中心能耗分析及節(jié)能策略研究與應(yīng)用

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗管理和智能化運(yùn)維提供支撐。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心能耗；數(shù)據(jù)分析；關(guān)聯(lián)分析；節(jié)能研究；皮爾遜相關(guān)系數(shù)

0引言

近些年，國(guó)內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)管理和節(jié)能改造具有方向性和指導(dǎo)性意義。

1數(shù)據(jù)中心能耗分析

在中心的能耗構(gòu)成和主、次要能耗類型；另一方面是定量分析，從數(shù)據(jù)角度對(duì)能耗規(guī)律及相關(guān)關(guān)系進(jìn)行挖掘。

1.1定性分析

（1）IT負(fù)荷能耗：主要是數(shù)據(jù)最大。

（2）制冷系統(tǒng)能耗：主要包括冷機(jī)、冷卻泵、冷凍泵、冷塔、蓄冷罐、末端空調(diào)等制冷設(shè)施在數(shù)據(jù)中心的各個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)，根據(jù)各機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備運(yùn)行情況，為局部提供適當(dāng)?shù)臏囟拳h(huán)境。

（3）消防系統(tǒng)能耗：主要包括：消防給水設(shè)備、滅火設(shè)備、緊急廣播、漏電報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警、應(yīng)急照明指示燈等在運(yùn)行保障期間所消耗的電力能源。大多數(shù)時(shí)間中，這些設(shè)備處于靜默或休眠狀態(tài)，電能消耗不大。

（4）輔助設(shè)備消耗的能耗：主要包括照明、電梯系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、屏蔽設(shè)施、動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)設(shè)備等運(yùn)行過(guò)程時(shí)所消耗的能源。通常這部分設(shè)備能耗占比并不大。

（5）損耗能耗：包括UPS損耗、線路及接口損耗等。這部分能耗并不提供有用功，屬性于系統(tǒng)性損耗。通常施工改造等外接設(shè)備消耗的能源也計(jì)入損耗能耗。

雖然上述分析針對(duì)所調(diào)研的數(shù)據(jù)中心能耗類型也與此類似，只是在能源消耗占比上有所區(qū)別。

1.2定量分析

在定性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際能耗數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗情況進(jìn)行分析，挖掘能耗規(guī)律特點(diǎn)及關(guān)聯(lián)關(guān)系，為節(jié)能策略的提出提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)數(shù)據(jù)范圍及數(shù)據(jù)量，定量分析又分為總體分析和局部分析。

1.2.1總體能耗分析

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心2021年能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得各部分的能耗占比，如圖所示：

圖1總體能耗占比分析

從圖1可知，數(shù)據(jù)中心的總體能耗和IT設(shè)備能耗使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖2所示：

圖2數(shù)據(jù)中心能源總體消耗情況

從圖2可以看出，總體能耗規(guī)律與IT設(shè)備的能耗規(guī)律基本一致，呈波動(dòng)形；IT設(shè)備能耗較總能耗波動(dòng)性較平緩，說(shuō)明IT總負(fù)載全年變化不大；總能耗波動(dòng)性較大，尤其在7、8、9月能耗較突出，11、12月的能耗較小，較符合中國(guó)北方夏季氣溫高制冷能耗突出而冬季氣溫低制冷能耗較低的特點(diǎn)。

衡量數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗之比，即：

P

PIT

PUE=

其中，P是數(shù)據(jù)中心整體按月進(jìn)行PUE計(jì)算，可得PUE規(guī)律如圖3所示：

圖3數(shù)據(jù)中心PUE分布情況

分析可知，數(shù)據(jù)中心的能耗效率較好。

1.2.2局部能耗分析

數(shù)據(jù)中心總能耗達(dá)70%以上，因此，對(duì)機(jī)房進(jìn)行進(jìn)一步精細(xì)化能耗分析，掌握機(jī)房能耗分布情況，識(shí)別能耗主要節(jié)點(diǎn)，對(duì)后續(xù)的能耗管理及節(jié)能措施具有重要意義。

經(jīng)調(diào)研機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備主要包括：主機(jī)機(jī)柜、路由器、列頭柜、UPS電源、精密空調(diào)及部分動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)設(shè)備等，設(shè)備分布如4圖所示，所采集到的能耗數(shù)據(jù)有：各列機(jī)柜能耗數(shù)據(jù)、精密空調(diào)能耗數(shù)據(jù)、機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度數(shù)據(jù)、室外氣溫?cái)?shù)據(jù)等。

圖4機(jī)房布局圖

（1）機(jī)房能耗規(guī)律分析及挖掘

圖5機(jī)房IT設(shè)備能耗分析

通過(guò)分析可知，A-J共10列機(jī)柜中H、J列機(jī)柜能耗這一年均為0，說(shuō)明這兩列機(jī)柜并未啟用，B、C、D列機(jī)柜全年中僅部分時(shí)間使用，A、E、F、G、I列機(jī)柜全年均在使用；其中D列機(jī)柜在使用期間的月能耗最小；

（2）精密空調(diào)能耗消耗情況及規(guī)律

圖6機(jī)房精密空調(diào)能耗規(guī)律

精密空調(diào)能耗的月份2、3、4月，能耗分布具有明顯的波動(dòng)特性，電能用量規(guī)律與北方室外氣溫變化相符，即6、7、8月份氣溫較熱，在集中制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，精密空調(diào)需提供較大的額外制冷，空調(diào)負(fù)荷較重，能耗較高，2-4月份氣溫較低，空調(diào)負(fù)荷較輕，能耗較低。

（3）能耗相關(guān)性分析

為進(jìn)一步研究各部分能耗數(shù)據(jù)與溫濕度的相關(guān)性，對(duì)各類設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)與溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。首先對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。由于能耗和溫度、濕度的計(jì)量單位不同，所以采用min-max方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理。然后采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)對(duì)IT能耗、精密空調(diào)能耗、室外溫度和濕度間進(jìn)行相關(guān)性分析。

表1皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣

從表1中可以看出，IT能耗與精密空調(diào)能耗、室外溫度、濕度之間都是正相關(guān)的關(guān)系（相關(guān)性數(shù)值均大于0）。其中，IT能耗與精密空調(diào)能耗為強(qiáng)相關(guān)性（相關(guān)性數(shù)值大于0.7），與濕度中度相關(guān)性（相關(guān)性數(shù)值大于0.5），與溫度弱相關(guān)性（相關(guān)性數(shù)值小于0.4）；精密空調(diào)能耗與溫度、濕度、IT能耗的均為強(qiáng)相關(guān)性，與溫度相關(guān)性最大。

圖7展示出了的IT能耗與精密空調(diào)能耗、溫度、濕度的分布規(guī)律?？梢钥闯?，IT能耗在2月、6月和9月有所下降，空調(diào)能耗在2月和9月下降，濕度在2月、4月、9月和10月下降，溫度在8月、9月和10月下降，其余月份均穩(wěn)定上升。綜上，IT能耗和精密空調(diào)能耗的變化趨勢(shì)較相近，二者關(guān)聯(lián)性更大。

圖7IT能耗與空調(diào)能耗、溫度、濕度的分布規(guī)律

圖8展示出了的精密空調(diào)能耗與溫度、濕度的分布規(guī)律對(duì)比。可以看出，精密空調(diào)能耗在2月、8月和9月有所下降，其余月份均穩(wěn)定上升。濕度在2月、4月、9月和10月下降，溫度在8月、9月和10月下降，2月平穩(wěn)沒變，其余月份均穩(wěn)定上升。因此，精密空調(diào)能耗和溫度的變化趨勢(shì)較相近，二者關(guān)聯(lián)性更大。

圖8精密空調(diào)能耗與溫度、濕度的分布規(guī)律

（4）局部能耗效率分析

與數(shù)據(jù)中心整體相比，機(jī)房?jī)?nèi)的用電設(shè)備相對(duì)較少，更容易分析其能耗效率。計(jì)算機(jī)房的能耗效率可以衡量在機(jī)房的總電能中，具體多少是用到IT設(shè)備上的，多少是用到制冷上的，從而調(diào)整優(yōu)化制冷的分配。機(jī)房的能耗效率是機(jī)房總功耗與機(jī)房?jī)?nèi)IT設(shè)備的能耗

之比，即：

p

pue=

pit

其中p為機(jī)房總能耗，pit為機(jī)房?jī)?nèi)的IT設(shè)備能耗。下圖給出了機(jī)房總能耗（p）、IT設(shè)備能耗（pit）、能耗效率（pue）的分布規(guī)律。

圖9機(jī)房的pue分布規(guī)律-按月統(tǒng)計(jì)

從圖中可看出，數(shù)據(jù)最小，為1.13。說(shuō)明機(jī)房pue和總功耗、IT能耗的變化趨勢(shì)相近。

圖10機(jī)房的PUE分布規(guī)律-按天統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述分析，可總結(jié)數(shù)據(jù)中心各系統(tǒng)按電能消耗占比排序分別為IT負(fù)荷、制冷系統(tǒng)、損耗、輔助設(shè)備、消防系統(tǒng)五個(gè)部分；能耗一般在7-9月份較突出，11-12月份較低，能耗及PUE分布呈現(xiàn)波動(dòng)特征；通過(guò)局部分析可知，IT能耗與精密空調(diào)能耗、室外氣溫、溫度之間呈正相關(guān)關(guān)系，且IT能耗與濕度相關(guān)性較強(qiáng)，與氣溫相關(guān)性較弱；局部機(jī)房的IT能耗、能耗效率及總功耗的變化趨勢(shì)相近。

2節(jié)能策略及建議

綜合上述數(shù)據(jù)中心運(yùn)行條件的基礎(chǔ)上，節(jié)約能源消耗。

（1）利用室外自然冷源

自然冷卻是很多大型數(shù)據(jù)中心或商業(yè)建筑采用的

冷卻方式之一，即當(dāng)室外溫度低于某一溫度時(shí)（如10C°至13C°),將數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)由冷水機(jī)組制冷轉(zhuǎn)換

為自然冷源制冷。因此，可根據(jù)能耗及氣溫?cái)?shù)據(jù)采用自動(dòng)化的主-被動(dòng)制冷控制，即根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，若在一定時(shí)間內(nèi)，當(dāng)?shù)貧鉁剡_(dá)到低溫閥值，則自動(dòng)給出自然冷卻建議及方案，并由運(yùn)維人員判斷進(jìn)行判斷，將冷水機(jī)組切換為自然冷卻制冷，以達(dá)到節(jié)約能耗的目標(biāo)，但具體冷量需要根據(jù)冷卻模型進(jìn)行估算

（2）優(yōu)化機(jī)房空調(diào)運(yùn)行

基于能耗分析結(jié)果及溫濕度與能耗的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步分析機(jī)房?jī)?nèi)的熱源分布，風(fēng)道風(fēng)速等，根據(jù)溫度規(guī)律優(yōu)化調(diào)配空調(diào)送風(fēng)溫度及開啟數(shù)量，使機(jī)房空調(diào)工作在一個(gè)相對(duì)較低的能耗水平；此外，因能耗與濕度間呈強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，可考慮采購(gòu)一定數(shù)量的除濕機(jī)，不再依靠機(jī)房空調(diào)或新風(fēng)機(jī)來(lái)降低模塊機(jī)房的濕度，做到精準(zhǔn)除濕，降低空調(diào)系統(tǒng)耗電。

（3）關(guān)閉不必要的機(jī)房空調(diào)

進(jìn)入冬季后，柴房樓、運(yùn)維樓相關(guān)功能房間受室外環(huán)境溫度影響，房?jī)?nèi)溫度較低，可以關(guān)閉蓄電池室、配線間、智能建筑機(jī)房、控制室等房間機(jī)房空調(diào)或立式組合空調(diào)，節(jié)省能耗，相關(guān)專業(yè)要做出比較敏感的反應(yīng)。

（4）夏季關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)組水套加熱器

每年5月下旬至9月中旬可關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)組水套加熱器，減少為柴發(fā)冷卻液加熱造成的耗電。柴發(fā)帶載模式為一路斷電柴發(fā)啟動(dòng)，空載運(yùn)行。夏秋季氣溫高，且柴發(fā)為空載啟動(dòng)，關(guān)閉水套加熱器仍可保證柴發(fā)正常啟動(dòng)。

3安科瑞能耗統(tǒng)計(jì)分析（能源管理）解決方案

3.1能效管理解決方案介紹

建立高效的能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及績(jī)效考核指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費(fèi)情況，提高人員主動(dòng)節(jié)能的意識(shí)。

①　搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對(duì)各個(gè)用能環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

②　排碳數(shù)據(jù)化：通過(guò)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析（包括水、電、能量），實(shí)現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化；

③　區(qū)域能效比：實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對(duì)比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實(shí)現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對(duì)比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；

⑤　能耗評(píng)估管理：按照能源消耗定額標(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo)；

⑥　能耗競(jìng)爭(zhēng)排名：各個(gè)功能區(qū)能耗對(duì)比，實(shí)現(xiàn)能耗排名，增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識(shí)；

⑦　對(duì)能耗的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析、統(tǒng)計(jì)、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報(bào)表的打印。為能耗運(yùn)營(yíng)管理部門提供可靠的依據(jù)；

⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時(shí)查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測(cè)異常能源用量，對(duì)能源智能儀表故障進(jìn)行報(bào)警，提高系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化水平。

3.2能源管理系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)數(shù)據(jù)中心的提質(zhì)降耗改造提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]盛凱,鄭?？?蘆帥,等.我國(guó)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)政策研究[J].通信管理與技術(shù),2021,171(1):9-11.

[2]王月,李潔,郭亮.數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析[J].通信管理與技術(shù),2020,170(6):13-16.

[3]羅丹,李穎萱.數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀分析與綠色發(fā)展探索[J].通信世界,2022,903(17):36-38.

[4]張海南,田亞玲,張陽(yáng),等.中國(guó)數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué),2020,22(6):10-14.

[5]楊揚(yáng),任俊樺,王愛麗,劉宇.數(shù)據(jù)中心能耗分析及節(jié)能策略研究

[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版