JP2015505400A - Ｈｖａｃユニットの気温制御 - Google Patents

Abstract

還気温度または排気温度を制御するように構成された複数のＨＶＡＣユニットを備えたＨＶＡＣシステムを安定化するシステムおよび方法が提供される。還気温度によって制御されるＨＶＡＣユニットは、還気温度を、ＨＶＡＣユニットの動作が高まるか、低まるか、または同じままであるかを確定するセットポイントと比較する。特定の基準（例えば、ＨＶＡＣユニットの所望の動作力）に基づいて、ＨＶＡＣユニットのセットポイントを調整することによって、システムを、安定化することができる。温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）システムは、ＨＶＡＣユニットが、所望の動作力（例えばコンプレッサ速度または弁の位置）の範囲内で動作するように、ＨＶＡＣユニットの温度セットポイント（ＴＳＰ）をリセットする各ＨＶＡＣユニットに含まれ得る。主フィードバックループおよびオプティマイザループを実施して、ＨＶＡＣシステム挙動をさらに制御し得る。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年１２月１２日出願の米国仮特許出願第６１／５６９，７２８号「ＨＶＡＣユニットの気温制御」の優先権を主張するものであり、かつ同仮出願の非暫定出願であり、同出願の内容を全て参考文献としてここに援用する。

本出願は、共同所有の２０１１年８月２２日に出願された米国特許出願第１３／２１５、１８９号「ＨＶＡＣシステム用エネルギー最適化制御判定」および２００９年３月３日に出願された米国特許出願第１２／３９６，９４４号「ＨＶＡＣユニットの制御を調整する方法と装置」に関連し、これらの開示の全てを参考文献としてここに援用する。これらの開示の全てを参考文献としてここに援用する。

本発明は、概略的には、加熱、換気および空気調節（ＨＶＡＣ）システムなどの環境制御システムに関し、このシステムを使用して、例えばサーバコンピュータを含むデータセンターの中に存在し得るような、コモンスペースの温度および／または湿度を制御することができる。より厳密には、本発明の実施形態は、安定したかつ効率的な方法で複数のＨＶＡＣユニットを制御することに関する。

現代のデータセンターは、ＨＶＡＣシステムを使用して、室内の温度、湿度および他の可変要素を制御している。多数のＨＶＡＣユニット（多くの場合データセンターコンテクストではコンピュータ室空調装置（ＣＲＡＣ）と呼ばれる）をデータセンター全体に展開することは一般的である。それらは、多くの場合、据え置き型ユニットであるが、壁掛け、ラックマウント、または天井取り付けの場合もある。さらに、ＨＶＡＣユニットは多くの場合、冷却空気を上げ床プレナム、通風ダクトのネットワーク、または、データセンターの屋外のいずれかに提供する。データセンター自体または大規模なデータセンターの大きなセクションは、オープンプラン構造、すなわちデータセンターのある部分の空気を別の部分の空気から分離する永続的な間仕切壁のない構造になっている。したがって、多くの場合、これらのデータセンターには、複数のＨＶＡＣユニットによって温度制御かつ湿度制御されたコモンスペースがある。

データセンター用ＨＶＡＣユニットは、通常、非集中型のスタンドアローンの制御装置で作動される。各ユニットが、データセンターからユニットに入る空気の温湿度を制御する目的で動作するのが一般的である。例えば、ＨＶＡＣユニットは、ユニットに入る空気の温湿度を確定するセンサを含んでいる場合がある。このセンサの測定値に基づいて、そのＨＶＡＣの制御装置は、ユニットに入る空気の温湿度を変えて、そのユニット用セットポイントに合わせる目的でユニットの動作を変更する。

信頼性のために、ほとんどのデータセンターは、過剰な数のＨＶＡＣユニットを備えて設計される。オープンプラン構造のため、空気がデータセンター全体を自由に流れているので、あるユニットの動作が、別のユニットの動作と連動する可能性がある。ユニットが過剰で、それらが空気を実質的に重複領域に送り込むという事実は、冗長性をもたらしており、このことは、１つのユニットが故障した場合でも、データセンター機器（サーバ、ルーターなど）が、十分に冷却されることを確実にする。

しかし、ユニットからの還気または排気を制御するように機能するユニットでのこのように冗長な動作は、ユニットの動作に不安定性を生じさせる可能性がある。例えば、第１のユニットの吸気は、別のユニットの出力につながる可能性があり、このことにより、第１のユニットが止まることになる。このような課題は、システムの非効率的動作の原因となり得る。この課題に対する１つの解決策は、排気温度または還気温度を使用せずに、代わりにユニットから離れたセンサを使用することであり得る。しかし、これらの実施は、すでに空気温度制御が実装されたシステムでは、高コストで実用的ではない可能性がある。

したがって、還気温度または排気温度を制御プロセスの一部として使用するＨＶＡＣユニットを制御する新規なシステムおよび方法の提供が望まれる。

本発明の実施形態は、還気温度または排気温度を制御するように構成された複数の環境維持ユニット（ＨＶＡＣおよびＣＲＡＣなど）を備えた環境維持システムを安定化するシステム、機器および方法に着眼する。データセンターの大部分のユニットは、還気温度によって制御されるように構成される。還気温度によって制御されるユニットは、還気温度をセットポイントと比較する。セットポイントとの差に基づいて、ユニットの動作は、上がる、下がる、または同じ状態を維持する。理論的には、ユニットの出力は、還気温度をセットポイントに近づけるようにするものである。しかし、実際には、２つ以上のユニットの動作が連結しているので、他のユニットの出力が第１のユニットの還気温度（または排気温度）を制御する可能性がある。実際では、ユニットの出力は、自体の還気温度から分断されるようになり、それによって、動作が不安定または非効率的になる。

この課題に対処するために、実施形態は、特定の基準（例えば、ユニットの所望の作動力）に基づいて、ユニットのセットポイントを調整することができる。還気温度または排気温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）システムを、ユニットごとに使用することができる。ＴＳＰＲは、ユニットが、所望の作動力（例えばコンプレッサ速度または弁の位置）の範囲内で作動するように、ユニットの温度セットポイント（ＴＳＰ）をリセットする。セットポイントを、さらに、環境の実際の温度に基づいて変更することができる。したがって、ユニットは、還気温度または排気温度を使用するように構成されているが、環境の実際の温度を提供する他のセンサを、さらに使用することができる。

１つの実施形態によれば、複数の環境維持ユニットを備えた環境維持システムを制御する方法が提供される。複数の環境維持ユニットの第１の環境維持ユニットの動作パラメータの第１の基準が、受信される。第１の環境維持ユニットは、気温と第１の温度セットポイントとの間の第１の温度差を算出し、この第１の温度差を使用して第１の環境維持ユニット用動作パラメータの動作レベルを確定するように構成されている。第１の基準は、第１の動作差を取得するために第１の動作セットポイントと比較される。第１の温度セットポイントの第１の調整は、第１の動作差に基づいて確定される。第１の調整は、第１の環境維持ユニットに送信される。

第１の温度セットポイントは、第１の動作差から導出される第１の変化値を計算し、複数のユニットの第１のユニット用気温を受信し、第１の変化値を気温に追加することによって調整され得る。第１の動作セットポイントは、さらに、最低環境制御温度または最高環境制御温度（例えば、ユニットから離れた無線センサによって測定された）を超えたかどうかに基づいてオフセットされ得る。第１の動作セットポイントは、さらにペナルティ関数に基づいてオフセットされ得る。

本発明の他の実施形態は、本明細書に記載する方法と関連したシステム、装置およびコンピュータ可読媒体に着眼する。後続の詳細説明および添付図面を参照することで、本発明の本質および利点をより深く理解されるであろう。

環境における２つのＨＶＡＣシステムの例示的な２状態数学モデルのブロック図を示す。 本発明の実施形態によるコンピュータ室空気調節（ＣＲＡＣ）システムを制御する方法のフローチャートを示す。 本発明の実施形態によるＣＲＡＣシステムを制御するシステムのブロック図を示す。 還気温度を用いてリセット温度セットポイント値を設定する本発明の１つの実施形態によるＣＲＡＣシステムを制御するシステムのブロック図を示す。 主制御ループを用いてシステムを最大環境制御範囲の中に維持する本発明の実施形態によるＣＲＡＣシステムの中でいくつかのＣＲＡＣユニットを制御する方法のフローチャートを示す。 主フィードバックループを実施してシステムを最大環境制御範囲の中に維持する本発明の１つの実施形態によるＣＲＡＣシステムを制御するシステムのブロック図を示す。 本発明の実施形態によるオプティマイザループによって実施されるＣＲＡＣシステムを最適化する方法のフローチャートを示す。 主フィードバックループおよびオプティマイザループの両方を実施してシステム応答を最適化する本発明の１つの実施形態によるＣＲＡＣシステムを制御するシステムのブロック図を示す。 本発明の実施形態によるシステムおよび方法と併せて使用可能な例示的コンピュータシステム９００のブロック図を示す。

定義
本明細書で使用される場合、環境維持ユニットは、ＨＶＡＣユニット、コンピュータ室空気調節装置（ＣＲＡＣ）ユニット、または制御信号を受信して、特定領域の環境条件を達成するまたは維持するように設計された出力を供給する任意の装置であり得る。ユニットは、入力パラメータ（例えば、ファン回転速度用のモーターへの入力電圧または制御信号）および出力パラメータ（冷却要素の温度および毎秒回転数の実際のファン回転速度など）のようなさまざまな動作パラメータを有することができる。動作レベルは、どれくらいの力がユニットのアクチュエータ（例えば、ファン、コンプレッサなど）によって消費されているのかに関する情報を伝達する。モジュールの動作レベルは、例えば基準レベルと比較した、停止中、フルパワー動作中の入力電力のパーセンテージ、測定された出力値、ユニット内の特定の装置の動作に関するパーセンテージまたは値（例えばファン回転速度、温度セットポイント、湿度セットポイントまたは弁の位置）、および出力空気流の出力加熱または冷却力のパーセンテージまたは値を含み得る。

本明細書で使用される場合、作動力は、環境維持モジュールの動作における構成要素の力の何らかの基準であり得る。作動力は、１つ以上の動作レベルに応じて確定することができ、動作レベルと同等であり得る。例えば、作動力は、ＨＶＡＣユニットの１つのコンプレッサが動いている速度の基準であり得る。さらに、作動力は、ＨＶＡＣユニットが提供している冷却または加熱総量の基準であり得る。この作動力は、ＨＶＡＣユニットの各構成要素の作動力を追加することによって確定することができる。例えば、固定および可変コンプレッサおよびファンを備えたＨＶＡＣユニットでは、各構成要素の作動力を追加して、ＨＶＡＣユニットの作動力を確定することができる。さらに、作動力は、ヒーター、加湿器または任意の他の環境維持モジュールの構成要素の消費電力であり得る。作動力は、ＣＲＡＣシステムに焦点を絞って冷却力と呼ばれる場合も多い。しかし、作動力は、加熱システムの加熱力でもあり得る。

本明細書で使用される場合、作動力セットポイント（作動セットポイントとも呼ばれる）は、環境維持ユニットの動作における構成要素（アクチュエータ）の所望の力に関連する。セットポイントは、単一値または所望範囲の最小値または最大値であってもよい。作動力セットポイントは、作動力セットポイントが構成される構成要素の種類またはシステムの種類に基づいて確定することができる。
詳細説明

本発明の実施形態は、還気温度または排気温度を制御するように構成された複数のＨＶＡＣユニットを備えたＨＶＡＣシステムを安定化するシステム、装置および方法に着眼する。還気温度によって制御されるＨＶＡＣユニットは、還気温度をセットポイントと比較する。しかし、実際には、他のＨＶＡＣユニットの出力が第１のＨＶＡＣユニットの還気温度（または排気温度）を制御することができるように、２台以上のＨＶＡＣユニットの動作は連結されている。事実上、ＨＶＡＣユニットの出力はそれ自体の還気温度から分断されており、そのため、不安定または非効率的な動作を生じさせている。

この課題に対処するため、実施形態は、特定の基準（例えば、ＨＶＡＣユニットの所望の作動力）に基づいて、ＨＶＡＣユニットのセットポイントを調整することができる。還気温度または排気温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）システムを、各ＨＶＡＣユニットに含むことができる。ＴＳＰＲは、ＨＶＡＣユニットが所望の作動力（例えばコンプレッサ速度または弁の位置）の範囲で作動するように、ＨＶＡＣユニットの温度セットポイント（ＴＳＰ）をリセットする。セットポイントをさらに変更して、還気温度と環境の実際の温度との間の差に合わせて調整することができる。したがって、ＨＶＡＣユニットは、還気温度または排気温度を用いるように構成されていても、環境の実際の温度を提供する他のセンサを、さらに使用してもよい。

この説明では、不安定性の課題を、現在のシステムの中に存在するクロスカップリングの不安定性の簡易化した２状態数学的証明を用いて案内する。次に、解決策を簡潔に案内し、付随して、フローチャートおよびブロック図で好適な実施形態の一般システムおよび方法を説明する。次に、解決策の１つの実施形態に関連する実施詳細および複数の他の実施形態の実施詳細を説明する。最後に、主力ループおよびオプティマイザループを含む付加的な実施形態を説明する。
Ｉ．空気温度制御の不安定性

データセンターは、複数のＨＶＡＣユニットおよび複数のサーバラックを含む。１つの実施形態では、ＨＶＡＣユニットは、気流をデータセンターに提供して、サーバラックのサーバを冷却する一体的機器である。１つの態様では、ＨＶＡＣユニットは、その中を通過する空気を冷却、加熱、加湿、または除湿することができる。後述する本発明の実施形態は、コンピュータ室空気調節（ＣＲＡＣ）ユニットであるＨＶＡＣユニットに焦点を当てたものである。しかし、本発明の他の実施形態は、環境を加熱、加湿、または除湿することができる他のＨＶＡＣユニットを実装することも可能である。

ほとんどのＨＶＡＣ製造業者は、排気温度の代わりに還気温度に基づいて周囲温度を調節する超高効率冷却器を生産している。システムを、排気温度に基づいて環境温度を調節するように設計することは可能であるが、そうすることで、システム制御に関連する新たな課題が、もたらされる。超高効率ＨＶＡＣユニットは、同期して作動する可変速度コンプレッサおよび固定速度コンプレッサを備えていて、高効率な冷却を可能にしている。こうした超高効率冷却器は、本発明の実施形態を実装した好適なＣＲＡＣユニットであるが、任意のＨＶＡＣユニットを使用することも可能である。

これらのユニットは、特定の製造業者によっては最も望ましい、排出モードの温度差を測定するのに使用される可変速度ファンを含むことができる。このファンを使用して、還気読取り値および排気読取り値の温度差を調節する。コンプレッサ速度が固定されているときにファン回転速度が減速される場合、空気がユニットから排出される前に冷たくなるので、結果的に温度差が大きくなる。

ユニットは、個別の構成要素ごとにファンおよびコンプレッサ速度を報告するセンサを備えていることができる。しかし、構成要素ごとにセンサを備えていないユニットもあり、また、電源使用を全く報告しないユニットもある。ユニットが構成要素ごとの構成要素電力使用を報告しない場合、各構成要素またはＨＶＡＣユニットの動作中に使用される電力出力を確定するために、センサを設置してもよい。
複数のＣＲＡＣユニットのクロスカップリングの不安定性

現場経験、コンピュータシミュレーションおよび下位システムの分析研究の全てが示すように、ＣＲＡＣが還気温度を制御するように構成されているとき、複数のＣＲＡＣを備えたデータセンターグループは、不安定になり易い。不安定性の本質は、激しい温度変化または温度暴走ではない。その代わりに、一部のＣＲＡＣが非冷却で運転されながらも、一方で、最強冷却で運転される、また、一部が停止しながら、一方で残りのＣＲＡＣが、それらの還気温度を変えて調節する。最終的な結果では、ＣＲＡＣ自体が非常に効率的であっても、エネルギー使用量がより高くなり、還気温度は、冷却していないまたは最強冷却で動くＣＲＡＣのセットポイントに追従しない。

課題の本質は、さまざまな還気温度制御ループの間のクロスカップリングである。システムは、同じＣＲＡＣの還気温度と対になったＣＲＡＣのコンプレッサまたは冷却水弁を有する、単一ループの分散制御装置で制御されている、多入力、多出力システムである。

図１は、ある環境の２つのＨＶＡＣシステムの例示的２状態数学的モデルのブロック図を示す。図１のモデルは、２つの「区画」、１０１、１０２、および２つのＣＲＡＣ、Ａ（１１０）、Ｂ（１２０）を有する。各ＣＲＡＣからの排気は、分画ＤＡおよびＤＢの区画に分配される。空気は、２つの区画からＣＲＡＣに、分画ＲＡおよびＲＢで還流する。クロスフロー条件、ＦＣが存在し、これは、ＣＲＡＣフロー、ＦＡおよびＦＢと、排出分画および還流分画についての以下の関数である。

区画ごとに、Ｔｏの温度で、その区画から屋外まで熱伝導条件が存在する。

課題は、エネルギーバランス微分方程式を使用することによって示される。表記を簡潔にするため、区画ごとの質量項および質量流量は、比熱と連結されている。Ｍは、質量×比熱を意味し、Ｆは、質量流量×比熱を意味する。さらに、Ｈは、熱伝達係数×表面積を意味する。

相対ゲイン配列（ＲＧＡ）は、開ループ伝達関数行列の正規形である。通常、これは、零周波数（ｓ＝０）で算出される。伝達関数行列は、状態変数配列についての以下の関数である。

ゼロ周波数では、これは、以下のように単純化される。

相対ゲイン配列（ＲＧＡ）は、以下の通りに伝達関数行列から算出される。

相対ゲイン配列（ＲＧＡ）は、多入力、多出力システムと併せて使用される単入力、単出力制御装置の入出力ペアリング組み合わせを確定するのに最も一般的に使用される。以下、ＲＧＡと関連したファクトである。（１）ＲＧＡ（ｉ，ｊ）＜０の場合には、アクチュエータｊがセンサｉとペアリングした場合、システムは不安定である。（２）ＲＧＡ（ｉ，ｊ）＝０の場合には、アクチュエータｊは、センサｉに影響を及ぼさない。（３）０＜ＲＧＡ（ｉ，ｊ）＜０．５の場合には、ｊ以外のアクチュエータは、アクチュエータｊより大きな影響をセンサｉに及ぼす。（４）ＲＧＡ（ｉ，ｊ）＝１の場合には、アクチュエータｊは、他のループからの相互作用なしでセンサｉに影響を及ぼす。（５）ＲＧＡ（ｉ，ｊ）＞１の場合には、ｉ、ｊペアに加えて他の制御ループが、ｉ、ｊペアの開ループゲインを減らす効果を及ぼす。（６）ＲＧＡ（ｉ，ｊ）＞＞１の場合には、他の制御ループは、非常に高い制御装置ゲインをｉ、ｊペアに対して強制し、これによって、課題が生じる可能性がある。

以下の法則が、ペアリング組み合わせを選択するのに用いられる。（１）ＲＧＡ（ｉ，ｊ）が１に近いｉ，ｊペアを選択する。（２）ＲＧＡ（ｉ，ｊ）が負であるｉ，ｊペアを選択しない。（３）ＲＧＡ（ｉ，ｊ）が非常に大きいｉ，ｊペアは避ける。

データセンターのほとんどのＣＲＡＣの場合、ペアリングを選択することは不可能であり（それは、製造業者によって固定されたものであり、通常、そのＣＲＡＣの還気温度センサとペアになったＣＲＡＣ冷却機構である）、上記のペアリング法則に背く例が構築されやすい。

第１の事例では、システムが完全に独立しているように、システムが完全に分断されている。この事例は、上記のファクト＃４に対応する。それは、制御するのが最も容易である。データセンターは、オープンプラン設計のため、この事例は、実際には殆ど発生することはない。

第２の事例では、完全混合が存在するように、中間結合が存在する。この事例は、上記のファクト＃６に対応する。

伝達関数行列を反転することはできないので、ＲＧＡは、特異行列である。出力は、両方とも同じであり、両方の出力は、区画温度の等加重平均である。この事例の微小摂動は、きわめて大きいすべてのＲＧＡ値となる。

第３の可能な事例では、システムが最大限に連結されている。この事例は、上記のファクト＃１に対応する。これは常に不安定である。この挙動は、１つのＣＲＡＣからの排流が、別のＣＲＡＣの還流に直接入るまたは間接的に引き入れられる場合に発生する。

この事例では、ペアリングは、負である対角線に対応している。負の対角線は、クロスカップリングが、還気温度制御ループゲインの符号を変更していることを意味しており、これは、正フィードバックおよび不安定な制御を生じさせる。これらの条件を備えたシステムは安定していると考えられる唯一の理由は、ＣＲＡＣユニットの固有の制約のためである。温度が正常レベルのままである唯一の理由は、１つのユニットの構成要素制約が、部屋の温度を下げることを停止するからである。これは、極めて非効率的なエネルギー使用である。すべてのユニットが中間レベルで動いているとき、エネルギー消費は最善である。すべてのユニットが、相対的に等しいレベルで動いていれば理想的である。

ＣＲＡＣがデータセンターの１つの領域に空気を分配し、かつその還気をデータセンターの別の領域から得る事例では、クロスカップリングは、非常に強いので、それが、個別の還気温度制御ループの有効な開ループゲインを生じさせて、符号を変更し、結果としてコンプレッサ（または冷水弁）の一部もしくは全部を最小状態または最大状態のいずれかで動かす正のフィードバックをもたらす。

例えば、不安定な状況が、２つのＣＲＡＣユニットを備えたシステムで発生し、最高の還気温度を有し、かつ他のユニットの還気温度を冷却するユニットが、他のユニットを止める。これは、第２のユニットが、部屋は十分に低温であるとみなすからである。現実のデータセンターでは、ＣＲＡＣユニットは、互いに非常に近接しており、あるエアコンが、別の空気調節装置の還気センサを冷却し得る冷風を生成することになる。これが原因で、第２の空気調節装置は、冷却を停止し、このことが、第１の空気調節装置の負荷を増やし、さらに冷却させることになる。単純な２状態モードでは、サーバによって生成される熱が低い場合、一方の空気調節装置は停止し、他方の装置が冷却する。熱発生量が上昇するにつれて、システムは、一方のユニットが最大冷却で作動しながら、他方のユニットがオフのままの状態に達する。オフユニットが冷却を開始するほど、十分に温度が上昇するまで、この状態は続く。

あるユニットは１００％で動いており、あるユニットは調節しており、またはあるユニットはオフになるような、コアの不安定性が発生する。現実の環境では、これは、フリッピング挙動をもたらし、一部のユニットは１００％で動作し、他のユニットはオフになる。このフリッピングは、一部のユニットがオフになり、他がオンになるように、１日に１回程度だけ発生する可能性があるが、それは、やはり、不安定なシステムであり、極めてエネルギー効率が悪い。
ＩＩ．安定した制御

上記システムは、還気温度セットポイントを調整することによって安定化することができる。例えば、還気温度セットポイントが還気温度と等しく設定される場合には、コンプレッサ速度または冷水弁の位置は、変わらない。還気温度セットポイントを、所望のコンプレッサ「力」または冷水弁の位置に、調整することができる。所望のコンプレッサ力または所望の冷水弁の位置を調節するまたは最適化することができる。所望のコンプレッサ力または所望の冷水弁の位置は、「冷却力セットポイント」の例である。

温度セットポイントリセットシステムを挿入すると、一部のＣＲＡＣユニットをスタンバイモードにし、他を１００％冷却にする還気制御の不安定性を防止することができる。代わりに、いくつかの実施形態は、コンプレッサ力を比較的均一に分配することができる。部分負荷条件では、これは、還気制御を安定させない任意の方策に有意なエネルギー節約をもたらすにちがいない。何故ならば、ファンとコンプレッサとの間の速度と電力の関係が非線形であるからである。

したがって、解決策は、指定された冷却力（コンプレッサ速度、弁の位置など）で各ユニットを安定化する方法で、各ユニットの気温セットポイントを調整する（リセットするとも呼ばれる）ことである。各ユニットの指定された冷却力は、エネルギー消費を最小化するように調整することもでき、一方で、サーバ入口（データセンターのフロアの外）付近に設置される環境センサの温度が指定された制限を超えないようにする。

図２は、温度セットポイントリセットシステム（ＴＳＰＲ）によって実施される、本発明の実施形態による環境維持システムを制御する方法２００のフローチャートを示す。方法２００は、複数の環境維持ユニットを備えるシステムを安定化するのに使用される１つの環境維持ユニットの１つの温度セットポイントリセットシステム（ＴＳＰＲ）フィードバックループとして用いることができる。方法２００は、ステップ２１０、２２０および２９０は、環境維持ユニット２０１によって実行され、ステップ２３０から２８０は、ＴＳＰＲシステム２０２によって実行されるように開示する。しかし、いくつかの実施形態では、ステップは、どちらかのシステム、または両方のシステムによって実施され得る、または、環境維持ユニットが、ＴＳＰＲシステムを組み込んでいて、ステップの全てを実施し得る。システムの他の環境維持ユニットから独立した環境維持ユニットを安定化するために、各ユニットは、方法２００を実行することができる。

最初に、ステップ２１０では、環境維持ユニット２０１は、空気温度および温度セットポイント（ＴＳＰ）との間の温度差を確定する。環境維持ユニットは、システムの環境制御目的に応じてＣＲＡＣまたは他のＨＶＡＣユニットでもよい。空気温度の例として、還気温度および排気温度がある。ユニットは、ユニットへの給気口（還気温度）または排気口（排気温度）で空気を測定するように構成することができる。ユニットが、当該能力を有していない場合には、センサ（例えば、無線センサ）を追加することができる。ユニット２０１の制御回路を使用して差を確定することができる。

ステップ２２０では、環境維持ユニットは、温度差を用いてユニット２０１の動作パラメータの動作レベルを確定する。動作レベルを入力コマンドとして使用して、例えば、温度が所望の範囲外である場合には、古いレベルから動作パラメータを変更することができる。動作パラメータは、ユニット２０１の任意のアクチュエータの任意の入力パラメータ（例えば、コンプレッサ力またはファン回転速度用制御信号）、またはレベルをアクチュエータごとのレベルに変換することができる、ユニット全体用の入力パラメータであってもよい。

ステップ２３０では、温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）システムは、環境維持ユニットから動作パラメータの基準を受信する。１つの実施形態では、基準は、動作パラメータ（例えば、コンプレッサまたはファン回転速度）を変更するユニット２０１によって確定されるような動作レベルであり得る。別の実施形態では、基準は、アクチュエータ（例えば、ファンブレードの毎秒回転数）の出力を直接測定する装置によって確定することができる。動作パラメータの第１の基準は、ステップ２１０で温度差を計算するのに使用された空気温度と同じでなければ好ましい。

ステップ２４０では、ＴＳＰＲシステム２０２は、動作パラメータの基準をそれぞれの環境維持ユニット用の作動力セットポイントと比較することによって動作差を確定する。差は、単純に減算したもの、またはより複雑なものであり得る。例えば、差は、拡大縮小することができ、差をとる前に、値を拡大縮小することができる。

ステップ２５０では、ＴＳＰＲシステム２０２は、温度セットポイント（ＴＳＰ）の調整を動作差に基づいて確定する。実施形態は、動作差から導出される変化値を算出し、固定値または空気温度を変化値に加算することによって、温度セットポイント（ＴＳＰ）の調整を確定することができる。変化値は、システムの任意のプロセッサ上で実行中の専用の論理またはソフトウェアであり得る、比例積分微分（ＰＩＤ）制御目標または他のフィードバック制御目標を用いて算出することができる。

ステップ２６０では、続いて、ＴＳＰＲシステム２０２は、調整された温度セットポイント（ＴＳＰ）を環境維持ユニット２０１に送信する。ネットワークケーブルを通じて、または、内部回路を通して送信され得る。調整は、新しいＴＳＰ値または変化値であってもよく、ユニット２０１が、それを現在のＴＳＰに加算またはそれから減算することができる。

ステップ２７０では、環境維持ユニットは、調整された温度セットポイント（ＴＳＰ）を受信する。次のサイクルでは、ユニット２０１が次の空気温度を確定するとき、次の動作レベルは、次の空気温度と新しいＴＳＰとの差をとることによって確定される。したがって、ユニット２０１は、調整された温度セットポイント（ＴＳＰ）に基づいて、環境維持ユニット用に新しいアクチュエータ値を算出することができる。

図３は、上で説明した方法を実施可能な複数のＣＲＡＣユニット３０１を備えたＣＲＡＣシステム３００のブロック図を示す。ＣＲＡＣ−１３０１およびＣＲＡＣ−Ｎ３０１と表記されるブロックは、ＣＲＡＣユニットの内部制御回路を示す。ＣＲＡＣユニットは、それらの入口位置または出口位置に空気温度センサを備えていて、ユニットの還気温度３６０および／または排気温度３７０をそれぞれ測定し得る。ＣＲＡＣユニットは、温度セットポイント（ＴＳＰ）３５０を受信して、その値をＣＲＡＣユニット３０１の構成に応じて還気温度または排気温度のいずれかと比較する。図３では、ＣＲＡＣは、還気温度によって制御されているので、ＣＲＡＣは、温度セットポイント（ＴＳＰ）３５０と還気温度（ＲＡＴ）３６０との差をとる。続いて、ＣＲＡＣは、フィードバック制御目標（ＰＩＤ目標）３４０−１を温度間の差に当てはめて、コンプレッサ値ＣＭＰ３０２を確定する。続いて、コンプレッサ値ＣＭＰ３０２を、熱交換器ＨＸ３０４の伝熱係数を変更するコンプレッサに適用して、ＣＲＡＣの冷却量を確定する。これらのコンプレッサ値は、ＣＲＡＣ内の複数のコンプレッサ用であり得、可変速度コンプレッサおよび固定速度コンプレッサの両方に対するものであり得る。コンプレッサ値を用いて、冷却力（ＣＥ）を確定する。

いくつかの実施形態では、さらに、ファン力（ＦＥ）３０７を、温度セットポイント（ＴＳＰ）とデルタ値３０５との間の差を検出することによって確定することができる。デルタ値３０５は、還気温度セットポイントと排気温度セットポイント（ＤＳＰ）３０６との間の差である。差は、排気温度セットポイント（ＤＳＰ）３０６の結果となる。ＤＳＰ３０６は、排気温度（ＤＡＴ）３７０と比較され、その演算結果が、ファン３０３用の速度指令を生成する制御目標（ＰＩＤ）３４０−２に入力される。ファン回転速度は、次にＤＡＴ３７０に影響を及ぼす熱交換器ＨＸ３０４に影響を及ぼす。これは、ファン力（ＦＥ）３０７を検出するのに使用できるファン値を提供する。

ＣＲＡＣユニット３０１は、冷却力（ＣＥ）３２０が、還気温度（ＲＡＴ）３６０を用いて確定され、ファン力（ＦＥ）が、排気温度（ＤＡＴ）３７０を用いて確定されることを示すが、これらは、ＣＲＡＣユニット３０１の構成次第で逆にもなり得る。

ＣＲＡＣユニット３０１ごとに、温度セットポイント（ＴＳＰ）３５０は、ユニット特有の温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）システム３１０によって調節される。ＴＳＰＲシステム３１０は、ＣＲＡＣユニット３０１の測定された冷却力（ＣＥ）３２０を所定の冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）３３０と比較し、フィードバック制御目標３４０−３（例えば、比例積分微分（ＰＩＤ））を差に当てはめる閉フィードバックループである。冷却力（ＣＥ）３２０が所望の範囲（ＣＥｓｐ）３３０外である場合には、温度セットポイント（ＴＳＰ）３５０は、変更される。さらに、還気温度（ＲＡＴ）３６０または排気温度（ＤＡＴ）３７０が、ＴＳＰＲシステム３１０で使用されて、温度セットポイント（ＴＳＰ）３５０をオフセットする量を確定することができる。還気温度（ＲＡＴ）３６０または排気温度（ＤＡＴ）３７０が使用されない場合には、固定値３８０が、ＰＩＤ制御目標３４０−３の出力に加算されて、新しい温度セットポイント（ＴＳＰ）３５０を確定することができる。次いで、ＣＲＡＣユニット３０１は、新しい温度セットポイント（ＴＳＰ）３５０を使用して、ＣＲＡＣユニット（ＣＲＡＣ−１）３０１のアクチュエータ位置またはコンプレッサ速度を調整する。次いで、調整されたアクチュエータ位置またはコンプレッサ速度は、この場合もＴＳＰＲシステム３１０に入力される新しい冷却力（ＣＥ）３２０を生成する。差は、ＣＲＡＣユニット３０１の出力（排気温度）３７０にさらなる変化をもたらす、温度セットポイント（ＴＳＰ）３５０にさらなるリセットを引き起こす。この工程は、ＣＲＡＣユニット３０１が安定するまで続く。

温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）システム３１０は、各機械（またはモーター）が使用している冷却力（ＣＥ）３２０に着目している。必要以上に高い場合には、温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）システム３１０が、温度セットポイント（ＴＳＰ）３５０を上げ、その結果冷却力（ＣＥ）３２０は下がる。他方で、冷却力（ＣＥ）３２０が必要以上に低い場合には、温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）システム３１０が、温度セットポイント（ＴＳＰ）３５０を下げ、その結果冷却力（ＣＥ）３２０が上がる。システムが機能するために、これらのＣＲＡＣユニット３０１は、冷却力（ＣＥ）３２０を算出することができなければならない（ファン速度／コンプレッサ測度／またはその組み合わせを用いて）あるいは、補助センサを用いて冷却力を測定することができなければならない。さらに、冷却力（ＣＥ）３２０は、ＣＲＡＣユニット３０１間で（図示のように）、または、ユニット内の個別のモーターで（図示せず）算出され得る。事実上、冷却力（ＣＥ）３２０は、ＣＲＡＣユニット３０１の中の特定のコンプレッサまたは全てのＣＲＡＣユニットの冷却力であり得る。冷却力を算出する計算および詳細は、以下でさらに詳細に説明する。

冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）３３０は、ＣＲＡＣユニットまたは構成要素モーターが動作する所望の範囲である。これは、固定値（例えば、環境が所望の特定温度であるかどうかが分からない開ループシステムの）であってもよく、または、環境のセンサ（図示せず）から受信したフィードバックに基づいて変化する変数値であってもよい。以下でさらに詳細に説明する好適な実施形態では、所望の冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）は、サーバ入口箇所での環境の温度センサから、および冷却力および電力消費量がどれくらい関連しているのかを理解するオプティマイザによって確定される。測定された冷却力（ＣＥ）は、冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）と比較され、差を用いて、将来の反復のために冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）を変更する。

前述したように、特定のＣＲＡＣユニット用の温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）システムは、還気温度（ＲＡＴ）３６０（または排気温度（ＤＡＴ）３７０）を受信する必要はないが、受信した場合には、より望ましく働く。実際の還気温度（または排気温度）に合わせるように冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）３３０を変更する多くの方法がある。例えば、冷却力（ＣＥ）３２０が所望範囲（ＣＥｓｐ）外である場合には、システムは、変化の固定値３８０を使用することができる。この実施形態は、図３に示される。しかし、この実施形態は、必要な変化量が分からないので、システムを安定化するのに時間がかかる。さらに、これは、システムが正確な温度変化を満たすことができなくて、目標温度の上下で振動する振動状態をもたらす可能性がある。後述する好適な実施形態では、システムは、冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）３３０をリセットするのに必要な変化量を確定するために、還気温度（ＲＡＴ）３６０を使用して、冷却力（ＣＥ）３２０を比較することができる。還気温度（ＲＡＴ）を用いて冷却力（ＣＥ）を比較する利点は、所望の力を得るのに必要な変化量が分かることである。現在の空気温度が分からなければ、システムは、それを分からないで、独断的に大きく逸脱する可能性がある。
ＩＩＩ．還気温度（ＲＡＴ）の使用

以下の具体的な詳細は、還気温度を使用して温度セットポイントのリセット値を確定するときに、システムと併せて使用される実施詳細の１つの例である。システムは、多くの他の実装例（上記のような）と併せて使用することもでき、かつシステムは、以下に説明する実施詳細に限定されるわけではない。

図４は、上の図３と類似のシステム４００のブロック図であるが、固定値の代わりに、還気温度（ＲＡＴ）４６０が、ＴＳＰＲシステム４１０で使用される。還気温度（ＲＡＴ）４６０を使用して、リセット還気温度セットポイント（ＲＳＰ）４５０を調整する（またはオフセットする）量を確定する。ＴＳＰＲシステム４１０は、還気温度（ＲＡＴ）４６０を制御目標（ＰＩＤ）４４０−３の出力に加算して、リセット還気温度セットポイント（ＲＳＰ）４５０を確定する。いくつかの実施形態では、ＣＲＡＣユニットが排出空気温度（ＤＡＴ）４７０によって制御されるように構成されている場合、排気温度（ＤＡＴ）４７０を、制御目標（ＰＩＤ）４４０−３の出力に加算する場合もある。

図４には、ＣＲＡＣユニット４０１の内部制御論理回路を示すＣＲＡＣ−１４０１およびＣＲＡＣ−Ｎ４０１と表記されるブロックが存在する。還気温度セットポイント（ＲＳＰ）４５０は、還気温度（ＲＡＴ）４６０と比較され、ＲＡＴ４６０がＲＳＰ４５０より大きい場合、コンプレッサ冷却力４２０が上げられ、ＲＡＴ４６０がＲＳＰ４５０より小さい場合、下げられる。図４では、ＴＳＰＲ−Ｎシステム４１０が、冷却力（ＣＥ）ではなく、ＣＲＡＣ−Ｎユニットの４０１のファン力（ＦＥ）４２５４を使用して、動作パラメータの融通性または還気温度セットポイント（ＲＳＰ）４５０を調整するのに使用できるさまざまな構成要素の動作レベルを示すように示される。ファン力（ＦＥ）４２５を使用する場合、ファン力セットポイント（ＦＥｓｐ）４３５は、温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）４１０システムにおいても同様に使用されなければならない。ＣＥ４２０、ＣＥｓｐ４３０およびＲＡＴ４６０の入力は、同じ入力にすることができるが、それぞれの信号は、識別することができる。例えば、ＲＡＴ信号は、後続のデータを還気温度であると識別する識別値を有し得る。

ＣＲＡＣは複数のコンプレッサ（ＣＭＰ）４８０を有し得るので、冷却力（ＣＥ）４２０を使用するＴＳＰＲシステム４１０の実施形態は、単一のコンプレッサ力の代わりに冷却力（ＣＥ）４２０を使用する。固定速度で作動されるコンプレッサもあり、可変速度で作動されるコンプレッサもある。コンプレッサ冷却力４２０は、重みが各コンプレッサに対応する部分的なＣＲＡＣ能力であるコンプレッサ４８０の速度の加重平均として画定される。例えば、ＣＲＡＣが、２つの定速コンプレッサＣ１、Ｃ２および２つの可変速度コンプレッサＶ１、Ｖ２を有すると仮定する。さらに、Ｃ１の能力は総ＣＲＡＣ能力の１５％であり、Ｃ２の能力は総ＣＲＡＣ能力の２５％であり、最高速度でのＶ１の能力は最大ＣＲＡＣ能力の２０％であり、最高速度でのＶ２の能力は最大ＣＲＡＣ能力の４０％であると仮定する。その場合、コンプレッサ冷却力は、Ｃ１がＯＮであり、Ｃ２はＯＦＦであり、Ｖ１は５０％速度で動いており、Ｖ２は７５％速度で動いているとき、以下の通りに算出することができる。

コンプレッサ冷却力（ＣＥ）は、各コンプレッサの速度にその部分的な能力を掛けた合計である。定速コンプレッサは、０％または１００％の速度を有する。いくつかの実施形態では、冷却力は、前述の工程によって１５秒毎に算出され得る。

各ＣＲＡＣの還気温度セットポイント（ＲＳＰ）は、以下の式に従ってリセットされる。

ＣＲＡＣユニット４０１の還気温度ＰＩＤ４４０−１が積分項を有する場合、ＲＳＰリセットＰＩＤ４４０−３は、比例項を有している必要があり、そうでなければ、システムは不安定になる。ＣＲＡＣユニット４０１のＰＩＤ４４０−１が比例項だけを有する場合、ＲＳＰリセットＰＩＤ４４０−３は積分項を有している必要があり、そうでなければ、システムは不安定になる。

上で説明したデフォルトゲインパラメータを実施すると、コンプレッサ冷却力（ＣＥ）が、所望のコンプレッサ冷却力（ＣＥ）とは１００％異なる（コンプレッサ冷却力が０．０から１．０まで及ぶので）場合、デフォルト比例ゲインは、最大セットポイント範囲（１５摂氏温度）だけ還流温度セットポイント（ＲＳＰ）を変更する。コンプレッサ冷却力（ＣＥ）が、コンプレッサ冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）と１０％だけ持続的に異なっている場合、デフォルト積分ゲインは、コンプレッサ冷却力（ＣＥ）を１９，２０１，８００秒（３２３０分）で０％から１００％まで上昇させる。３２３０分の期間は、いくつかのＣＲＡＣユニットがそのコンプレッサ冷却力（ＣＥ）を最小から最大まで上昇させる時間である。

温度セットポイントリセット（ＴＳＰＲ）システムを挿入すると、あるＣＲＡＣユニットをスタンバイモードにし、他のＣＲＡＣユニットを１００％冷却にする還流空気調節の不安定性を防ぐことができる。代わりに、いくつかの実施形態は、コンプレッサ力（ＣＥ）を比較的均一に分配することができる。部分負荷条件では、このことは、ファンとコンプレッサとの間の速度と電力の関係が非線形であることから、還流空気調節を安定化しないどのような戦略においても有意なエネルギー節約をもたらすはずである。
ＩＶ．主フィードバックループ

環境が所望範囲内で温度を維持していることを確実にする環境のセンサ測定を含んでいることは、有益であり得る。システムのサーバが高温になりすぎる、または低温になりすぎる場合、それらの性能は低下する可能性があり、ユニットを損傷する可能性さえある。したがって、環境全体が何らかの所定の温度範囲内の状態を保つことを確実にするいくつかの制御フィードバックシステムを含んでいることは、有益であり得る。

環境センサは、サーバ室においても同様に使用され得る。環境センサは、温度または湿度などの環境因子を測定する装置である。環境センサは、有線のまたは無線の通信手段（例えば、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｗｉｍａｘ、Ｚｉｇｂｙまたは任意の他の適用可能なプロトコル）によるような、任意の手段によって測定値（読取り値とも呼ばれる）を送信することができる。環境センサは、環境の温度レベルまたはサーバの他の環境特性の正確な指示を受信するために、サーバ室の戦略的な場所に（例えばサーバ給気口箇所に）設置され得る。

いくつかの実施形態は、環境センサを使用してサーバ入口空気温度を測定し、そうしたセンサ測定値を使用して、主作動力セットポイント（例えば、主冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）またはファン力セットポイント（ＦＥｓｐ））を環境維持システムのそれぞれの環境維持ユニットに指示する主フィードバックループを実施することができる。主フィードバックループは、環境維持ユニットごとの作動力セットポイント（例えば、ＣＲＡＣユニットの冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ））を、同時に一様にオフセットすることができる。主フィードバックループは、図５に記載する方法５００を実施する。

最初に、ステップ５１０で、セレクタは、環境のセンサからいくつかの環境空気温度（ＥＡＴ）読取り値を受信する。いくつかの実施形態は、湿度または他の環境測定用センサ読取り値を使用するようにさらに変更することができる。

次に、ステップ５２０では、セレクタは、最高ＥＡＴを選択することで、選択高温（ＳＨＴ）を確定する。いくつかの実施形態は、システムの環境制御目標に応じて、選択低温（ＳＬＴ）も同様に確定するセレクタを実装している場合もある。

ステップ５３０では、主フィードバックループは、選択された環境空気温度（ＳＨＴまたはＳＬＴ）を所定の上限下限セットポイント（ＨＬＬＳＰ）値と比較して温度差を計算する。

ステップ５４０では、主フィードバックループは、ステップ５３０で確定された温度差に基づいて、主作動力セットポイントを調整する。主作動力セットポイントは、制御目標（例えば、比例積分微分（ＰＩＤ）またはリードラグコンペンセータ）を使用して調整され得る。制御目標は、システムが環境の任意の地点のセンサにおいて高温すぎるかまたは低温すぎるかによって、すべての環境維持ユニットの冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）を上げるべきかまたは下げるべきかを確定するのに使用される。例えば、サーバラックの環境センサの１つが、７５度の所定の上限下限セットポイント（ＨＬＬＳＰ）を超えている場合、主フィードバックループは、最高センサ読取り値が、７５度の上限下限セットポイント（ＨＬＬＳＰ）を下回るまで、ＣＲＡＣシステムのＣＲＡＣユニットごとの冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）を上げる。主フィードバックループは、ＴＳＰＲシステムの実行周波数と類似の周波数で実行することができれば好ましい。

最後に、ステップ５５０では、主作動力セットポイントは、環境維持システムの環境維持ユニットのそれぞれに送信されて、上記の通り、各ユニットの温度セットポイント（ＴＳＰ）を安定化するのに使用される。

図６は、主フィードバックループ６００を用いて図５の方法を実施するＣＲＡＣシステムのブロック図を示す。この実施形態における主動作セットポイントは、冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）６３０である。各ＣＲＡＣユニット６０１の冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）６３０は、主フィードバックループ制御目標（主ＰＩＤ）６４０によって、同期して調整される。セレクタ６１０は、ラック上の環境空気温度（ＥＡＴ）６２０センサから、多数の温度を受信する。セレクタ６１０は、最高空気温度（ＳＨＴ）６５０読取り値を採集し、それを上限下限温度セットポイント（ＨＬＬＳＰ）６６０と比較し、極値セットポイントとも呼ばれるセットポイント６６０は、通常、ＣＲＡＣユニット６０１用セットポイントより高くなっている（加熱の場合、低くなっている）。制御目標（主ＰＩＤ）６４０は、選択高温（ＳＨＴ）６５０と上限下限温度セットポイント（ＨＬＬＳＰ）６６０との間の差に応じて、すべてのＣＲＡＣユニットの主作動力セットポイント（ＣＥｓｐ）６３０をオフセットするのに使用される。したがって、主フィードバックループ６００は、環境空気温度（ＥＡＴ）６２０のセットで作動するセレクタ６１０からフィードバックを受け取り、すべてのＣＲＡＣユニット６０１用の主冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）６３０を算出する。

主フィードバックループ制御目標（主ＰＩＤ）６４０の出力が、ＣＥｓｐの値を、その最小限界冷却力を下回る、またはその最大限界冷却力を上回るようにする場合には、ＰＩＤ目標は、リセットされて、ＣＥｓｐの値を最小限界または最大限界に保つ。
Ｖ．オプティマイザループ

環境維持システムは、環境維持ユニットごとの特定の作動力セットポイントを変更することによって環境維持システムを最適化するオプティマイザループをさらに含み得る。例えば、各ＣＲＡＣユニットの冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）は、ＣＲＡＣシステムの他のＣＲＡＣユニットとは異なっている場合がある。オプティマイザループは、複数の環境センサ読取り値を各ＣＲＡＣユニットの冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）と比較することによって、それぞれ特有なＣＲＡＣユニットの冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）を最適化し得る。次いで、オプティマイザは、主フィードバックループの出力に加算されて、任意の特定のＣＲＡＣユニットの冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）を変更する、ＣＲＡＣユニットごとのデルタ値を出力する。例えば、ＣＲＡＣユニット４および５が機能している領域が、残りの環境より高温である場合、オプティマイザは、ＣＲＡＣユニット１、２および３はそのままにして、ＣＲＡＣユニット４および５の冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）を１０％だけ上げる。オプティマイザループは、いくつかの変数に関するシステムの性能を最適化し、環境温度（セットポイントを超える温度からの寄与によって表される）を考慮して、電力消費量（電力からの寄与によって表される）を低減しようとするペナルティ関数を含み得る。オプティマイザループは、上記の主フィードバックループおよびＴＳＰＲシステムより低い頻度でサイクル動作すれば好ましい。例えば、オプティマイザは、１５分から９０分毎にサイクル動作し、ＴＳＰＲシステムおよび主フィードバックループは、３０秒から６０秒毎に動作する。３種類のフィードバック／制御が、常に動作している。

オプティマイザは、高くなりすぎない環境空気温度の影響を受ける全消費電力を最小化するように構成されている。オプティマイザは、可能な最小電力量を使用するように最適化される、６０分から９０分未来の環境温度を予測するモデルを有している。将来の性能を考慮しながら多くの可能な実施の中を検索し、適切にセットポイントを変更する。オプティマイザは、特定のユニットごとに主フィードバックループの主冷却力に対するオフセット（デルタ）を算出して、個別にユニットを変更する。さらに、デルタは、主冷却力なしで（例えば、ＴＳＰＲの作動力セットポイントを変更するだけ）使用することができる。オプティマイザは、ユニット特有のリセットセットポイントループおよび主フィードバックループより低い頻度でオフセットを更新する。

オプティマイザループは、作動力セットポイント値の変化を算出し、最適変化を使用して、以下のステップに従ってオフセットを確定する。

ステップ７１０では、オプティマイザループ７００は、環境センサから環境空気温度（ＥＡＴ）を受信する。これらのセンサは、方法５００用と同じセンサでもよい。

ステップ７２０では、オプティマイザループ７００は、システムの環境維持ユニットごとに、作動力セットポイントを受信する。例えば、ＣＲＡＣシステムでは、オプティマイザループは、ＣＲＡＣユニット（ＣＥｓｐ−１からＣＥｓｐ−Ｎ）ごとに、冷却力（またはファン力）セットポイントを受信する。

ステップ７３０では、オプティマイザループ７００は、環境維持システムのそれぞれの環境維持ユニットの作動力セットポイントへの最適変化を算出する。例えば、ＣＲＡＣシステムでは、オプティマイザループは、各ＣＲＡＣユニットの冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ−Ｎ）への最適変化を算出することができる。動作パラメータへの最適変更を算出する方法は、以下で更に詳細に提示するが、システムは、作動力セットポイントを、本発明のさまざまな実施形態のどのような数のシステムパラメータにも最適化することができる。

ステップ７４０では、オプティマイザループ７００は、環境維持ユニットごとの最適変化を、そのそれぞれの環境維持ユニットの作動力セットポイントに加算する。例えば、ＣＲＡＣシステムでは、最適変化が、ＣＲＡＣユニットごとに現在のＣＥｓｐ値に加算されて、それぞれのＣＲＡＣユニットごとに新しいＣＥｓｐを確定する。

ステップ７５０では、オプティマイザループ７００は、主フィードバックループの作動力セットポイント出力を新しい作動力セットポイントの平均にリセットする。ＣＲＡＣシステムでは、主フィードバックループの主作動力セットポイント出力は、新しいＣＥｓｐ値の平均にリセットされる。主フィードバックループは、オプティマイザによって確定された最適冷却力セットポイントの平均にリセットされる。このリセットが実行されると、主フィードバックループのインテグレータは、主フィードバックループの出力が、最適冷却力セットポイントの平均と等しくなるようにリセットされる。主フィードバックループは、制御目標の所望出力（この場合最適冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ１からＣＥｓｐ−Ｎ）の平均）をもたらすその積分項の値を算出することによって、リセットされる。ＰＩＤコマンドおよびＮオフセットを含む、Ｎ＋１自由度が、環境維持ユニットごとに１つずつ存在するので、主フィードバックループは、リセットされる。余分な自由度は、何らかの形で「使用され」なければならない。そうしなければ、システムは不安定になる。

ステップ７６０では、オプティマイザループ７００は、更新した主作動力セットポイント出力と新しい作動力セットポイントとの間の動作セットポイント差を特定の環境維持ユニットごとに確定する。ＣＲＡＣシステムでは、主フィードバックループの出力を新しいＣＥｓｐ値から減算することによって、デルタ値は、それぞれのＣＲＡＣユニットごとに確定される。したがって、デルタ値は、すべてのＣＲＡＣユニットのＣＥｓｐ値の平均からそれぞれの特有なＣＲＡＣユニットのＣＥｓｐをオフセットしたものである。

ステップ７７０では、オプティマイザループ７００は、動作セットポイント差にローを掛けることによって、環境維持ユニットごとに作動力セットポイントオフセット（Δ）を確定する。デルタに相関係数、ローを掛けて、最終オフセットを確定する。さらに一般的には、ローは、オプティマイザによって使用されるモデルがどれくらい適切に作動しているのかを示す測定基準である。１つの実施形態では、ローは、制御変化から生じる予測温度変化と測定温度変化との間のピアソン相関係数である。

ステップ７８０では、オプティマイザループ７００は、各環境維持ユニットの作動力セットポイントオフセット（Δ）を、それぞれの環境維持ユニットごとに主作動力セットポイントに加算する。例えば、ＣＲＡＣシステムでは、オプティマイザループは、各ＣＲＡＣユニットの冷却力オフセット（ΔＳ）を主フィードバックループ（主ＰＩＤ）制御目標の出力に加算して、ＣＲＡＣユニットごとにＣＥｓｐをオフセットする。

上で説明した図７の方法を実施するシステムの１つの例示的実施形態を図８に示す。オプティマイザブロック８１０は、環境センサから環境空気温度（ＥＡＴ）８２０を受信する。オプティマイザブロック８１０は、システムのＣＲＡＣユニット（ＣＥｓｐ−１からＣＥｓｐ−Ｎ）ごとの冷却力セットポイント８３０を受信する。次いで、オプティマイザブロック８１０は、本明細書に記載するオプティマイザループ方法７００に従って、最適変化値および最終的にデルタ値を算出する。オプティマイザブロック８１０は、個別のＣＲＡＣユニット（Δ１からΔＮ）８５０ごとにデルタ値（ΔＮ）８５０を確定し、ＣＲＡＣユニットごとのデルタ値を、主フィードバックループ（主ＰＩＤ）８４０によって確定される主冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ）８４０に加算して、各ＣＲＡＣユニット８０１のオフセット冷却力セットポイント（ＣＥｓｐ−Ｎ）８３０を確定する。
ＶＩ．ペナルティ関数

いくつかの実施形態では、オプティマイザループは、ＣＲＡＣユニットの所望のコンプレッサ速度を確定することができる。さらに、オプティマイザは、コンプレッサ力が変更される際のファンエネルギー消費の変化を推定することができる。したがって、オプティマイザは、コンプレッサ力を変更することに起因する、ファン力の変化、ゆえにファン電力の変化を推定する。このように、力が低い方が、ＥＡＴが所望範囲を超えることにならないと予測される（例えばＥＡＴごとの予想値をセットポイントと比較することによって）場合には、力を下げて、エネルギーを節約することができる。これは、各ユニットのアクチュエータごとに個別に確定することができる。追加の実施形態では、ファン力は、オプティマイザに使用されるモデルがより正確であるように、ファン電力と組み合わせて２つの間の関係を「合わせる」ことができる。

１つの実施形態では、伝達モデル（例えば、伝達行列などの非線形関数または線形関数）を使用して、制御行為（例えば、アクチュエータの動作レベルの変化）が環境温度に与える影響力を予測することができる。この伝達モデルを使用して、温度値の変化を確定して、作動力セットポイントを変更することができるかどうかを確定することができる。

ペナルティ関数は、以下の通りにコンプレッサ力の潜在的変化に起因するＣＲＡＣの電力消費量を推定することができる。

上式では、Ｐ_Ｃはコンプレッサ電力であり、ｐＣ，ｐは寄生損失に対応するコンプレッサ電力消費量の分画であり、ＣＥｓｐは冷却力セットポイントであり、Ｎはコンプレッサ（デフォルトＮ＝１．７）の指数則挙動をモデル化する指数であり、ＰＣ，Ｄは設計コンプレッサ電力（設計冷却力での電力）であり、ＰＦはファン電力であり、ｐＦ，ｐは寄生損失に対応するファン電力消費量の分画であり、ＳＦは部分的なファン回転速度であり、Ｍはファン親和性法則（デフォルトＭ＝３）をモデル化するのに使用される指数であり、ＰＦ，Ｄは設計ファン電力（最高ファン回転速度での電力）である。＋記号は、変数の将来値を意味する。現在値では、−記号を使用する。

将来のファン電力を算出するために、将来のファン回転速度を確定する必要がある。ＣＲＡＣのファンは、固定差である排気温度が還気温度セットポイント未満になるように制御される。したがって、定常状態でのＣＲＡＣの冷却速度（伝熱速度）は、ファン回転速度に、還気セットポイントと排気セットポイントとの間のデルタ温度を掛けたものに比例する。

Ｑは冷却伝熱速度であり、Ｋ_Ｆは単位変換係数である。Ｑの単位がワットであり、デルタＴの単位が摂氏温度である場合には、Ｋ_Ｆは、最高ファン回転速度での質量流量×比熱である。質量流量は、体積流量×密度である。

将来の伝熱速度は、さらに、将来の性能係数（ＣＯＰ）×将来の総消費電力と等しい。性能係数（ＣＯＰ）は、その総消費電力によって除算される単位の冷却伝熱速度である。

先の２つの式を結合すると、将来のファン回転速度用の三次多項式になる。

三次多項式根に関する閉形式解がある一方、複雑な数学をサポートするソルバーが必要とされる。ニュートン法を使用して、コンプレッサ速度の変化と一致する（例えば、コンプレッサが上昇すると、ファンも上昇する）現在のファン回転速度に最も近い根を見つけることは、より簡単であり得る。本発明の実施形態は、両方の解を備えていることができる。

将来のファン回転速度用の三次多項式の係数は、将来のＣＯＰを含む。ＣＯＰは、還気温度および外気温度の関数である。オプティマイザによる制御変化が小さい場合、将来のＣＯＰが現在のＣＯＰと等しくなるという仮定を立てることができる。伝達行列は、コンプレッサ冷却力セットポイントの変化によって還気温度の変化を予測するように、さらに拡大適用することができる。そのように拡大して、将来のＲＡＴ、ＥＡＴ、及びＲＡＴおよびＥＡＴをＣＯＰと関連付けるモデルに基づいて、将来のＣＯＰを予測する。

総ＣＲＡＣ電力消費量（ファンにコンプレッサを加えた和）は、以下のステップを用いて算出される。（１）ＣＯＰ用データベースの点を構成する、（２）将来のＣＯＰが、ＣＲＡＣから読み出されるまたは派生点として算出される現在のＣＯＰと等しくなると仮定する、（３）上記の式１から、将来のコンプレッサ電力を算出する、（４）将来のファン回転速度を算出する、（５）将来のファン電力を算出する、（６）将来のファン電力および将来のコンプレッサ電力を加算する。

ある種の実施形態では、ＣＲＡＣごとのＴＳＰリセットループを適所に備えており、ＴＳＰは、ρの値がゼロに等しい場合であっても、環境維持ユニットごとに異なり、すべて等しいゼロにオフセットさせる。１つの実施形態では、オプティマイザは、グリッド検索を使用してＣＥｓｐの最適値を確定する。グリッドは、許容コンプレッサ速度に対応することができる。コンプレッサＯＦＦは、ＣＲＡＣごとに有効なグリッド点である。

異なるＣＲＡＣが異なる効率を有するデータセンターでは、以下の挙動が見られる。（１）冷却力セットポイント（ＣＥｓｐの）は、ＣＲＡＣごとに異なる、（２）高効率なＣＲＡＣが使用されるほど、いっそう冷却される、（３）気流パターンが均一で、かつ冷却負荷がきわめて低い（すべてのユニットが最低冷却であるときの冷却能力より低い）場合、非効率的なＣＲＡＣＳ（ＣＲＡＣ）が、最初に止められる。
ＶＩＩ．コンピュータシステム

本明細書に記載のコンピュータシステムのいずれかは、任意の適当数のサブシステムを利用し得る。このようなサブシステムの例を、図８においてコンピュータ装置８００で示す。いくつかの実施形態ではコンピュータシステムは、サブシステムがコンピュータ装置の構成要素であり得る単一のコンピュータ装置を含んでいる。他の実施形態では、コンピュータシステムは、複数のコンピュータ装置を含む場合もあり、それぞれが、内部構成要素を備えたサブシステムである。

図９に示されるサブシステムは、システムバス９７５を介して相互接続している。プリンタ９７４、キーボード９７８、固定ディスク９７９、ディスプレイアダプタ９８２に連結されたモニタ９７６などの付加的なサブシステムが示される。周辺機器および入出力（Ｉ／Ｏ）装置は、Ｉ／Ｏ制御装置９７１と連結しており、シリアルポート９７７などの、任意の数の公知技術手段によってコンピュータシステムに接続され得る。例えば、シリアルポート９７７または外部インタ−フェイス９８１（例えばＥｔｈｅｒｎｅｔ、Ｗｉ−Ｆｉなど）を使用して、コンピュータシステム９００をインターネットなどの広域ネットワーク、マウス入力装置、またはスキャナに接続することができる。システムバス９７５を介して相互接続することで、中央プロセッサ９７３が各サブシステムと通信すること、およびシステムメモリ９７２または固定ディスク９７９からの命令実行ならびにサブシステム間の情報の交換を制御することが可能になる。システムメモリ９７２および／または固定ディスク９７９は、コンピュータ可読媒体を具現化したものである。本明細書に記載の値のいずれであっても、ある構成要素から別の構成要素に出力することができ、かつユーザに対して出力することができる。

コンピュータシステムは、複数の同じ構成要素またはサブシステムを含むことができ、例えば、外部インタフェース９８１によって、または、内部インタフェースによって共に接続されている。いくつかの実施形態では、コンピュータシステム、サブシステムまたは機器は、ネットワークを通じて通信することができる。そのような場合には、あるコンピュータがクライアント、別のコンピュータがサーバと考えられ、それぞれが、同じコンピュータシステムの一部であり得る。クライアントおよびサーバは、多重システム、サブシステムまたは構成要素をそれぞれ含むことができる。

本発明の実施形態のいずれかは、ハードウェア（例えば、特定用途向け集積回路またはフィールドプログラマブルゲートアレイ）を使用して、および／またはコンピュータソフトウェアを、モジュラー型または一体型様式の汎用プログラム可能なプロセッサと共に使用して、制御ロジックの形で実施することができることを理解されたい。本明細書で提供している開示および教示に基づけば、当業者は、ハードウェア、およびハードウェアとソフトウェアの組み合わせを使用して本発明の実施形態を実施する他の手段および／または方法を認知するであろう。

本出願に記載されているソフトウェア構成要素または機能のいずれであっても、例えば、従来型のまたはオブジェクト指向の技術を使用する、例えばＪａｖａ、Ｃ＋＋またはＰｅｒｌなどの任意の適切なコンピュータ言語を使用するプロセッサによって実行されるソフトウェアコードとして実施され得る。ソフトウェアコードは、記憶および／または伝送用コンピュータ可読媒体上に一連の命令またはコマンドとして記憶することができ、適切な媒体には、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ハードディスクまたはフロッピーディスクなどの磁気媒体、またはコンパクトディスク（ＣＤ）またはＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）、フラッシュメモリなどの光媒体が含まれる。コンピュータ可読媒体は、このような記憶装置または伝送装置を任意で組み合わせたものでもよい。

当該プログラムは、さらに、インターネットを含む、さまざまなプロトコルに合致する有線の、光学的および／または無線のネットワークを介した伝送に適合する搬送信号を用いて符号化して送信され得る。したがって、本発明のある実施形態によるコンピュータ可読媒体は、当該プログラムで符号化されたデータ信号を用いて作成することができる。プログラムコードで符号化されるコンピュータ可読媒体は、互換装置で実装される、または他の装置とは別途に（例えば、インターネットダウンロードで）提供されることができる。任意の当該コンピュータ可読媒体は、単一のコンピュータプログラム製品（例えばハードドライブ、ＣＤまたは完全なコンピュータシステム）上に、またはその内部に存在し得、また、システムまたはネットワークの中で異なるコンピュータプログラム製品上に、またはその内部に存在し得る。コンピュータシステムは、本明細書に記載する何らかの成果をユーザに提供するために、モニタ、プリンタ、または他の適切なディスプレイを含む場合がある。

本発明の例示的実施形態についての上述の説明は、例証および説明目的で提示された。網羅的であることや、記載した形態そのものに本発明を限定することは意図しておらず、上記の教示を考慮して、多くの修正および変更が可能である。実施形態は、本発明の原理および実際的な応用例を最良に説明して、これによって他も可能にする目的で選択されて記載された。

Claims (21)

1. 複数の環境維持ユニットを備えた環境維持システムを制御する方法であって、
   前記複数の環境維持ユニットの第１の環境維持ユニットの動作パラメータの第１の基準を受信することであって、前記第１の環境維持ユニットは、
   気温と第１の温度セットポイントとの間の第１の温度差を算出し、
   前記第１の温度差を使用して前記第１の環境維持ユニット用の前記動作パラメータの動作レベルを確定するように構成されている、前記複数の環境維持ユニットの第１の環境維持ユニットの動作パラメータの第１の基準を受信することと、
   前記第１の基準を第１の動作セットポイントと比較して、第１の動作差を取得することと、
   プロセッサを用いて、前記第１の動作差に基づいて前記第１の温度セットポイントの第１の調整を確定することと、
   前記第１の調整を前記第１の環境維持ユニットに送信することとを備える方法。
2. 前記第１の動作差に基づいて前記第１の温度セットポイントの前記第１の調整を確定することが、
   前記第１の動作差から導出した第１の変化値を計算することと、
   前記第１の変化値を固定値に加算することとを備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の動作差に基づいて前記第１の温度セットポイントの前記第１の調整を確定することが、
   前記第１の動作差から導出した第１の変化値を計算することと、
   前記複数の環境維持ユニットの前記第１の環境維持ユニット用の気温を受信することと、
   前記第１の変化値を前記気温に加算することとを備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記気温が、還気温度または排気温度である、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１の温度セットポイントの第１の調整を確定することが、比例積分微分（ＰＩＤ）目標を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の変化値が、比例積分微分（ＰＩＤ）目標を使用して確定される、請求項３に記載の方法。
7. 前記環境維持ユニットがＣＲＡＣユニットであり、前記第１の基準が冷却力であり、前記第１の動作セットポイントが冷却力セットポイントである、請求項１に記載の方法。
8. 前記冷却力が、前記複数のＣＲＡＣユニットの内の前記第１のＣＲＡＣユニットのコンプレッサの速度の加重平均であり、前記重みが、前記第１のＣＲＡＣユニットの各コンプレッサに対応する部分的なＣＲＡＣ能力であり、前記冷却力セットポイントが、所定値である、請求項７に記載の方法。
9. 前記冷却力が、冷却弁の位置であり、前記冷却力セットポイントが、所定値である、請求項７に記載の方法。
10. 温度が維持されている前記環境の中のセンサによってそれぞれが測定された、複数の環境空気温度を受信することと、
    前記環境空気温度の１つがセットポイントを超えているかどうかに基づいて、前記第１の動作セットポイントを調整することとをさらに備える、請求項１に記載の方法。
11. 温度が維持されている前記環境の中のセンサによってそれぞれが測定された、複数の環境空気温度を受信することと、
    前記第１の動作セットポイントのオフセットを確定することであって、前記オフセットが、ペナルティ関数を減らすように確定され、前記ペナルティ関数が、電力消費量の第１の寄与を含む、前記第１の動作セットポイントのオフセットを確定することとをさらに備える、請求項１に記載の方法。
12. 前記ペナルティ関数が、前記環境空気温度と基準温度との１つ以上の差からの第２の寄与を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記環境維持ユニットごとにそれぞれのオフセットを確定することをさらに備える、請求項１１に記載の方法。
14. コンピュータプログラムであって、実行されると、複数の環境維持ユニットを備えた環境維持システムを制御するようにコンピュータシステムを制御する複数の命令を記憶した非一時的コンピュータ可読媒体を備えており、前記命令は、
    前記複数の環境維持ユニットの第１の環境維持ユニットの動作パラメータの第１の基準を受信することであって、前記第１の環境維持ユニットは、
    空気温度と第１の温度セットポイントとの間の第１の温度差を確定し、
    前記第１の温度差を使用して前記第１の環境維持ユニット用の前記動作パラメータの動作レベルを確定するように構成されている、前記複数の環境維持ユニットの第１の環境維持ユニットの動作パラメータの第１の基準を受信することと、
    前記第１の基準を第１の動作セットポイントと比較して、第１の動作差を取得することと、
    前記第１の動作差に基づいて前記第１の温度セットポイントの第１の調整を確定することと、
    前記第１の調整を前記第１の環境維持ユニットに送信することとを含むコンピュータプログラム。
15. 複数の環境維持ユニットを備えた環境維持システムを制御するためのシステムであって、
    第１の環境維持ユニットの動作力を受信するための第１の入力と、
    作動力セットポイントを受信するための第２の入力と、
    前記第１および第２の入力と連結した制御回路であって、前記制御回路は、
    前記動作力と前記作動力セットポイントとの間の差を使用して変化値を算出し、
    前記変化値および温度値を加算することによって、温度セットポイント調整を確定するように構成された制御回路と、
    温度セットポイント調整を前記第１の環境維持ユニットに送信するための出力とを備えるシステム。
16. 前記温度が、固定値である、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記温度値が還気温度入力であり、前記温度セットポイントが還気温度セットポイントである、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記温度値が排気温度入力であり、前記温度セットポイントが排気温度セットポイントである、請求項１５に記載のシステム。
19. 前記制御回路が、比例積分微分（ＰＩＤ）目標を含む、請求項１５に記載のシステム。
20. 最高環境制御温度が超えられたかどうかに基づいて前記作動力セットポイントを算出するための主フィードバック回路をさらに備える、請求項１５に記載のシステム。
21. 前記環境維持システムの電力消費量を下げるためのペナルティ関数の最適化に基づいて、前記作動力セットポイントを算出するためのオプティマイザ回路をさらに備える、請求項１５に記載のシステム。

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