基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法

摘要

本发明公开了一种基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法。包括如下步骤：获取数据中心余热利用系统的多层级能效评估所需的参数；确定数据中心余热利用系统的多层级能效评估所需的评价指标；按照设备层、系统层、应用层从多层级能效评估所需的评价指标中分别选用目标评价指标；分别设置设备层、系统层、应用层各层级的评价权重；利用所需的参数、所述目标评价指标及所述评价权重，在待评价时间区间内计算得到各层级的评价指标，以完成多层级能效评估。本发明通过综合考虑数据能耗、可再生能源消纳以及数据中心余热利用，实现了对数据中心余热利用系统的多层级能效评估。

说明书

技术领域

本发明属于数据中心能效评估技术领域，具体涉及一种基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法。

背景技术

随着5G、云计算等新兴技术的大规模推广和应用，人类社会正加速进入数字化时代，智慧城市的愿景以及社会生活水平的提高都对网络和计算提出了更高的要求，数据中心行业也将随着其发展而更加繁荣。2010-2019年全球数据中心的总空间和容量都翻了一番，预计2020-2030年，数据中心空间将以每年13.8％的速度增长。2018年，全球数据中心的耗电量约为205Twh，占全球耗电量的1％。数据中心的碳排放量也令人瞠目结舌，包括数据中心在内的信息和通信技术行业占全球二氧化碳排放量的2％。

为了降低数据中心的能源消耗，有必要为数据中心的能源管理提供更科学的指标，能效指标是衡量数据中心能源效率的标准，《美国数据中心利用率报告》指出，有必要扩大对数据中心性能指标的研究，以更好地捕获效率，识别和理解需要改进的领域。因此，制定合理的数据中心能效评估标准是提高数据中心能效需要解决的首要问题，它不仅可以帮助数据中心运营商优化设施，为数据中心的设计和运维提供依据，降低运营费用，增强竞争力，还可以为不同数据中心之间的能效比较提供统一的标准，为互联网行业提供一个良好的能效评估竞争机制。

现有的数据中心评价指标过于单一，难以全面地衡量数据中心的能效，部分指标只能粗略地反映整个数据中心的能效，或者只能衡量某个局部，而不能全面且客观地反映数据中心整体的能效。数据中心是一个复杂而强大的系统，它需要多个指标从不同的角度评估其能源效率。

现有技术，如申请号为CN202010771847.5的专利，公开了一种精确检测数据中心能效的方法及系统。利用IT设备动态功率间接衡量数据中心能效，解决了相关技术中存在的未考虑数据中心有效荷载、计算值由于单位不同不能在数据中心之内和数据中心之间进行比较、无法实现实时计算的问题。但是该专利中只提出了一种效能评价指标——有用功率比(UPR)，对数据中心的能效评价不够全面、系统，单一的效能评价指标只能片面反映数据中心某种能效。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法，包括如下步骤，

S1：获取数据中心余热利用系统的多层级能效评估所需的参数；

S2：确定数据中心余热利用系统的多层级能效评估所需的评价指标；

S3：按照设备层、系统层、应用层从多层级能效评估所需的评价指标中分别选用目标评价指标；

S4：分别设置设备层、系统层、应用层各层级的评价权重；

S5：利用所需的参数、所述目标评价指标及所述评价权重，在待评价时间区间内计算得到各层级的评价指标，以完成多层级能效评估。

作为上述方案的优选，所述数据中心余热利用系统包括数据中心内的市政电网、可再生能源发电系统、IT设备、配电设备、制冷设备和其它设备(其他设备包括监控设备、照明设备等)；及数据中心外的吸收式热泵机组和制冷机组。

作为上述方案的优选，上述步骤S1中，获取所需的参数方法：通过市政电网与切换开关之间的管线上设有的第一测点测量市政电网供电量P1；

通过可再生能源发电系统与切换开关之间的管线上设有的第二测点测量可再生能源发电量P2；

通过IT设备之前的管线上设有的第三测点测量IT设备耗电量P3；

通过配电设备之前的管线上设有的第四测点测量配电设备耗电量P4；

通过制冷设备之前的管线上设有的第五测点测量制冷设备耗电量P5；

通过吸收式热泵机组之前的管线上设有的热量计和第六测点测量吸收式热泵机组热流量Q1和吸收式热泵机组耗电量P6；

通过其它设备之前的管线上设有的第七测点测量其它设备总耗电量P7；

通过制冷设备和制冷机组之间的管线上设有的冷量计和第八测点测量制冷机组制冷量Q2和制冷机组耗电量P8；

获取实时电价E1，实时热价W1，二氧化碳排放因子CEF。

作为上述方案的优选，多层级能效评估所需的参数包括：数据中心总耗电量、IT设备耗电量、制冷系统总耗电量、制冷设备耗电量、制冷机组耗电量、制冷机组制冷量、其它设备总耗电量、吸收式热泵机组耗电量和吸收式热泵机组热流量；

确定数据中心余热利用系统的多层级能效评估所需的评价指标的步骤，包括：

计算所述数据中心耗电量P1+P2与所述IT(Information Technology)设备耗电量P3之比，得到电能利用效率PUE(Power Usage Effectiveness)；

计算所述制冷机组制冷量Q2与所述制冷机组耗电量P8之比，得到制冷机组耗电性能系数COP；

计算所述制冷系统总耗电量(制冷设备耗电量+制冷机组耗电量)P8+P5与所述IT设备耗电量P3之比，得到制冷负载系数 CLF(Cooling Load Factor)；

计算所述其它设备总耗电量P7与所述IT设备耗电量P3之比，得到其他因素的能源使用效率oPUE(other Power Usage Effectiveness)；

计算总用电费用和余热利用经济收益之差的整体与所述IT 设备用电费用之比，得到余热利用经济效率WHUEE(Waste Heat Utilization Economy Effectiveness)：

其中，W—10min内平均热价；E—10min内平均电价；P1 —市政电网供电量；P2—可再生能源发电量；P3—IT设备耗电量； Q1—吸收式热泵机组热流量；

计算二氧化碳排放量与所述IT设备耗电量P3之比，得到二氧化碳使用效率CUE(CO

其中，CEF—区域二氧化碳排放因子；P1—市政电网供电量； P3—IT设备耗电量；CO

上述步骤S3中，基于数据中心的用能特性、产热情况、余热回收利用情况以及周边用户供热需求，本发明提出的评价方法从设备层、系统层和应用层三个方面，增加与经济性收益相关的余热利用经济效率WHUEE和二氧化碳使用效率CUE。通过对各个指标赋权，从多个层级、多个维度对数据中心能效进行综合评价。

设备层选用电能利用效率PUE和制冷机组性能系数COP两个指标；系统层选用制冷负载系数CLF和其他因素的能源使用效率oPUE两个指标；应用层选用制冷负载系数CLF、其他因素的能源使用效率oPUE、余热利用经济效率WHUEE和与二氧化碳使用效率CUE四个指标；

作为上述方案的优选，上述步骤S4中，设置评价权重方法如下：设备层电能利用效率PUE和制冷机组性能系数COP两个指标的权重之比为给定时间区间内IT设备耗电量与给定时间区间内制冷机组耗电量之比P3:P8，所在设备层中，电能利用效率 PUE的权重为

系统层制冷负载系数CLF和其他因素的能源使用效率oPUE 两个指标的权重之比为给定时间区间内制冷设备耗电量与给定时间区间内除主要设备外(如IT设备、制冷设备)其它设备总耗电量之比P5:P7，所在系统层中，制冷负载系数CLF的权重为

应用层制冷负载系数CLF、其他因素的能源使用效率 (oPUE)、余热利用经济效率WHUEE、二氧化碳使用效率CUE 四个指标的权重之比为给定时间区间内制冷设备耗电量、给定时间区间内除主要设备外(如IT设备、制冷设备)其它设备(包括监控设备、照明设备等)总耗电量、给定时间区间内吸收式热泵机组耗电量、给定时间区间内IT设备耗电量四个数值之比 P5:P7:P6:P3，所在设备层中，制冷负载系数CLF的权重为

作为上述方案的优选，上述步骤S5中，所述待评价时间区间为10min，实时电价E1，实时热价W1取10min内的平均值。

本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方案所述的基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法的步骤。

本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方案所述的基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法的步骤。

本发明的有益效果是：根据不同的边界范围，将数据中心能效评估对象分为设备层、系统层、应用层等不同边界范围，在不同层级内选取不同指标并进行赋权，这种建立多指标分析的过程将复杂的总体问题转换为多个细小的问题，提高了评估结果的有效性和可靠性。多层级综合评价能够全面地衡量数据中心的能效，克服了单一指标的片面性，有利于数据中心运营商优化设施，提高数据中心能效，减少能源的浪费，并且也可以为数据中心的设计和运维提供依据，降低运营费用，增强竞争力，还可以为不同数据中心之间的能效比较提供统一的标准，为互联网行业提供一个良好的能效评估竞争机制。

附图说明

图1是本发明的数据中心能效评估示意图。

图中：1-市政电网、2-第一测点、3-切换开关、4-第二测点、 5-可再生能源发电系统、6-第三测点、7-第四测点、8-第五测点、 9-热量计、10-第六测点、11-第七测点、12-IT设备、13-配电设备、 14-制冷设备、15-吸收式热泵机组、16-其它设备、17-冷量计、18- 第八测点、19-制冷机组。

具体实施方式

本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java、C、C++和直译式脚本语言 JavaScript等。

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如背景技术中所介绍，现有技术，如申请号为 CN202010771847.5的专利，公开了一种精确检测数据中心能效的方法及系统。利用IT设备动态功率间接衡量数据中心能效，解决了相关技术中存在的未考虑数据中心有效荷载、计算值由于单位不同不能在数据中心之内和数据中心之间进行比较、无法实现实时计算的问题。但是该专利中只提出了一种效能评价指标——有用功率比(UPR)，对数据中心的能效评价不够全面、系统，单一的效能评价指标只能片面反映数据中心某种能效。

为了改善上述问题，本提案提供了一种基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法，该方法通过获取数据中心余热利用系统的多层级能效评估所需的参数；确定数据中心余热利用系统的多层级能效评估所需的评价指标；按照设备层、系统层、应用层从多层级能效评估所需的评价指标中分别选用目标评价指标；分别设置设备层、系统层、应用层各层级的评价权重；利用所需的参数、目标评价指标及评价权重，在待评价时间区间内计算得到各层级的评价指标，以完成多层级能效评估。本申请实施例通过综合考虑数据能耗、可再生能源消纳以及数据中心余热利用，实现了对数据中心余热利用系统的多层级能效评估。下面对上述方案进行详细介绍。

以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是申请人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本申请实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是申请人在本申请过程中对本申请做出的贡献。

如图1所示，本申请实施例公开了一种基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法，包括如下步骤，

S1：获取数据中心余热利用系统的多层级能效评估所需的参数。

参数包括数据中心总耗电量、IT设备耗电量、制冷设备耗电量、制冷机组耗电量、制冷机组制冷量、其它设备总耗电量、吸收式热泵机组耗电量和吸收式热泵机组热流量。

数据中心余热利用系统包括数据中心内的市政电网1、可再生能源发电系统5、IT设备12、配电设备13、制冷设备14和其它设备16；及数据中心外的吸收式热泵机组15和制冷机组19。

获取所需的参数的方法：通过市政电网1与切换开关3之间的管线上设有的第一测点2测量市政电网1供电量P1，通过可再生能源发电系统5与切换开关3之间的管线上设有的第二测点4 测量可再生能源发电量P2，通过IT设备12之前的管线上设有的第三测点6测量IT设备耗电量P3，通过配电设备13之前的管线上设有的第四测点7测量配电设备耗电量P4，通过制冷设备14 之前的管线上设有的第五测点8测量制冷设备耗电量P5，通过吸收式热泵机组15之前的管线上设有的热量计9和第六测点10测量吸收式热泵机组热流量Q1和吸收式热泵机组耗电量P6，通过其它设备16之前的管线上设有的第七测点11测量其它设备总耗电量P7，通过制冷设备14和制冷机组19之间的管线上设有的冷量计17和第八测点18测量制冷机组制冷量Q2和制冷机组耗电量P8；获取实时电价E1，实时热价W1，二氧化碳排放因子CEF。其中，CEF为区域二氧化碳排放因子，为常数。

S2：确定数据中心余热利用系统的多层级能效评估所需的评价指标。

评价指标分别为电能利用效率PUE、制冷机组性能系数 COP、制冷负载系数CLF、其他因素的能源使用效率oPUE、余热利用经济效率WHUEE和二氧化碳使用效率CUE。

电能利用效率PUE(Power Usage Effectiveness)定义为给定时间区间内数据中心总耗电量P1+P2与给定时间区间内IT (Information Technology)设备消耗电量P3之比：

制冷机组性能系数COP定义为给定时间区间内制冷机组制冷量Q2和给定时间区间内制冷机组耗电量P8之比：

其中，Q2—制冷机组制冷量。

制冷机组性能系数COP是制冷设备的一项重要技术经济指标。制冷性能系数大，表示制冷设备能源利用效率高。

制冷负载系数CLF(Cooling Load Factor)定义为给定时间区间内制冷系统总耗电量(制冷设备耗电量+制冷机组耗电量) P8+P5与给定时间区间内IT设备耗电量P3之比：

制冷是数据中心能源消耗的主要来源之一，降低冷却能耗是提高数据中心能源效率的关键。

其他因素的能源使用效率oPUE(other Power Usage Effectiveness)定义为给定时间区间内其它设备总耗电量P7与给定时间区间内IT设备耗电量P3之比：

其他设备包括监控设备、照明设备等。

余热利用经济效率WHUEE(Waste Heat Utilization Economy Effectiveness)定义为给定时间区间内总用电费用和给定时间区间内余热利用经济收益之差的整体与给定时间区间内IT设备用电费用之比：

其中，W—10min内平均热价；E—10min内平均电价；P1 —市政电网供电量；P2—可再生能源发电量；P3—IT设备耗电量； Q1—吸收式热泵机组热流量。

指标对应权重及能效分级标准依据实际系统给定。

二氧化碳使用效率CUE(CO

其中，CEF—区域二氧化碳排放因子，为常数；P1 —市政电网供电量；P3—IT设备耗电量；CO

二氧化碳使用效率CUE是一个衡量数据中心碳足迹的可持续性指标。对于使用电网发电的数据中心，二氧化碳排放量是指核算各个源头的能源(如电、天然气、柴油等)占比、排放量、进行二氧化碳当量转换，获得碳排放总量；通常CUE根据二氧化碳排放因子CEF和PUE值计算出来。指标对应权重及能效分级标准依据实际系统给定。

S3：按照设备层、系统层、应用层从多层级能效评估所需的评价指标中分别选用目标评价指标。

本申请实施例提出的评价方法从设备层、系统层和应用层三个方面，其中，设备层选用电能利用效率PUE和制冷机组性能系数COP两个指标；系统层选用制冷负载系数CLF和其他因素的能源使用效率oPUE两个指标，从数据中心系统的角度评价能效；应用层选用制冷负载系数CLF、其他因素的能源使用效率oPUE，增加与经济性收益相关的余热利用经济效率 WHUEE和二氧化碳使用效率CUE 共四个指标。通过对各个指标赋权，从多个层级、多个维度对数据中心能效进行综合评价。

S4：设置设备层、系统层、应用层各层级的评价权重。

设备层电能利用效率PUE和制冷机组性能系数COP两个指标的权重之比为给定时间区间内IT设备耗电量与给定时间区间内制冷机组耗电量之比P3:P8，所在设备层中，电能利用效率PUE 的权重为

S5：利用所需的参数、所述目标评价指标及所述评价权重，在待评价时间区间内计算得到各层级的评价指标，以完成多层级能效评估。

所述待评价时间区间为10min，实时电价E1，实时热价W1 取10min内的平均值。

基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法的步骤。

基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于数据中心余热利用系统的多层级能效评估方法的步骤。

存储器、处理器各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现信号的传输或交互。

例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。多层级能效评估装置包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于存储器中的软件功能模块。处理器用于执行存储器中存储的可执行模块，例如多层级能效评估装置所包括的软件功能模块或计算机程序。

其中，存储器可以是，但不限于，随机读取存储器(Random Access memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory， EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。

处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等。

还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

本申请实施例中，存储器用于存储程序，处理器用于在接收到执行指令后，执行程序。本申请实施例任一实施方式所揭示的流程定义的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。

在本申请实施例中，电子设备可以是但不限于智能手机、个人电脑、平板电脑等具有处理功能的设备。

本申请实施例根据不同的边界范围，将数据中心能效评估进行对象分层，考虑数据中心设备层、系统层、应用层等不同边界范围的多层级划分方法。多指标融合的原理是从多个维度出发，在多个层级对数据中心的能效进行全面评估，通过建立多指标分析过程将复杂的总体问题转换为多个细小的问题，从而提高评估结果的有效性和可靠性。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。