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中心能耗分析及節(jié)能策略研究與應(yīng)用

更新時間：2024-04-08點擊次數(shù)：2592次

任運業(yè)

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，國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心的運營管理和節(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)角度對能耗規(guī)律及相關(guān)關(guān)系進行挖掘。

1.1定性分析

（1）IT負荷能耗：主要是數(shù)據(jù)最大。

（2）制冷系統(tǒng)能耗：主要包括冷機、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)中心的各個機房內(nèi)，根據(jù)各機房內(nèi)的設(shè)備運行情況，為局部提供適當?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、漏電報警、火災(zāi)報警、應(yīng)急照明指示燈等在運行保障期間所消耗的電力能源。大多數(shù)時間中，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、動環(huán)監(jiān)測設(shè)備等運行過程時所消耗的能源。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)備消耗的能源也計入損耗能耗。

雖然上述分析針對所調(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)合實際能耗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)中心能耗情況進行分析，挖掘能耗規(guī)律特點及關(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

通過對數(shù)據(jù)中心2021年能耗進行統(tǒng)計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)備能耗使用情況進行統(tǒng)計分析，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，呈波動形；IT設(shè)備能耗較總能耗波動性較平緩，說明IT總負載全年變化不大；總能耗波動性較大，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。

衡量數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗之比，即：

PIT

PUE=

其中，P是數(shù)據(jù)中心整體按月進行PUE計算，可得PUE規(guī)律如圖3所示：

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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70%以上，因此，對機房進行進一步精細化能耗分析，掌握機房能耗分布情況，識別能耗主要節(jié)點，對后續(xù)的能耗管理及節(jié)能措施具有重要意義。

經(jīng)調(diào)研機房內(nèi)的設(shè)備主要包括：主機機柜、路由器、列頭柜、UPS電源、精密空調(diào)及部分動環(huán)監(jiān)測設(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：各列機柜能耗數(shù)據(jù)、精密空調(diào)能耗數(shù)據(jù)、機房內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)、室外氣溫數(shù)據(jù)等。

濕度計

精密空調(diào)

...

濕度計

精密空調(diào)

圖4機房布局圖

（1）機房能耗規(guī)律分析及挖掘

圖5機房IT設(shè)備能耗分析

通過分析可知，A-J共10列機柜中H、J列機柜能耗這一年均為0，說明這兩列機柜并未啟用，B、C、D列機柜全年中僅部分時間使用，A、E、F、G、I列機柜全年均在使用；其中D列機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機房精密空調(diào)能耗規(guī)律

精密空調(diào)最di能耗的月份2、3、4月，能耗分布具有明顯的波動特性，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)負荷較重，能耗較高，2-4月份氣溫較低，空調(diào)負荷較輕，能耗較低。

（3）能耗相關(guān)性分析

為進一步研究各部分能耗數(shù)據(jù)與溫濕度的相關(guān)性，對各類設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)與溫濕度數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析。首先對所有數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。由于能耗和溫度、濕度的計量單位不同，所以采用min-max方法對數(shù)據(jù)進行量化處理。然后采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)對IT能耗、精密空調(diào)能耗、室外溫度和濕度間進行相關(guān)性分析。

表1皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣

	精密空調(diào)	IT能耗	溫度	濕度
精密空調(diào)	1.00	0.71	0.85	0.75
IT能耗	0.71	1.00	0.37	0.52
溫度	0.85	0.37	1.00	0.70
濕度	0.75	0.52	0.70	1.00

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。可以看出，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，機房內(nèi)的用電設(shè)備相對較少，更容易分析其能耗效率。計算機房的能耗效率可以衡量在機房的總電能中，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。機房的能耗效率是機房總功耗與機房內(nèi)IT設(shè)備的能耗

之比，即：

pue=

pit

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

圖9機房的pue分布規(guī)律-按月統(tǒng)計

從圖中可看出，數(shù)據(jù)最小，為1.13。說明機房pue和總功耗、IT能耗的變化趨勢相近。

圖10機房的PUE分布規(guī)律-按天統(tǒng)計

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負荷、制冷系統(tǒng)、損耗、輔助設(shè)備、消防系統(tǒng)五個部分；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)波動特征；通過局部分析可知，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，與氣溫相關(guān)性較弱；局部機房的IT能耗、能耗效率及總功耗的變化趨勢相近。

2節(jié)能策略及建議

綜合上述數(shù)據(jù)中心運行條件的基礎(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，即當室外溫度低于某一溫度時（如10C°至13C°),將數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)由冷水機組制冷轉(zhuǎn)換

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

（2）優(yōu)化機房空調(diào)運行

基于能耗分析結(jié)果及溫濕度與能耗的相關(guān)關(guān)系，進一步分析機房內(nèi)的熱源分布，風道風速等，根據(jù)溫度規(guī)律優(yōu)化調(diào)配空調(diào)送風溫度及開啟數(shù)量，使機房空調(diào)工作在一個相對較低的能耗水平；此外，因能耗與濕度間呈強相關(guān)關(guān)系，可考慮采購一定數(shù)量的除濕機，不再依靠機房空調(diào)或新風機來降低模塊機房的濕度，做到精準除濕，降低空調(diào)系統(tǒng)耗電。

（3）關(guān)閉不必要的機房空調(diào)

進入冬季后，柴房樓、運維樓相關(guān)功能房間受室外環(huán)境溫度影響，房內(nèi)溫度較低，可以關(guān)閉蓄電池室、配線間、智能建筑機房、控制室等房間機房空調(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，空載運行。夏秋季氣溫高，且柴發(fā)為空載啟動，關(guān)閉水套加熱器仍可保證柴發(fā)正常啟動。

3安科瑞能耗統(tǒng)計分析（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)測管理系統(tǒng)，對建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進行實時測量，對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟指標及績效考核指標，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費情況，提高人員主動節(jié)能的意識。

①　搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對各個用能環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測；

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

③　區(qū)域能效比：實現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；

⑤　能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導(dǎo)值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭排名：各個功能區(qū)能耗對比，實現(xiàn)能耗排名，增強工作人員的節(jié)能意識；

⑦　對能耗的使用數(shù)據(jù)進行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據(jù)；

⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，監(jiān)測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。

3.2能源管理系統(tǒng)硬件配置

應(yīng)用場景	型號	圖片	保護功能
能耗管理云平臺	AcrelCloud-5000		采用泛在物聯(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通訊、智能傳感等技術(shù)手段可為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析、能效分析、用能預(yù)警、設(shè)備管理等服務(wù)，平臺可以廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。
智能網(wǎng)關(guān)	Anet系列網(wǎng)管		采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網(wǎng)絡(luò)接口，作為信息采集系統(tǒng)中采集終端與平臺系統(tǒng)間的橋梁，能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)采集匯總，并使用相應(yīng)的規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)給平臺系統(tǒng)。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM810		具有全電量測量，電能統(tǒng)計，電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設(shè)計，當客戶需要增加開關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD卡記錄，以太網(wǎng)通訊時，只需在背部插入對應(yīng)模塊即可。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM520		三相全電量測量，2-63次諧波，不平衡度，最大需量，支持付費率，越限報警，SOE,4-20mA輸出。
低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜	AEM96		三相多功能電能表，均集成三相電力參數(shù)測量及電能計量及考核管理，提供上24時、上31日以及上12月的電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計。具有63次分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實現(xiàn)“遙信”和“遙控”功能，并具備報警輸出，可廣泛應(yīng)用于多種控制系統(tǒng)，SCADA系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中。
動力柜	ACR120EL		測量所有的常用電力參數(shù)，如三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，諧波等，并具備完善的通信聯(lián)網(wǎng)功能，非常適合于實時電力監(jiān)控系統(tǒng)。
	DTSD1352		DIN35mm導(dǎo)軌式安裝結(jié)構(gòu)，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數(shù)設(shè)置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標準DL/T614-2007對電能表的各項技術(shù)要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
	AEW100		三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。