CN1328554C - 建筑物内的大气控制 - Google Patents

Abstract

一种在建筑物内控制大气状态的方法和系统(10)。在该建筑物内提供(100)经调节的流体。在该建筑物内在多个位置处感测(102)至少一个大气参数。由该感测步骤的结果产生(104)经验大气图。将该经验大气图与模板大气图进行比较(106)。在该经验大气图与该模板大气图之间辨别(108)模式差异，并且确定降低该模式差异的校正动作(110/112/114)。依据确定的校正动作，改变(116)该经调节的流体的量、质量、和分配中的至少一个。

Description

建筑物内的大气控制

相关申请

本发明与以下申请相关：Patel等人于2001年10月5日提交的序列号为No.09/970707的名称为“SMART COOLING OF DATACENTERS”；Nakagawa等人于2002年2月19日提交的序列号为No.XX/XXXXXX的名称为“DES IGNING LAYOUT FOR  INTERNETDATACENTER COOLING”；和Friedrich等人于YYYY年M月DD日提交的序列号为No.XX/XXXXXX的名称为“DATA CENTER ENERGYMANAGEMENT”。以上所列的每一专利均转让给本发明的受让人并且通过引证在此引入。

背景技术

本发明总体上涉及在建筑物内控制大气条件。一种类型的建筑物是容纳大量的电子封装组件的数据中心。每一电子封装组件布置在多个分布在该数据中心内的机柜中的一个机柜中。机柜可限定成EIA(美国电子工业协会)的机箱，并且可构形成便于容纳大量的个人计算机(PC)主板。该PC主板通常包括大量的电子封装组件，例如处理器、微控制器、高速图像处理卡、存储器、半导体器件等。这些电子封装组件在其相应部件的工作过程中排散出相当多的热量。例如，典型的包括多个处理器的PC主板排散出大约250W功率的热。因此，包含40个这种类型的PC主板的机柜可排散出大约10KW的功率的热。

在给定的机柜中使得由电子封装组件排散的热量散出去的所需功率通常等于这些封装组件工作所需的功率的10％。然而，在数据中心内使得由多个机柜排散出的热量散出去的所需功率通常等于在该机柜中的封装组件工作所需的功率的50％。使得数据中心的机柜之间的不同热负荷排散出去的所需功率量的不均衡归因于在数据中心中冷却空气所需的附加的热力功。机柜通常用风扇来冷却，风扇使得冷却流体例如空气移动经过排散出热量的部件，而数据中心使用逆功率循环来冷却被加热的返回空气(回风)。除了使得冷却流体在数据中心和冷凝器中移动所涉及功之外，实现温度降低所需的额外的功通常合计达到上述功率需求的50％。因此，在冷却独立的电子封装组件机柜所面对的问题之外，冷却整个数据中心提出了主要的待解决的问题。

为了基本上确保布置在数据中心的机柜内的电子封装组件适当地工作并延长其寿命，必需使得该封装组件的温度保持在预定的安全工作范围内。在高于最大工作温度的温度下工作将对电子封装组件导致不可逆的损坏。此外，已经确定：电子封装组件例如半导体电子器件的可靠性随温度的升高而降低。因此，在工作过程中由电子封装组件产生的热能必须以确保所需的工作和可靠性要求的速率散出去。由于数据中心的尺寸较大并且其中包含的电子封装组件的数量较多，因此将数据中心冷却到预定的温度范围内通常是昂贵的。

数据中心通常借助一个或多个空调单元的工作来冷却。该空调单元的压缩机通常至少需要充分冷却该数据中心所需制冷量的30％。例如冷凝器、鼓风机(风扇)等的其它部件通常还需要该所需制冷量的20％。例如，具有100个机柜的高密度的数据中心(其中每个机柜具有最大消耗功率10KW)通常需要1MW的制冷量。具有1MW热量排出能力的空调单元通常在除了驱动空气鼓风装置(例如风扇、风机等)所需功率之外还需要至少300KW的压缩机输入功率。

常规的数据中心的空调单元不基于数据中心的特定位置的需求分布来改变其冷却输出。通常，在数据中心中，正在工作的的电子封装组件的作功分布是随机的并且不受控制的。由于作功分布，在数据中心的一个位置处的一些部件可能以最大能力在工作，而在数据中心中的其它位置处的其它部件可能以低于最大能力的不同功率等级在工作。另外，常规的冷却系统通常连续性地以100％的能力来运行，由此冷却所有的电子封装组件，而不管需求是怎样的。换言之，为了充分地冷却数据中心的机柜内包含的发热部件，数据中心基于整体的和房间大小的水平来进行空气调节，由此产生了不必要的高运行费用。而且，现有技术试图使用比较不准确和不精确的方法来监控和调节温度分布从而进行冷却，这导致了数据中心的冷却效率不可能是最佳的。

发明内容

依据本发明的一个实施例，提供了一种在建筑物内控制大气状态的方法。该方法包括以下步骤：在该建筑物内提供经调节的流体，并在该建筑物内在多个位置处感测一个或多个大气参数。由该感测步骤的结果，随后产生经验大气图，并将该经验大气图与模板大气图进行比较。在该经验大气图与该模板大气图之间辨别模式差异，并且确定降低该模式差异的校正动作。最后，改变该经调节的流体的量、质量、和分配中的一个或多个。依据本发明的另一方面，提供了一种用于实施本发明的方法的实施例的系统。

附图说明

参照以下附图并结合以下的详细描述，本领域的普通技术人员可更好地理解本发明的特征和优点，在附图中：

图1是本发明的系统的实施例的示意图；和

图2是本发明的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

因为在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本发明可以按多个实施例来实施，因此本发明不限于仅应用于在此所述或所示的任何特定方式。首先，为了简明地进行说明，本发明只通过数量有限的实施例来描述。尽管在此特别地仅披露了本发明的数量有限的实施例，但是本领域的普通技术人员应当理解，可等效地应用相同的原理，并且可以在所有类型的大气控制系统中实施该原理。另外，给出了大量的特定详细描述，以便清晰且适当地表明发明人对本发明的拥有的权利、如何利用和/或实施本发明、以及在应用时发明人已知的最佳实施方式。然而，本领域的普通技术人员应当理解，本发明的实施不限于这些特定的详细描述。在其它情况下，没有详细地描述公知的结构和方法，以便没有对本发明不必要地混淆。最后，在此使用的术语仅仅是说明性的而非限定性的。因此，以下的详细描述不能理解为限定性的，并且本发明的范围由权利要求及其等同形式来限定。

总体上依据本发明，一种方法及其系统构思成便于控制在建筑物内的一个或多个大气(atmospheric)状态。更具体地说，该方法和系统构思成便于在整个数据中心内调节经过调节的流体的量、质量、和分配中的一个或多个。该方法和系统构思成以便基于大气状态绘图和模式识别来实现这种控制；使用在整个数据中心内的不同的分离传感器位置处测量的一个或多个大气参数作为输入。

依据本发明的一个实施例，冷却数据中心通常所需的能量可通过以下方式相对地降低，即，借助在数据中心内在具有较高的热量排散的机柜处明显增大地调节或增加冷却流体的流动，并在具有较低的热量排散的机柜处明显增小地调节或降低冷却流体的流动，从而在数据中心内有策略地分配冷却流体或经调节的空气。因此，冷却系统的例如压缩机、风扇等的装置可依据实际位置和区域的特定冷却需要来工作，而不是以大致100％的预计机柜排散热量来运行。此外，在整个数据中心内依据机柜的预计热负荷来定位机柜，由此使得定位在整个数据中心的不同位置处的计算机机房空调单元(CRAC)以更高效的方式来运行。在另一方面中，机柜的冷却和冷却策略可以借助使得整个数据中心内的冷却流体流动模型化和计量化来确定。此外，数字化的模型建立可确定整个数据中心内的冷却流体流动的体积流量和流速。

参照附图详细描述，图1是用于依据本发明的实施例的系统10的示意图。该系统总体上包括大气传感器12、中央处理单元(CPU)14、和大气控制系统16。该大气控制系统16可以是智能冷却系统，例如Patel等人于2001年10月5日提交共同未决的美国专利申请序列号No.09/970707，其转让给本发明的受让人并且通过引证在此完全引入。或者，可以构思到可使用任何类型的用于控制大气状态的系统，其包括空调系统、加湿系统、过滤系统、灭火系统等。

该大气传感器12用于测量一个或多个大气参数，并且温度传感器，例如热电偶、温度换能器、热敏电阻等。大气传感器12还可包括湿度传感器、大气压力或压力传感器、流体流速传感器、颗粒传感器、烟雾传感器等。大气传感器12位于希望进行大气控制的数据中心类型的(未示出的)建筑物的整个部分内。具体地，大气传感器12可按不同的方式来定位。例如，大气传感器12可以在不同的位置和高度随意地分布，或者依据预定的坐标格对准，或者依据经计算的流体动力学模型的推荐来布置。在任何的情况下，可以构思出，几万平方英尺的非常大的数据中心可能需要分布在其中的数千个大气传感器12。该大气传感器12通过导线或借助无线遥测与CPU14进行电子通信。在任何情况下，CPU14可记住每一大气传感器12的位置，以便使得每一输出在“状态图”上表示。

CPU14可以是独立的个人计算机、计算机主板或设置在数据中心内的一个机柜中的主板等，而且CPU14包括装载在其中的不同软件。首先，CPU14包括用于产生大气状态的图的软件，例如热学状态绘图软件18。热学状态绘图软件18可以处理数千个输入数据点和输出类似状态图的信息，输入数据点是例如数千个传感器信号。例如，热学状态图包括限定不同的等温区域的温度轮廓线或等温线，和不同温度的热学状态图。这些等温线的极点通常称为“热点”。热点不必以精确的位置对应于任何给定的温度传感器，但是可以定位在不同的温度传感器之间。热学状态绘图软件可以从温度传感器的已知位置外推和三角计算出实际热点的位置。因此，如果在数据中心中温度传感器以不同纬度和经度位于高度范围内，热学状态绘图软件通过三角计算不仅可得到热点的坐标位置，而且还获得其高度。温度传感器的读数提供了温度数据和用于计算温度梯度的数据，这些可用于创建热学状态图。在缺少准确或综合的温度数据的情况下，温度梯度可用于在数据中心内通过数学优化法例如最陡梯度等来定位热点。通常，三角计算代表了相对准确和有效的近似计算法，并且因此可使用更少的且分布更稀松的温度传感器，以便按需要节省设备费用和错误模式。

第二，CPU14包括用于在这些状态图中识别模式差异(patterndifferentials)的软件，通常成为模式识别软件20。这种软件基本上涉及解码过程，其中在不需要人干预的情况下进行模式的区分。第三，策略软件22装载在CPU14中，并且用于确定校正动作的进程，以便通过接收绘图软件18的输出、处理该输出、并向冷却系统16输出指令从而消除该模式差异或使其最小化。可以构想出，通常用途的数学优化软件例如MATLAB可适于形成热学状态图并且通过模式识别来辨别热点。还可构想出，在此刻可使用用于特定应用场合的神经网络算法来实现相同效果。

作为响应，冷却系统16用于改变冷却该数据中心的冷却流体的量、质量、和分配中的一个或多个。冷却系统16包含制冷机单元24，但是本领域的普通技术人员应当理解其它的多种类型的公知冷却系统可用于本发明，其中包括例如制冷系统、冷却塔系统、冷却器-冷凝器系统等。在任何情况下，冷却系统16还包括一个或多个速度可变的鼓风机或风机26，以及一个或多个遥控的风阀或通风口28。本领域的普通技术人员应当理解，连接风机、通风口等的通风结构在供热、通风、和空调(HVAC)领域是公知的。

可改变冷却系统控制变量的任何组合，以便改变冷却流体的量、质量、和/或分配，并且由此在数据中心内调节大气状态。例如，制冷机循环可在运行能力的0-100％之间增大或减小，以便改变冷却流体的冷却质量，即温度、湿度、颗粒数等。为了改变冷却流体例如经调节的空气的量，可调节风机26的速度和/或节气操作，并且可独立地或同时地改变通风口28的开启度的百分比。另外，如果通风口28包括(未示出的)风机，则还可调节这种风机的速度。为了改变经调节的空气的分配，多个制冷机、风机、和通风口中的一个或多个可有策略地调节，以便在数据中心内标定一个或多个热点位置。例如，数据中心的一个角落正需要整个数据中心的冷却要求中的最大部分，则选定最接近的制冷机、风机、和通风口，同时其它的相对较远的制冷机、风机、和通风口可停机或减少。可以构想到，还可调节任何其它的合理预计的大气控制系统的控制变量。

现参照图2，除了以上描述的实施例之外，本发明的方法的实施例涉及CPU在温度传感器和冷却系统之间的协调工作。本发明的方法还可使用除了在此所述之外的其它系统来实施，并且因此不限于此。在此所述的系统简单地是该方法的多个可能的实体表现中的一种。如上所述，冷却系统向数据中心内提供冷量，以便冷却数据中心内的设备，如方框100。在方框102中，在数据中心内的温度在不同位置被感测，并且传送到CPU。

热学状态绘图软件通过由特定点的温度传感器数据产生经验的热学状态图从而将特定点的温度传感器数据转变成信息，如方框104所示。如上所述，热学状态图可由分离的传感器位置基于数学优化法进行三角计算获得热点。已知在多种状况下出现热点，例如由于电子封装组件特别高的使用率引起该封装组件在给定的机柜中产生特别大的功率量，以及数据中心冷却系统不能提供足够的经调节的流体以便缓解这种过热。当机柜输出是正常热量时，但是数据中心冷却系统在特定位置发生故障或整体故障时，也可能出现热点。

可基于瞬时、瞬态、采样来实施热学状态绘图步骤，或者该步骤实时地进行。还可以构想到，热学状态图可以在没有分离的温度传感器的情况下通过使用热成像技术直接产生，热成像可基于在数据中心内的设备发射出的热量的红外线的检测。还可以构想到，热学状态图可以通过估算温度来产生，该温度是数据中心内的电子封装组件和/或机柜的功率消耗的函数。因此，可通过使用热成像设备和软件或由功率消耗推算出温度，从而实现温度感测和图产生步骤。

热学状态图还提供了对于数据中心经营者而言强大的视觉工具。典型的数据中心是在热学上非常相互依赖的环境，其中每一机柜的每一电子封装组件的热性能以不同的强度级影响相邻的封装组件和机柜的性能。因此，热学状态图还提供了图像化的信息方式以便辨别数据中心整体的热学相互依赖性。

如方框106所示，模式识别软件将经验的热学状态图与模板热学状态图进行比较。模板热学状态图可称为母版、或模型热学状态图。该模板基本上代表了最佳运行的数据中心冷却系统的热学状态图。该模板可以是动态的，以实时形式由当前的运行状况产生，或者可以是静态的，在该比较步骤106之前产生。经计算的流体动力学(CFD)软件工具例如FLOVENT/AIRPACK被广泛应用并且对于本领域的技术人员而言是公知的。该CFD工具接收不同的输入以便建立模型，其包括数据中心内的机柜发出的热负荷，在整个数据中心内冷却流体流动的流速，以及在数据中心内的温度、压力等。CFD模型可用于数据中心的设计和布置，提出机柜和通风口的位置。或者，CFD模型可用于输出一个母版、模板、或模型热学状态图，以便通过调节冷却系统变量来模拟。这方面的教示是Nakagawa等人于2002年2月19日提交的序列号为No.XX/XXXXXX的名称为“DESIGNING LAYOUT FOR INTERNETDATACENTER COOLING”的美国专利申请，其转让给本发明的受让人并且通过引证在此引入。

在经验热学状态图与模型热学状态图比较之后或同时，模式识别软件还应用于识别其间的模式差异，如方框108所示。模式识别还通称为模板匹配、掩蔽等。例如在数据中心的冷却的情况下，可辨别热学的热点。一旦辨别，可进行一个初始的分类步骤，如方框110所示。特定的等温线超过温度、尺寸等的预定范围，并由此标定等温线以便消除或降低。或者，如果所有等温线在温度、尺寸等的预定范围，则冷却系统只是简单地保持当前的状况和设定，如方框112所示。

当识别出该模式差异时，策略软件用于确定所需的校正动作，以便消除或至少减小在数据中心内的模式差异，如方框114所示。控制变量数据例如通风口的位置、风机的能力、和制冷机的能力可用于确定如何最高效地冷却该数据中心。此外，还可使用热学状态图，例如等温线的位置、尺寸和强度。具体地，上述的数据组是相关的以便生成校正动作的最佳效率的进程。

在方框116中，基于所选定的校正动作，可改变冷却系统的经调节的流体的量、质量、和分配中的一个或多个。例如，如果热点等温线的尺寸和/或强度较小，则该冷却系统仅调节最接近等温线的位置的通风口的打开尺寸。另一方面，如果等温线的尺寸和/或强度较大，则除了增加制冷机循环之外，可调节多个通风口。相似地，如果冷却系统包括多个制冷机，可增加最靠近该等温线的制冷机的循环。通常，对于展示出在预定的可接受的范围内的模式差异的数据中心位置而言，冷却流体的量和/或质量可降低、或保持。相反，对于展示出超过预定的可接受的范围的模式差异的数据中心位置而言，冷却流体的量和/或质量可增加。最后，该方法可如此实施，即，使得温度感测步骤经改变可调节的空气的步骤是连续的回路。

本领域的普通技术人员应当理解，本发明可以明显地降低冷却数据中心所涉及的能量消耗，这是由于使用了直接的特定位置的冷却，而不是散流的以房间为等级的冷却。更具体地说，与现有技术相比，该冷却系统可以相对高效地运行，这是由于使用更精确的方法跟踪并采用作为冷却系统控制的输入的实际温度测量值。换言之，本发明提供了这样的方法，其用于获取大量的分离的特定位置的温度数据点并且将其转变成更连续的平滑的热学状态图形式的信息。本发明适于与需要数千个传感器或甚至仅几个适当布置的传感器的应用场合结合使用。而且，在估算或三角计算热点的位置、尺寸、和强度中，本发明可使用传感器位置之间的空间，这使得与现有技术允许的相比可更准确的热点减少。因此，与现有技术和给定尺寸的数据中心相比，本发明提供了一种更准确且高效的冷却方法，因此需要更小和更少的冷却装置以及更低的能耗。

尽管通过数量有限的实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解可以以其它形式来实施本发明。换言之，本发明的教示包括权利要求限定的任何合理的替代或等效形式。例如，除了在此所披露的之外，可使用其它模式来实施本发明的方法步骤，并且该方法可与在此披露的系统独立地实施。本领域的普通技术人员应当理解，其它的应用包括在数据中心之外的冷却也可利用本发明。因此，本发明不仅限于数据中心的冷却，而是可广泛地应用于许多其它的环境控制系统，其包括特定的过滤装置、HVAC等。因此，本发明的范围仅由以下的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种在建筑物内控制大气状态的方法，该方法包括以下步骤：

在该建筑物内提供(100)经调节的流体；

在该建筑物内在多个位置处感测(102)至少一个大气参数；

由该感测步骤的结果产生(104)经验大气图；

将该经验大气图与模板大气图进行比较(106)；和

在该经验大气图与该模板大气图之间辨别(108)模式差异。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

确定(110/112/114)校正动作以便降低该模式差异；和

依据该确定步骤改变(116)该经调节的流体的量、质量、和分配中的至少一个。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该供应步骤包括操作一具有多个通风口(28)、至少一个风机(26)、和至少一个经调节的空气的源(24)中的至少一个的系统(10)的步骤，并且该确定步骤包括使得该模式差异的位置、尺寸、和强度中的至少一个与所述多个通风口的位置、所述至少一个风机的速度、和所述至少一个经调节的空气的源的能力中的至少一个相关联。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该产生步骤包括使用热学状态绘图软件(18)以便处理来自该感测步骤的输入并且产生形式为该经验大气图的输出。

5.一种冷却其中具有设备的数据中心的方法，该方法包括以下步骤：

在该数据中心内提供(100)冷却流体以便冷却该数据中心内的所述设备；

在该数据中心内在多个位置处感测(102)温度；

由该感测步骤的结果产生(104)经验热学状态图；

将该经验热学状态图与模板热学状态图进行比较(106)；和

在该经验热学状态图与该模板热学状态图之间辨别(108)模式差异。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

确定(110/112/114)校正动作以便降低该模式差异；和

依据该确定步骤改变(116)该冷却流体的量、质量、和分配中的至少一个。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该供应步骤包括操作一具有多个通风口(28)、至少一个风机(26)、和至少一个经调节的空气的源(24)中的至少一个的系统(10)。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该确定步骤包括使得该模式差异的位置、尺寸、和强度中的至少一个与所述多个通风口的位置、所述至少一个风机的速度、和所述至少一个经调节的空气的源的能力中的至少一个相关联。

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