龔永波
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。
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濕度計(jì) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
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濕度計(jì) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
精密空調(diào) |
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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??；
（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
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精密空調(diào) |
IT能耗 |
溫度 |
濕度 |
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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(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?？梢钥闯觯芸照{(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(méi)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(kāi)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(mén)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
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應(yīng)用場(chǎng)景 |
型號(hào) |
圖 片 |
保護(hù)功能 |
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能耗管理云平臺(tái) |
AcrelCloud-5000 |
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采用泛在物聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)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(jì)分析、能效分析、用能預(yù)警、設(shè)備管理等服務(wù)，平臺(tái)可以廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。 |
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智能網(wǎng)關(guān) |
Anet系列網(wǎng)管 |
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采用嵌入式硬件計(jì)算機(jī)平臺(tái)，具有多個(gè)下行通信接口及一個(gè)或者多個(gè)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(tái)系統(tǒng)間的橋梁，能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進(jìn)行水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)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(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)給平臺(tái)系統(tǒng)。 |
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高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜 |
APM810 |
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具有全電量測(cè)量，電能統(tǒng)計(jì)，電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于對(duì)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(jì)，當(dāng)客戶需要增加開(kāi)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(shí)，只需在背部插入對(duì)應(yīng)模塊即可。 |
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APM520 |
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三相全電量測(cè)量，2-63次諧波，不平衡度，最大需量，支持付費(fèi)率，越限報(bào)警，SOE,4-20mA輸出。 |
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低壓聯(lián)絡(luò)柜、 |
AEM96 |
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三相多功能電能表，均集成三相電力參數(shù)測(cè)量及電能計(jì)量及考核管理，提供上24時(shí)、上31日以及上12月的電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。具有63次分次諧波與總諧波含量檢測(cè)，帶有開(kāi)關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)“遙信”和“遙控”功能，并具備報(bào)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。 |
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動(dòng)力柜 |
ACR120EL |
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測(cè)量所有的常用電力參數(shù)，如三相電流、電壓，有功、無(wú)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(shí)時(shí)電力監(jiān)控系統(tǒng)。 |
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DTSD1352 |
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DIN35mm導(dǎo)軌式安裝結(jié)構(gòu)，體積小巧，能測(cè)量電能及其他電參量，可進(jìn)行時(shí)鐘、費(fèi)率時(shí)段等參數(shù)設(shè)置，精度高、可靠性好、性能指標(biāo)符合國(guó)標(biāo)GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T614-2007對(duì)電能表的各項(xiàng)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(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 |
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AEW100 |
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三相全電量測(cè)量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費(fèi)率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。 |
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)
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作者簡(jiǎn)介：
龔永波，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電，Email: 28801392115@qq.com手機(jī)：18702101301 QQ:2881392115
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