本發(fā)明屬于能源利用及能源優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，涉及機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用及優(yōu)化，尤其是一種基于多級能耗傳遞模型的機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用分析方法。

背景技術(shù)：

隨著全球能源危機(jī)的加劇，節(jié)能已成為人類社會發(fā)展必須面對的問題。我國的能源情況并不樂觀，一方面能源儲量不足，人均資源量非常有限；另一方面能源消耗大，能源利用效率低下。機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源消耗主要為電能，依據(jù)相關(guān)調(diào)查，在機(jī)房數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本當(dāng)中，能源成本占到約50％，我國2014年機(jī)房數(shù)據(jù)中心耗電量已超過全社會用電量的1.5％。而且，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模是近幾年出現(xiàn)爆炸式增長，預(yù)計到2020年，全世界所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模將達(dá)到目前水平的44倍。在這種背景下，如何有效提升機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用效率，成為備受關(guān)注的重要問題和技術(shù)難點(diǎn)。目前在機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用效率方面的研究大多是針對數(shù)據(jù)中心PUE的研究，缺乏從能量輸入和能量利用的整個能量流動過程出發(fā)的機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用診斷分析,因此迫切需要對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用進(jìn)行深入研究。

經(jīng)檢索，未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明相同或相似的已公開的專利文獻(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于多級能耗傳遞模型的機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用分析方法，該方法能夠同時從能源輸入和能源利用的整個能量流動過程出發(fā)，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，從而挖掘出機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出有針對性的機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用效率提升措施。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于多級能耗傳遞模型的機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用分析方法，包括以下步驟：

步驟1、建立包括能源輸入和能源利用的整個能量流動過程的機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型；

步驟2、根據(jù)步驟1所述的機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析；

步驟3、基于能源利用現(xiàn)狀分析，從能量輸入和能量利用兩個方面，挖掘機(jī)房數(shù)據(jù)中心的在能量輸入方面和能量利用方面的薄弱環(huán)節(jié)；

步驟4、針對能源利用薄弱環(huán)節(jié)，從能量輸入和能量利用兩個方面，有針對性地提出機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用效率提升措施。

而且，所述步驟1的具體步驟包括：

(1)根據(jù)能量守恒定律，建立機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型的能量流動公式如下：

E_I＝E_C+E_L

上式中，E_I表示能量輸入，E_C表示能量消耗，E_L表示能量損耗；

機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型的能量輸入主要為電能輸入E_P，依據(jù)機(jī)房數(shù)據(jù)中心的類別不同，可分為直流電能輸入和交流電能輸入兩類；

(2)建立機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型的能量消耗公式可表示為：

上式中，E_i(i＝1,2,...,n)表示數(shù)據(jù)中心各終端負(fù)荷的能量消耗；

(3)機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型的能量損耗主要為電能損耗，具體包括電能傳輸過程中的線路損耗和變壓器損耗；

其中，線路損耗是電能流經(jīng)導(dǎo)線時以熱能形式散發(fā)的功率損失，計算公式如下：

上式中，P、Q分別為流經(jīng)路線的有功功率和無功功率；U為路線上與P、Q同一點(diǎn)測得的電壓；R為線路的電阻，與導(dǎo)線的截面、導(dǎo)線的材料和線路的長度有關(guān)；

其中，變壓器損耗是指電能流經(jīng)變壓器時以熱能形式散發(fā)的功率損耗，計算公式如下：

ΔP_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k

上式中，P_Fe為鐵損，P_cu為銅損，P₀為空載損耗，P_K為額定負(fù)載損耗，β為平均負(fù)載系數(shù)。

而且，所述步驟2的具體步驟包括：

(1)通過對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的直流電能和交流電能的各能量來源的輸出功率的分析，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量輸入進(jìn)行分析；

(2)通過對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的直流數(shù)據(jù)中心和交流數(shù)據(jù)中心的能量消耗構(gòu)成分析，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量利用進(jìn)行分析；

(3)根據(jù)機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量輸入和能量利用構(gòu)成的分析結(jié)果，建立機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量流動模型，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量流動進(jìn)行分析；

其中，數(shù)據(jù)中心的能量輸入主要為電能，包括直流電能(g_d)和交流電能(g_a)；能量消耗主要為電能的消耗，由數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量和IT設(shè)備耗電量(g_IT)組成，其中數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量包括配電系統(tǒng)耗電量(g_dps)和空調(diào)系統(tǒng)耗電量(g_acs)。依據(jù)能量守恒定律，機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量流動模型如下：

上式中，i表示配電系統(tǒng)耗電設(shè)備編號，j表示空調(diào)系統(tǒng)耗電設(shè)備編號。

而且，所述步驟2的第(2)步的對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的直流數(shù)據(jù)中心和交流數(shù)據(jù)中心的能量消耗構(gòu)成分析分別為：

①直流數(shù)據(jù)中心能量消耗構(gòu)成；

直流數(shù)據(jù)中心能量消耗主要為電能的消耗，由數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量和IT設(shè)備耗電量組成，其中，數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量包括配電系統(tǒng)耗電量和空調(diào)系統(tǒng)耗電量；

②交流數(shù)據(jù)中心能量消耗構(gòu)成；

直流數(shù)據(jù)中心能量消耗主要為電能的消耗，由數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量和IT設(shè)備耗電量組成，其中數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量包括配電系統(tǒng)耗電量、空調(diào)系統(tǒng)耗電量和逆變器耗電量。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

1、本發(fā)明提出一種適用于機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用分析方法，該方法能夠同時從能源輸入和能源利用兩個角度出發(fā)，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，從而挖掘出機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出有針對性的機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用效率提升措施。本發(fā)明能夠?yàn)闄C(jī)房數(shù)據(jù)中心能源的全局優(yōu)化利用提供支撐，有利于提升機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源優(yōu)化水平，促進(jìn)機(jī)房數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展。

2、本發(fā)明通過對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用進(jìn)行深入研究，基于涵蓋整個能量流動過程的多級能耗傳遞模型，提出一種新的數(shù)據(jù)中心能源利用診斷分析方法，從而為機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用效率提升和能源優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，具有良好的理論價值和應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型圖；

圖2是本發(fā)明的機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用診斷分析流程圖；

圖3是本發(fā)明的機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源流動示意圖；

圖4是本發(fā)明的具體實(shí)施例的電量表實(shí)測數(shù)據(jù)計算得到各類終端負(fù)荷的耗電量比例圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步詳述：

一種基于多級能耗傳遞模型的機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用分析方法，包括以下步驟：

步驟1、建立包括能源輸入和能源利用的整個能量流動過程的機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型，如圖1所示；

機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型包括能量輸入和能量利用，機(jī)房數(shù)據(jù)中心能量輸入主要是電能輸入，根據(jù)機(jī)房數(shù)據(jù)中心的類別不同，可分為直流電能輸入和交流電能輸入兩類。

機(jī)房能量利用為機(jī)房數(shù)據(jù)中心內(nèi)部能源通過梯級利用及部分損耗進(jìn)行的能量流動，由能量消耗和能量損耗兩部分組成，其中，能量消耗為各類機(jī)房數(shù)據(jù)中心終端負(fù)荷所消耗的能量；從物理層次看，機(jī)房數(shù)據(jù)中心的終端負(fù)荷主要由IT設(shè)備、配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等三部分負(fù)荷構(gòu)成(其他還包括電源和照明負(fù)荷等)；其中，IT設(shè)備用于數(shù)據(jù)處理(服務(wù)器)、數(shù)據(jù)存儲(存儲設(shè)備)以及通信(網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)房數(shù)據(jù)中心功能的核心部分；配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)，用以保障IT設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其中，配電系統(tǒng)用于直流、交流轉(zhuǎn)換，并確保為IT設(shè)備提供可靠、高質(zhì)量的電源，空調(diào)系統(tǒng)保證IT設(shè)備在正常的溫度和濕度下工作；能量損耗為能量在梯級利用過程中的電能損耗，依次包括網(wǎng)級、饋線級和配變級的能量損耗，可分為線路損耗和變壓器損耗。

根據(jù)能量守恒定律，機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型的能量流動公式如下：

E_I＝E_C+E_L (1)

式(1)中，E_I表示能量輸入，E_C表示能量消耗，E_L表示能量損耗。

機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型的能量輸入主要為電能輸入E_P，依據(jù)機(jī)房數(shù)據(jù)中心的類別不同，可分為直流電能輸入和交流電能輸入兩類。

機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型的能量消耗可表示為：

式(2)中，E_i(i＝1,2,...,n)表示數(shù)據(jù)中心各終端負(fù)荷的能量消耗。

機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型的能量損耗主要為電能損耗，具體包括電能傳輸過程中的線路損耗和變壓器損耗。

線路損耗是電能流經(jīng)導(dǎo)線時以熱能形式散發(fā)的功率損失，計算公式如下：

式(3)中，P、Q分別為流經(jīng)路線的有功功率和無功功率；U為路線上與P、Q同一點(diǎn)測得的電壓；R為線路的電阻，與導(dǎo)線的截面、導(dǎo)線的材料和線路的長度有關(guān)。

變壓器損耗是指電能流經(jīng)變壓器時以熱能形式散發(fā)的功率損耗，計算公式如下：

ΔP_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k (4)

式(4)中，P_Fe為鐵損，P_cu為銅損，P₀為空載損耗，P_K為額定負(fù)載損耗，β為平均負(fù)載系數(shù)。

步驟2、根據(jù)步驟1所述的機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，其具體步驟如圖2所示：

(1)通過對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的直流電能和交流電能的各能量來源的輸出功率的分析，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量輸入進(jìn)行分析；

(2)通過對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的直流數(shù)據(jù)中心和交流數(shù)據(jù)中心的能量消耗構(gòu)成分析，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量利用進(jìn)行分析；

①直流數(shù)據(jù)中心能量消耗構(gòu)成

直流數(shù)據(jù)中心能量消耗主要為電能的消耗，由數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量和IT設(shè)備耗電量組成，其中數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量包括配電系統(tǒng)耗電量和空調(diào)系統(tǒng)耗電量。

②交流數(shù)據(jù)中心能量消耗構(gòu)成

直流數(shù)據(jù)中心能量消耗主要為電能的消耗，由數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量和IT設(shè)備耗電量組成，其中數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量包括配電系統(tǒng)耗電量、空調(diào)系統(tǒng)耗電量和逆變器耗電量。

(3)根據(jù)機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量輸入和能量利用構(gòu)成的分析結(jié)果，建立機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量流動模型，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量流動進(jìn)行分析，如圖3所示；

基于上述機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量輸入和能力利用分析可知，機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量輸入和能量利用構(gòu)成，下面分析數(shù)據(jù)中心的能量流動，數(shù)據(jù)中心的能量輸入主要為電能，包括直流電能(g_d)和交流電能(g_a)；能量消耗主要為電能的消耗，由數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量和IT設(shè)備耗電量(g_IT)組成，其中數(shù)據(jù)中心環(huán)境耗電量包括配電系統(tǒng)耗電量(g_dps)和空調(diào)系統(tǒng)耗電量(g_acs)。依據(jù)能量守恒定律，數(shù)據(jù)中心的能量流動模型如下：

上式中，i表示配電系統(tǒng)耗電設(shè)備編號，j表示空調(diào)系統(tǒng)耗電設(shè)備編號。

步驟3、基于能源利用現(xiàn)狀分析，從能量輸入和能量利用兩個方面，挖掘機(jī)房數(shù)據(jù)中心的在能量輸入方面和能量利用方面的薄弱環(huán)節(jié)；

步驟4、針對能源利用薄弱環(huán)節(jié)，從能量輸入和能量利用兩個方面，有針對性地提出機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用效率提升措施。

在本實(shí)施例中，以某公司機(jī)房數(shù)據(jù)中心為例，根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于多級能耗傳遞模型的機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用分析方法進(jìn)行機(jī)房數(shù)據(jù)中心能源利用診斷分析。

步驟1、根據(jù)機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型，對機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能源利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析；

能源利用現(xiàn)狀分析是基于機(jī)房數(shù)據(jù)中心多級能耗傳遞模型開展的，由于多級能耗傳遞模型包括能量輸入和能量利用兩個部分，因此現(xiàn)狀分析也包括能量輸入分析和能量利用分析兩個部分。

(1)能量輸入分析

由多級能耗傳遞模型可知，機(jī)房數(shù)據(jù)中心的能量輸入為電能。在本實(shí)施例中的公司機(jī)房為2N數(shù)據(jù)中心，即由兩路市電供電。

(2)能量利用分析

由多級能耗傳遞模型可知，電能經(jīng)過變壓器和線路的逐級傳輸最后進(jìn)入到機(jī)房數(shù)據(jù)中心，在傳輸過程中會發(fā)生變電器損耗和線路損耗，但是該損耗電能是由供電公司承擔(dān)的，與機(jī)房數(shù)據(jù)中心的計算無關(guān)，機(jī)房數(shù)據(jù)中心需要重點(diǎn)分析的部分是能量消耗部分。

由多級能耗傳遞模型中的分析及公式(2)可知，能量消耗是機(jī)房數(shù)據(jù)中心各類終端負(fù)荷的能量消耗之和。在本實(shí)施例分析中的公司機(jī)房的終端負(fù)荷包括配電系統(tǒng)(含PDU、UPS、發(fā)電機(jī)、交換機(jī)、專線等)、空調(diào)系統(tǒng)(含冷卻器、加濕器、計算機(jī)機(jī)房空調(diào))和IT設(shè)備。在本實(shí)施例中，通過電量表實(shí)測數(shù)據(jù)計算得到各類終端負(fù)荷的耗電量比例，如圖4所示。

步驟2、基于能源利用現(xiàn)狀分析，從能量輸入和能量利用兩個方面，挖掘機(jī)房數(shù)據(jù)中心的在能量輸入方面和能量利用方面的薄弱環(huán)節(jié)；

(1)能量輸入方面薄弱環(huán)節(jié)

從能量輸入角度分析，該機(jī)房為由兩路市電供電，為交流供電數(shù)據(jù)中心，與直流供電數(shù)據(jù)中心相比，交流供電數(shù)據(jù)中心多了逆變器環(huán)節(jié)，增加了轉(zhuǎn)換步驟，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率較低。

(2)能量利用方面薄弱環(huán)節(jié)

從能量利用角度分析，該公司機(jī)房消耗的電力實(shí)際上只有30％用來為IT負(fù)載供電，其余電力均被配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)所消耗，具體來說，配電系統(tǒng)電能消耗為25％(含5％PDU電耗、18％UPS電耗、1％發(fā)電機(jī)電耗、1％交換機(jī)、專線等電耗)、空調(diào)系統(tǒng)電能消耗為45％(含33％冷卻器電耗、3％加濕器電耗和9％計算機(jī)機(jī)房空調(diào)單元電耗)。

也就是說，該公司機(jī)房的效率僅為30％，因?yàn)橹挥?0％的輸入電力用于IT負(fù)載，70％的輸入電力未對該數(shù)據(jù)中心做任何“有用功”，該機(jī)房用能效率低下。

步驟3、針對能源利用薄弱環(huán)節(jié)，從能量輸入和能量利用兩個方面，有針對性地提出該公司機(jī)房的能源利用效率提升措施。

(1)能量輸入方面的提升措施

從能量輸入角度分析，建議引入冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，提高能源利用效率。數(shù)據(jù)中心必須全年7×24小時不間斷運(yùn)行，電子信息設(shè)備及其他輔助設(shè)備發(fā)熱量大，電負(fù)荷、冷負(fù)荷相對穩(wěn)定。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同時產(chǎn)電、產(chǎn)冷(或者產(chǎn)熱)，適合于數(shù)據(jù)中心。

(2)能量利用方面的提升措施

從能量利用角度分析，建議采用高效的設(shè)備，運(yùn)用節(jié)能技術(shù)。具體來說，對于IT設(shè)備，建議采用低功率處理器、高效率電源、虛擬服務(wù)器、刀片式服務(wù)器，加強(qiáng)電源管理；對于空調(diào)系統(tǒng)，建議采用高熱密度制冷方式、可調(diào)節(jié)制冷容量，加強(qiáng)能量監(jiān)控；對于配電系統(tǒng)，建議取消市電輸入端的工頻隔離變壓器、提高整流器和逆變器效率，加強(qiáng)配電監(jiān)控。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。