基于多级能耗传递模型的机房数据中心能源利用分析方法与流程

本发明属于能源利用及能源优化技术领域，涉及机房数据中心的能源利用及优化，尤其是一种基于多级能耗传递模型的机房数据中心能源利用分析方法。

背景技术：

随着全球能源危机的加剧，节能已成为人类社会发展必须面对的问题。我国的能源情况并不乐观，一方面能源储量不足，人均资源量非常有限；另一方面能源消耗大，能源利用效率低下。机房数据中心的能源消耗主要为电能，依据相关调查，在机房数据中心的运营成本当中，能源成本占到约50％，我国2014年机房数据中心耗电量已超过全社会用电量的1.5％。而且，数据中心的规模是近几年出现爆炸式增长，预计到2020年，全世界所产生的数据规模将达到目前水平的44倍。在这种背景下，如何有效提升机房数据中心的能源利用效率，成为备受关注的重要问题和技术难点。目前在机房数据中心能源利用效率方面的研究大多是针对数据中心PUE的研究，缺乏从能量输入和能量利用的整个能量流动过程出发的机房数据中心能源利用诊断分析,因此迫切需要对机房数据中心的能源利用进行深入研究。

经检索，未发现与本发明相同或相似的已公开的专利文献。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于多级能耗传递模型的机房数据中心能源利用分析方法，该方法能够同时从能源输入和能源利用的整个能量流动过程出发，对机房数据中心的利用现状进行分析，从而挖掘出机房数据中心能源利用的薄弱环节，进而提出有针对性的机房数据中心能源利用效率提升措施。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于多级能耗传递模型的机房数据中心能源利用分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立包括能源输入和能源利用的整个能量流动过程的机房数据中心多级能耗传递模型；

步骤2、根据步骤1所述的机房数据中心多级能耗传递模型，对机房数据中心的能源利用现状进行分析；

步骤3、基于能源利用现状分析，从能量输入和能量利用两个方面，挖掘机房数据中心的在能量输入方面和能量利用方面的薄弱环节；

步骤4、针对能源利用薄弱环节，从能量输入和能量利用两个方面，有针对性地提出机房数据中心的能源利用效率提升措施。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)根据能量守恒定律，建立机房数据中心多级能耗传递模型的能量流动公式如下：

E_I＝E_C+E_L

上式中，E_I表示能量输入，E_C表示能量消耗，E_L表示能量损耗；

机房数据中心多级能耗传递模型的能量输入主要为电能输入E_P，依据机房数据中心的类别不同，可分为直流电能输入和交流电能输入两类；

(2)建立机房数据中心多级能耗传递模型的能量消耗公式可表示为：

上式中，E_i(i＝1,2,...,n)表示数据中心各终端负荷的能量消耗；

(3)机房数据中心多级能耗传递模型的能量损耗主要为电能损耗，具体包括电能传输过程中的线路损耗和变压器损耗；

其中，线路损耗是电能流经导线时以热能形式散发的功率损失，计算公式如下：

上式中，P、Q分别为流经路线的有功功率和无功功率；U为路线上与P、Q同一点测得的电压；R为线路的电阻，与导线的截面、导线的材料和线路的长度有关；

其中，变压器损耗是指电能流经变压器时以热能形式散发的功率损耗，计算公式如下：

ΔP_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k

上式中，P_Fe为铁损，P_cu为铜损，P₀为空载损耗，P_K为额定负载损耗，β为平均负载系数。

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)通过对机房数据中心的直流电能和交流电能的各能量来源的输出功率的分析，对机房数据中心的能量输入进行分析；

(2)通过对机房数据中心的直流数据中心和交流数据中心的能量消耗构成分析，对机房数据中心的能量利用进行分析；

(3)根据机房数据中心的能量输入和能量利用构成的分析结果，建立机房数据中心的能量流动模型，对机房数据中心的能量流动进行分析；

其中，数据中心的能量输入主要为电能，包括直流电能(g_d)和交流电能(g_a)；能量消耗主要为电能的消耗，由数据中心环境耗电量和IT设备耗电量(g_IT)组成，其中数据中心环境耗电量包括配电系统耗电量(g_dps)和空调系统耗电量(g_acs)。依据能量守恒定律，机房数据中心的能量流动模型如下：

上式中，i表示配电系统耗电设备编号，j表示空调系统耗电设备编号。

而且，所述步骤2的第(2)步的对机房数据中心的直流数据中心和交流数据中心的能量消耗构成分析分别为：

①直流数据中心能量消耗构成；

直流数据中心能量消耗主要为电能的消耗，由数据中心环境耗电量和IT设备耗电量组成，其中，数据中心环境耗电量包括配电系统耗电量和空调系统耗电量；

②交流数据中心能量消耗构成；

直流数据中心能量消耗主要为电能的消耗，由数据中心环境耗电量和IT设备耗电量组成，其中数据中心环境耗电量包括配电系统耗电量、空调系统耗电量和逆变器耗电量。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明提出一种适用于机房数据中心的能源利用分析方法，该方法能够同时从能源输入和能源利用两个角度出发，对机房数据中心的利用现状进行分析，从而挖掘出机房数据中心能源利用的薄弱环节，进而提出有针对性的机房数据中心能源利用效率提升措施。本发明能够为机房数据中心能源的全局优化利用提供支撑，有利于提升机房数据中心能源优化水平，促进机房数据中心的节能减排和可持续发展。

2、本发明通过对机房数据中心的能源利用进行深入研究，基于涵盖整个能量流动过程的多级能耗传递模型，提出一种新的数据中心能源利用诊断分析方法，从而为机房数据中心的能源利用效率提升和能源优化提供理论基础，具有良好的理论价值和应用价值。

附图说明

图1是本发明的机房数据中心多级能耗传递模型图；

图2是本发明的机房数据中心能源利用诊断分析流程图；

图3是本发明的机房数据中心能源流动示意图；

图4是本发明的具体实施例的电量表实测数据计算得到各类终端负荷的耗电量比例图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于多级能耗传递模型的机房数据中心能源利用分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立包括能源输入和能源利用的整个能量流动过程的机房数据中心多级能耗传递模型，如图1所示；

机房数据中心多级能耗传递模型包括能量输入和能量利用，机房数据中心能量输入主要是电能输入，根据机房数据中心的类别不同，可分为直流电能输入和交流电能输入两类。

机房能量利用为机房数据中心内部能源通过梯级利用及部分损耗进行的能量流动，由能量消耗和能量损耗两部分组成，其中，能量消耗为各类机房数据中心终端负荷所消耗的能量；从物理层次看，机房数据中心的终端负荷主要由IT设备、配电系统和空调系统等三部分负荷构成(其他还包括电源和照明负荷等)；其中，IT设备用于数据处理(服务器)、数据存储(存储设备)以及通信(网络设备)，是实现机房数据中心功能的核心部分；配电系统和空调系统，用以保障IT设备系统的正常运行，其中，配电系统用于直流、交流转换，并确保为IT设备提供可靠、高质量的电源，空调系统保证IT设备在正常的温度和湿度下工作；能量损耗为能量在梯级利用过程中的电能损耗，依次包括网级、馈线级和配变级的能量损耗，可分为线路损耗和变压器损耗。

根据能量守恒定律，机房数据中心多级能耗传递模型的能量流动公式如下：

E_I＝E_C+E_L (1)

式(1)中，E_I表示能量输入，E_C表示能量消耗，E_L表示能量损耗。

机房数据中心多级能耗传递模型的能量输入主要为电能输入E_P，依据机房数据中心的类别不同，可分为直流电能输入和交流电能输入两类。

机房数据中心多级能耗传递模型的能量消耗可表示为：

式(2)中，E_i(i＝1,2,...,n)表示数据中心各终端负荷的能量消耗。

机房数据中心多级能耗传递模型的能量损耗主要为电能损耗，具体包括电能传输过程中的线路损耗和变压器损耗。

线路损耗是电能流经导线时以热能形式散发的功率损失，计算公式如下：

式(3)中，P、Q分别为流经路线的有功功率和无功功率；U为路线上与P、Q同一点测得的电压；R为线路的电阻，与导线的截面、导线的材料和线路的长度有关。

变压器损耗是指电能流经变压器时以热能形式散发的功率损耗，计算公式如下：

ΔP_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k (4)

式(4)中，P_Fe为铁损，P_cu为铜损，P₀为空载损耗，P_K为额定负载损耗，β为平均负载系数。

步骤2、根据步骤1所述的机房数据中心多级能耗传递模型，对机房数据中心的能源利用现状进行分析，其具体步骤如图2所示：

(1)通过对机房数据中心的直流电能和交流电能的各能量来源的输出功率的分析，对机房数据中心的能量输入进行分析；

(2)通过对机房数据中心的直流数据中心和交流数据中心的能量消耗构成分析，对机房数据中心的能量利用进行分析；

①直流数据中心能量消耗构成

直流数据中心能量消耗主要为电能的消耗，由数据中心环境耗电量和IT设备耗电量组成，其中数据中心环境耗电量包括配电系统耗电量和空调系统耗电量。

②交流数据中心能量消耗构成

直流数据中心能量消耗主要为电能的消耗，由数据中心环境耗电量和IT设备耗电量组成，其中数据中心环境耗电量包括配电系统耗电量、空调系统耗电量和逆变器耗电量。

(3)根据机房数据中心的能量输入和能量利用构成的分析结果，建立机房数据中心的能量流动模型，对机房数据中心的能量流动进行分析，如图3所示；

基于上述机房数据中心的能量输入和能力利用分析可知，机房数据中心的能量输入和能量利用构成，下面分析数据中心的能量流动，数据中心的能量输入主要为电能，包括直流电能(g_d)和交流电能(g_a)；能量消耗主要为电能的消耗，由数据中心环境耗电量和IT设备耗电量(g_IT)组成，其中数据中心环境耗电量包括配电系统耗电量(g_dps)和空调系统耗电量(g_acs)。依据能量守恒定律，数据中心的能量流动模型如下：

上式中，i表示配电系统耗电设备编号，j表示空调系统耗电设备编号。

步骤3、基于能源利用现状分析，从能量输入和能量利用两个方面，挖掘机房数据中心的在能量输入方面和能量利用方面的薄弱环节；

步骤4、针对能源利用薄弱环节，从能量输入和能量利用两个方面，有针对性地提出机房数据中心的能源利用效率提升措施。

在本实施例中，以某公司机房数据中心为例，根据本发明提出的一种基于多级能耗传递模型的机房数据中心能源利用分析方法进行机房数据中心能源利用诊断分析。

步骤1、根据机房数据中心多级能耗传递模型，对机房数据中心的能源利用现状进行分析；

能源利用现状分析是基于机房数据中心多级能耗传递模型开展的，由于多级能耗传递模型包括能量输入和能量利用两个部分，因此现状分析也包括能量输入分析和能量利用分析两个部分。

(1)能量输入分析

由多级能耗传递模型可知，机房数据中心的能量输入为电能。在本实施例中的公司机房为2N数据中心，即由两路市电供电。

(2)能量利用分析

由多级能耗传递模型可知，电能经过变压器和线路的逐级传输最后进入到机房数据中心，在传输过程中会发生变电器损耗和线路损耗，但是该损耗电能是由供电公司承担的，与机房数据中心的计算无关，机房数据中心需要重点分析的部分是能量消耗部分。

由多级能耗传递模型中的分析及公式(2)可知，能量消耗是机房数据中心各类终端负荷的能量消耗之和。在本实施例分析中的公司机房的终端负荷包括配电系统(含PDU、UPS、发电机、交换机、专线等)、空调系统(含冷却器、加湿器、计算机机房空调)和IT设备。在本实施例中，通过电量表实测数据计算得到各类终端负荷的耗电量比例，如图4所示。

步骤2、基于能源利用现状分析，从能量输入和能量利用两个方面，挖掘机房数据中心的在能量输入方面和能量利用方面的薄弱环节；

(1)能量输入方面薄弱环节

从能量输入角度分析，该机房为由两路市电供电，为交流供电数据中心，与直流供电数据中心相比，交流供电数据中心多了逆变器环节，增加了转换步骤，系统转换效率较低。

(2)能量利用方面薄弱环节

从能量利用角度分析，该公司机房消耗的电力实际上只有30％用来为IT负载供电，其余电力均被配电系统和空调系统所消耗，具体来说，配电系统电能消耗为25％(含5％PDU电耗、18％UPS电耗、1％发电机电耗、1％交换机、专线等电耗)、空调系统电能消耗为45％(含33％冷却器电耗、3％加湿器电耗和9％计算机机房空调单元电耗)。

也就是说，该公司机房的效率仅为30％，因为只有30％的输入电力用于IT负载，70％的输入电力未对该数据中心做任何“有用功”，该机房用能效率低下。

步骤3、针对能源利用薄弱环节，从能量输入和能量利用两个方面，有针对性地提出该公司机房的能源利用效率提升措施。

(1)能量输入方面的提升措施

从能量输入角度分析，建议引入冷热电三联供系统，提高能源利用效率。数据中心必须全年7×24小时不间断运行，电子信息设备及其他辅助设备发热量大，电负荷、冷负荷相对稳定。冷热电三联供系统可以实现同时产电、产冷(或者产热)，适合于数据中心。

(2)能量利用方面的提升措施

从能量利用角度分析，建议采用高效的设备，运用节能技术。具体来说，对于IT设备，建议采用低功率处理器、高效率电源、虚拟服务器、刀片式服务器，加强电源管理；对于空调系统，建议采用高热密度制冷方式、可调节制冷容量，加强能量监控；对于配电系统，建议取消市电输入端的工频隔离变压器、提高整流器和逆变器效率，加强配电监控。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。