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數(shù)據(jù)中心能源管理系統(tǒng)能耗分析及節(jié)能策略研究與應(yīng)用

更新時(shí)間:2024-04-11 點(diǎn)擊次數(shù): 191次

劉細(xì)鳳

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:

image.png

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:

image.png

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:

image.png

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

image.png

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


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(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。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(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(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

應(yīng)用場(chǎng)景

型號(hào)

圖 片

保護(hù)功能

能耗管理云平臺(tái)

AcrelCloud-5000


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。

智能網(wǎng)關(guān)

Anet系列網(wǎng)管


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)。

高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜

APM810


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。

APM520


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。

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(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。

動(dòng)力柜

ACR120EL


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)。

DTSD1352


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。

AEW100


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。

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