CN111578455A - 机房能耗管理系统及方法 - Google Patents

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CN111578455A CN202010451481.3A CN202010451481A CN111578455A CN 111578455 A CN111578455 A CN 111578455A CN 202010451481 A CN202010451481 A CN 202010451481A CN 111578455 A CN111578455 A CN 111578455A
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Abstract

本发明涉及空调控制技术领域，具体涉及一种机房能耗管理系统，包括：采集模块，用于实时采集环境温度；计算模块，用于根据实时采集的环境温度计算辐射能；判断模块，用于根据辐射能与预设的热量阈值的大小判断是否需要制冷：当辐射能大于、等于预设的热量阈值时，获取辐射能大于、等于预设的热量阈值的发热源的位置信息；空间模块，用于根据位置信息分析发热源的之间的空间方位信息；控制模块，用于根据空间方位信息调整制冷量。本发明的优点在于：判断是否需要制冷时，以热辐射为标准，相比温度标准而言，更加准确。在调整制冷量时，以发热源空间方位为依据，考虑了发热源相互之间的影响，使得降温更有针对性、更有效果。

Description

机房能耗管理系统及方法
技术领域
本发明涉及空调控制技术领域，具体涉及一种机房能耗管理系统及方法。
背景技术
随着云计算中心机房建设越来越多，降低机房能耗是机房在能耗管理方面的重要问题。根据调查，国内机房用电分配是：IT 44％，空调制冷38％(有甚至的高达50％)，其余电源、照明18％，可以看出空调制冷的能耗占比相当大。
对此，文件CN106979588B公开了一种机房空调能耗的节能管理系统，涉及空调控制技术领域，包括多台空调，多个温度传感器和控制中心。控制中心用于依据机房设备空间设备分布及设备功耗对空调控制区域内的制冷权重进行计算，并根据制冷权重和各温度传感器的采样温度计算空调控制区域的区域实际温度，比较计算出的区域实际温度是否在预设的空调适宜温度范围内，如果不在，调低或调高空调设定温度最终实现区域实际温度是否在预设的空调适宜温度范围内。该发明可实现根据机房内各区域的冷量需求调节该区域对应的空调的控制温度，实现节能的目的。
目前很多机房为了保证IT设备正常运转，要么将空调制冷量设置为最大，要么根据环境温度自动调整制冷量，以减少能耗的浪费。通过这样的方式，考虑到机房不同IT设备发热量不一样，可以根据区域设置不同制冷量。但是，机房内的换热一般以辐射为主，热传导和对流传热的影响很小。热辐射与温度的四次方成正比，采用温度指标作为参数调整制冷量并不准确，即使温度相差一度，但是热辐射却相差很大，在高温时更是如此。除此之外，热辐射还与机房内各种发热设备的位置关系有关。可是，现有技术在调整制冷量时，并没有考虑热辐射的影响，难以根据热辐射来调整制冷量。
发明内容
本发明提供一种机房能耗管理系统及方法，解决了现有技术难以根据热辐射来调整制冷量的技术问题。
本发明提供的基础方案为：机房能耗管理系统，包括：
采集模块，用于实时采集环境温度，并发送实时采集的环境温度；
计算模块，用于接收环境温度，根据实时采集的环境温度计算辐射能，并发送辐射能；
判断模块，用于接收计算出的辐射能，根据辐射能与预设的热量阈值的大小判断是否需要制冷：当辐射能大于、等于预设的热量阈值时，需要制冷；获取辐射能大于、等于预设的热量阈值的发热源的位置信息，并发送位置信息；
空间模块，用于接收位置信息，根据位置信息分析发热源的之间的空间方位信息，并发送空间方位信息；
控制模块，用于接收空间方位信息，并根据空间方位信息调整制冷量。
本发明的工作原理在于：采集到温度后计算辐射能，若机房内某个位置处的发热源的辐射能超过预设的阈值，表明发热源的温度较高需要降温。考虑到，发热源相互之间还有辐射能的交换，热量交换的大小与发热源相互之间的空间位置有关。因此，接下来需要分析发热源之间的位置的空间方位信息，根据空间方位信息灵活地调整制冷量。
本发明的优点在于：判断是否需要制冷时，以热辐射为标准，相比以温度为标准而言，更加准确、可靠。此外，在调整制冷量时，以发热源空间方位为依据，考虑了发热源相互之间的影响，使得降温更有针对性、更有效果。
本发明充分考虑了热辐射的影响，并根据热辐射来调整制冷量；相比于现有技术根据环境温度进行调整，更加准确、可靠。
进一步，采集的环境温度为湿球温度。
有益效果在于：通常，采集的环境温度为干球，干球温度是温度计自由的暴露在空气中所测量的温度，而湿球温度是当前环境仅通过蒸发水分所能达到的最低温度。由于水分的蒸发量跟空气的湿度有关，空气湿度越大蒸发量越小，带走的热量越少，干湿球温度差异越小；空气湿度越小水蒸发量越大，带走的热量也越大，干湿球温差也就越大。因此，可以通过干湿球温差的变化规律来反映当前空气湿度状况。
机房对空气的相对湿度通常有一定的要求，一般在40-60％。当进行制冷时，对发热源进行降温，主要通过对流换热进行。空气中水蒸气的含量直接影响换热的效果：在一定范围内，空气中湿度越大，水分含量越高，散热效果越差。因此，由于湿球温度包含了空气湿度的信息，考虑了湿度对散热的影响，对机房能耗的管理更加精确。
进一步，计算辐射能时，加入黑体系数。
有益效果在于：目前服务器采用的材质包括铁板、亚克力、铝板和塑料，这些材料的黑体系数并不一样，对辐射传热存在较大的影响。加入黑体系数，就考虑了材质的影响，使得判断是否需要制冷时更加准确。
进一步，方位信息为角系数。
有益效果在于：角系数是一个表面发射出的辐射能中落到另一表面的百分数，反映相互辐射的不同物体之间几何形状与位置关系。可见，角系数能够充分展现机房内各个发热源的几何形状与位置关系，体现发热源各自之间辐射能的相互影响，从而便于根据辐射能的传递量大小调整制冷量。
进一步，按照预设的制冷量与角系数的函数关系控制制冷量。
有益效果在于：通过函数关系，比如制冷量＝f(角系数)，来调整制冷量更加准确和定量化。此外，制冷量＝f(角系数)这样的函数关系，可以人为预先拟定，针对不同的机房做相应的调整。
本发明还提供一种机房能耗管理方法，包括步骤：
S1、实时采集环境温度；
S2、根据实时采集的环境温度计算辐射能；
S3、根据辐射能与预设的热量阈值的大小判断是否需要制冷：当辐射能大于、等于预设的热量阈值时，需要制冷；获取辐射能大于、等于预设的热量阈值的发热源的位置信息；
S4、根据位置信息分析发热源的之间的空间方位信息；
S5、根据空间方位信息调整制冷量。
本发明的工作原理和优点在于：判断是否需要制冷时，以热辐射为标准，相比以温度为标准而言，更加准确、可靠。此外，在调整制冷量时，以发热源空间方位为依据，考虑了发热源相互之间的影响，使得降温更有针对性、更有效果。
本发明充分考虑了热辐射的影响，并根据热辐射来调整制冷量；相比于现有技术根据环境温度进行调整，更加准确、可靠。
进一步，步骤S1中，采集的环境温度为湿球温度。
有益效果在于：由于湿球温度包含了空气湿度的信息，考虑了湿度对散热的影响，对机房能耗的管理更加精确。
进一步，步骤S2中，计算辐射能时加入黑体系数。
有益效果在于：加入黑体系数，考虑了材质的影响，使得判断是否需要制冷时更加准确。
进一步，步骤S4中，方位信息为角系数。
有益效果在于：角系数能够充分展现机房内各个发热源的几何形状与位置关系，体现发热源各自之间辐射能的相互影响，从而便于根据辐射能的传递量大小调整制冷量。
进一步，步骤S5中，按照预设的制冷量与角系数的函数关系控制制冷量。
有益效果在于：通过函数关系来调整制冷量更加准确和定量化，制冷量与角系数的函数关系，人为预先拟定，针对不同的机房做相应的调整。
附图说明
图1为本发明机房能耗管理系统实施例的系统结构框图。
图2为本发明机房能耗管理系统实施例3的机柜结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例1
本发明机房能耗管理系统实施例1基本如附图1所示：包括：
采集模块，用于实时采集环境温度，并发送实时采集的环境温度；
计算模块，用于接收环境温度，根据实时采集的环境温度计算辐射能，并发送辐射能；
判断模块，用于接收计算出的辐射能，根据辐射能与预设的热量阈值的大小判断是否需要制冷：当辐射能大于、等于预设的热量阈值时，需要制冷；获取辐射能大于、等于预设的热量阈值的发热源的位置信息，并发送位置信息；
空间模块，用于接收位置信息，根据位置信息分析发热源的之间的空间方位信息，并发送空间方位信息；
控制模块，用于接收空间方位信息，并根据空间方位信息调整制冷量。
S1、实时采集环境温度。
在本实施例中，机房内放置有多台设备，这些设备可以是电脑、服务器，或者工作站。这些设备在工作的时候，发热元件会散发出大量的热量使其温度升高，从而向空气和其他设备以热辐射的形式传递热量。在机房内还安装有多台空调，每台空调用于向机房中的一个固定区域提供制冷，这个固定区域也是空调提供的制冷可以影响的区域。
采集模块为可以测量湿球温度的传感器，本实施例采用epow0040001型湿球温度变送器，该传感器采用高精度温湿度感测组件以感测使用环境中之湿球温度，精度、可靠性高。在每台设备上都安装有可以测量湿球温度的传感器，用于实时采集机房设备所在区域的环境温度，并将实时采集的环境温度传输至计算模块。
S2、根据实时采集的环境温度计算辐射能。
计算模块采用stc89c52芯片，当接收到环境温度后，根据辐射换热公式计算辐射能，具体公式为：q＝5.67×10-8×T4(J)，q为辐射能，T为设备所在区域的环境温度。比如说，环境温度为T＝25℃，也即298K，这时q＝5.67×10-8×T4＝5.67×10-8×2984＝447J/m2；若环境温度为T＝26℃，也即299K，这时q＝5.67×10-8×T4＝5.67×10-8×2994＝453J/m2。可见，环境温度为T＝25℃时，T升高1℃，q升高6J/m2，也就是说q的变化会更明显一些，无论是作为判断依据、还是调控依据，误差都会小一些。
事实上，辐射能还与黑体系数有关，而黑体系数则取决于设备由何种材料制成。目前服务器采用的材质包括铁板、亚克力、铝板和塑料，这些材料的黑体系数并不一样，对辐射传热存在较大的影响。加入黑体系数，就考虑了材质的影响，使得判断是否需要制冷时更加准确。比如说，铁板、亚克力、铝板和塑料的黑体系数分别为0.95、0.90、0.92、0.88，在环境温度为T＝25℃时q分别为447×0.95＝424.65J/m2；、447×0.90＝402.3J/m2；447×0.92＝411.24J/m2；447×0.88＝393.36J/m2。计算完毕后将q发送到判断模块。
S3、根据辐射能与预设的热量阈值的大小判断是否需要制冷：当辐射能大于、等于预设的热量阈值时，需要制冷；获取辐射能大于、等于预设的热量阈值的发热源的位置信息。
判断模块采用stc89c52芯片，当接收到辐射能q后，根据辐射能与预设的热量阈值的大小判断是否需要制冷：若辐射能大于、等于预设的热量阈值时，则表明设备所在区域的温度较高，需要制冷；反之，若辐射能小于预设的热量阈值时，则表明设备所在区域的温度还不太高，暂时不需要制冷。比如说，预设的热量阈值为450J/m2，环境温度为T＝25℃时，q＝447J/m2，小于450J/m2，判断的结果为不需要制冷；反之，环境温度为T＝26℃时，q＝＝453J/m2，大于450J/m2，判断的结果为需要制冷。
当判断的结果为需要制冷时，需要找出是哪些区域的设备温度过高、需要制冷。在本实施例中，每台设备的安装区域的具体位置都能以坐标的形式表示，每台设备的温度传感器都标有序号，这个序号与该台设备的坐标一一对应。这样，就可以根据传感器的序号确定该台设备的坐标。比如说，q＝＝453J/m2，大于450J/m2，判断的结果为需要制冷，该传感器的序号为16，其对应的设备的坐标为(4，6)。然后，将该台设备的位置信息，也即坐标(4，6)发送到空间模块。
S4、根据位置信息分析发热源的之间的空间方位信息。
空间模块包括单片机和摄像头，当接收到需要制冷的设备的坐标后，摄像头拍摄该设备附近区域的照片。比如说，摄像头拍摄的区域为一个圆，圆心为点(4，6)，半径为2米。拍摄完毕后，将照片发送到单片机，然后单片机根据照片分析该设备与附近其他设备的空间方位。比如说，分析的结果表明：该设备附近还有设备A、设备B，该设备的散热面与设备A的散热面的法线夹角为βA，该设备的散热面与设备A的散热面的法线夹角为βB。那么，该设备与设备A的角系数可写为XA＝X(βA)，该设备与设备B的角系数可写为XB＝X(βB)。这样，通过传热学的相关公式(具体参见《传热学第四版》，高等教育出版社)，即可计算出XA和XB，计算完毕后将XA和XB发送到控制模块。
S5、根据空间方位信息调整制冷量。
控制模块采用单片机，当接收到将XA和XB后，根据预设的函数关系调整制冷量的功率。比如，制冷量的功率W＝f(XA，XB)＝2×XA 2+0.8×XB 3。然后，以计算出制冷量的功率，控制空调进行制冷。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于：
采集模块采集机柜附近的温度、湿度和制冷能耗数据，通过网关将这些数据汇聚到计算模块；判断模块对温度、湿度、能耗数据进行分析，然后判断这些数据是否在正常范围内：如果是在正常范围内，则记录当前采集的数据，不做其他操作；如果超过正常范围，控制模块就获取预设策略，并根据预设策略向空调下发区域空调指令。空调指令中包括制冷量等具体调整参数，空调接收到调整参数指令后，做出相应操作。
此外，机房管理人员可以在判断模块中设置机房内各个区域的照明时段，比如正常上班时段、临时加班时段。采集模块也采集照明能耗数据，并将照明能耗数据上传到网关，然后网关将照明能耗数据汇集到判断模块。接着，判断模块判断照明能耗是否在预设的时间段范围内：如果在预设时间段范围内，则记录当前能耗值，不做任何操作；如果超过是预设时间段，则通知机房管理人员，管理人员可以根据情况调整照明时段。判断模块还根据预设策略判断是否需要自动关闭大功耗照明设备：如果需要关闭，则下达关闭大功耗照明设备指令，并将指令发给照明配电箱，照明配电箱按照指令关闭对应大功耗照明设备；如果不需要关闭，则不进行任何操作。
实施例3
与实施例1不同之处仅在于，如附图2所示，还包括机柜1、出气口2、风扇3、弹簧4、第一电磁铁5、进气口6、第二电磁铁7和门板8。
如附图2所示，机柜1共有两个，且左右镜像对称，机柜1里面的空间分为4层，每层放置有2台设备(附图2中未画出机柜1里的空间结构与放置的设备)。本实施例中以左边的机柜1的结构进行阐述，右边的机柜1的结构与左边的机柜1的结构类似，本实施例中不再赘述。
通常，服务器温度过高一般是散热的问题，最典型的就是超频。服务器超频就需要提高CPU的工作电压，工作电压升高就会引起功耗加大，从而引起发热量自然增加。一旦发热量与散热量趋于平衡，CPU温度就不再升高，发热量由CPU的功率决定，而功率又和电压成正比。此外，环境温度和风扇质量、主机环境也对散热效果有很大的影响。可见，极有可能出现左、右边的机柜1中设备的发热量不同的情况。
机柜1为长方体形状，在机柜1的顶部开设有出气口2，在机柜1的底部开设有两个进气口6。机柜1的底部还安装有两个风扇3，风扇3相对于机柜1的竖直对称线对称。风扇3的具体安装方式为，风扇3由金属材料制成，风扇3通过两根弹簧4固定在机柜1的底面，弹簧4一端焊接在风扇3上，另一端焊接在机柜1的底部，风扇3位于进气口6的正上方。第一电磁铁5包括铁芯和线圈，线圈由导电材质制成，缠绕在铁芯上，第一电磁铁5安装在支撑风扇3的右边的那根弹簧4的左边，具体方式为铁芯焊接在机柜1的底部。在机柜1的右侧，设有门板8，门板8铰接在机柜1上。第二电磁铁7包括铁芯和线圈，线圈由导电材质制成，缠绕在铁芯上，铁芯焊接在门板8上。
本实施例中，出气口2处还安装有温度传感器，用来采集出气口2处的气流的温度数值；第一磁铁5、第二磁铁7的线圈的通电、断开状态，均由控制模块通过控制开关进行控制，具体的控制开关可参考现有技术，比如专利CN105573390A。
初始时，左、右两边的机柜1的门板8均处于关闭状态，出气口2、进气口6以及风扇3均处于开启状态。左、右边的机柜1上出气口2处的温度传感器实时检测出气口2处气流的温度值，并将检测出的温度数值发送到判断模块。判断模块判断左、右边的机柜1出气口2处气流的温度值的大小：
若左边的、右边的机柜1出气口2处气流的温度值大小相等，说明左、右边的机柜1中的风扇3的散热效果基本相同，故不需要额外的操作。
若右边的机柜1出气口2处气流的温度值大于左边的机柜1出气口2处气流的温度值，说明右边的机柜1中的风扇3的散热效果差一些，使得出气口2处的气流温度较高，这时控制模块发送信号到控制开关，先接通左边的、右边的机柜1上的第二电磁铁7的线圈的开关，然后接通左边的机柜1上的第一电磁铁5的线圈的开关。这样，左边的、右边的机柜1的门板8在第二电磁铁7的相互吸引的作用下会相互靠近，使得门板8处于打开状态；左边的机柜1的风扇3会在第一电磁铁5的吸引力作用下，向右边进行偏转。左边的机柜1的风扇3吹出的气流的一部分就会进入到右边的机柜1，帮助右边的机柜1进行散热，从而提高整体的散热效果。接着，控制模块发送降低转速的控制指令到左边的机柜1中的左边的风扇3。这样，左边的机柜1中的左边的风扇3的转速会降低，使得从该风扇3下方的进气口6进入的气流量减小，从而实现进气的分流，有效地提高左边的机柜1中的对流换热的效果。
类似地，若左边的机柜1出气口2处气流的温度值大于右边的机柜1出气口2处气流的温度值，说明左边的机柜1中的风扇3的散热效果差一些，使得出气口2处的气流温度较高，这时控制模块发送信号到控制开关，先接通左边的、右边的机柜1上的第二电磁铁7的线圈的开关，然后接通右边的机柜1上的第一电磁铁5的线圈的开关。这样，左边的、右边的机柜1的门板8在第二电磁铁7的相互吸引的作用下会相互靠近，使得门板8处于打开状态；右边的机柜1的风扇3会在第一电磁铁5的吸引力作用下，向左边进行偏转。右边的机柜1的风扇3吹出的气流的一部分就会进入到左边的机柜1，帮助左边的机柜1进行散热，从而提高整体的散热效果。接着，控制模块发送降低转速的控制指令到右边的机柜1中的右边的风扇3。这样，右边的机柜1中的右边的风扇3的转速会降低，使得从该风扇3下方的进气口6进入的气流量减小，从而实现进气的分流，有效地提高右边的机柜1中的对流换热的效果。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.机房能耗管理系统，其特征在于：
包括：
采集模块，用于实时采集环境温度，并发送实时采集的环境温度；
计算模块，用于接收环境温度，根据实时采集的环境温度计算辐射能，并发送辐射能；
判断模块，用于接收计算出的辐射能，根据辐射能与预设的热量阈值的大小判断是否需要制冷：当辐射能大于、等于预设的热量阈值时，需要制冷；获取辐射能大于、等于预设的热量阈值的发热源的位置信息，并发送位置信息；
空间模块，用于接收位置信息，根据位置信息分析发热源的之间的空间方位信息，并发送空间方位信息；
控制模块，用于接收空间方位信息，并根据空间方位信息调整制冷量。
2.如权利要求1所述的机房能耗管理系统，其特征在于：采集的环境温度为湿球温度。
3.如权利要求2所述的机房能耗管理系统，其特征在于：计算辐射能时，加入黑体系数。
4.如权利要求3所述的机房能耗管理系统，其特征在于：方位信息为角系数。
5.如权利要求4所述的机房能耗管理系统，其特征在于：按照预设的制冷量与角系数的函数关系控制制冷量。
6.机房能耗管理方法，其特征在于：
包括步骤：
S1、实时采集环境温度；
S2、根据实时采集的环境温度计算辐射能；
S3、根据辐射能与预设的热量阈值的大小判断是否需要制冷：当辐射能大于、等于预设的热量阈值时，需要制冷；获取辐射能大于、等于预设的热量阈值的发热源的位置信息；
S4、根据位置信息分析发热源的之间的空间方位信息；
S5、根据空间方位信息调整制冷量。
7.如权利要求6所述的机房能耗管理方法，其特征在于：步骤S1中采集的环境温度为湿球温度。
8.如权利要求7所述的机房能耗管理方法，其特征在于：步骤S2中，计算辐射能时加入黑体系数。
9.如权利要求8所述的机房能耗管理方法，其特征在于：步骤S4中，方位信息为角系数。
10.如权利要求9所述的机房能耗管理方法，其特征在于：步骤S5中，按照预设的制冷量与角系数的函数关系控制制冷量。
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