量等。图5中的每个框可以由用户选择（如通过使用鼠标点击或使用手指进行触摸）来拉起另外的图或图表（如图4所示），以使得用户可以比较不同的工作设备情形以确认它们所施加的设备工作范围限制的影响。例如，如果用户选择图5中的框304，则可以提供如图4所示的图表，其将多个情形的总能耗与工作在用户已经选择的具体负载/WB温度处的每个情形的能耗进行比较。所示出的情形可以传达当要实施用户已经选择的不同的具体设备设置点和具体变量302时对总CW系统能耗的影响。图6示出了可以呈现给用户的图表400，其向用户表明系统10基于历史工作数据预测的负载和WB温度的方向。例如，系统10可以使用历史数据（如在每天的具体时间期间所经历的负载以及在每天的各个时间处经历的WB温度）来预测负载和WB温度的趋势。在图6的示例中，箭头402（为所示出的6个箭头当中最大的箭头）表示在当前时间（由框404表示）处趋势被系统10预测为朝向增加WB温度和减小负载。框或箭头的颜色直观地传达用户指定的系统属性。在仅本示例中，绿色的箭头可以表示系统会移动至更大的能量效率或工作的设备友好模式。当理解可能的工作条件计算中的优先时，理解系统条件的改变至预定值的可能性非常重要。

图7示出了图500，其示出了系统10如何将用于组成CW系统的负载和各个部件的变量考虑在内用于确定CW系统的每个可能许可设备配置的平衡点。图7还通过线502示出了如何以闭环方式使用实际的部件性能以基于实际的测量数据点来更新各个性能数据表。计算理论系统以在允许用户/设备限定边界内进行平衡。使用用户输入以确定期望的优化，具体的CW系统平衡结果被检查并且适当的设备设置点然后被传达给各件设备以使得各件设备能够以与理论模型（期望平衡）类似的方式做出反应。实际的各件设备的性能与理论性能之间的不一致性通过对设备数据表的调节来解决。系统会监视报警条件并且通过禁止关注设置点传达来保护设备。通过调节理论数据表，理论平衡的系统准确性会随着时间变得更加准确。

尽管描述了各种实施方式，但是本领域的技术人员应当认识到，在不偏离本公开内容的情况下可以做出修改与变化。这些示例说明了各种实施方式并且并非意在限制本公开内容。因此，描述和权利要求应不受限地进行解释，而仅具有从相关的现有技术来看为必需的这样的限制。