高校計算機機房電能監(jiān)控與節(jié)能研究

雷勇 張敏

【摘 要】隨著社會的發(fā)展、科技水平的提高，社會工作、生活環(huán)境要求也在提高，智能建筑的建設(shè)勢在必行。當(dāng)前，電能的使用場景越來越多，電能缺乏的現(xiàn)象也越來越嚴重。高校實驗室特別是機房的計算機用電不斷增長，合理、有效地使用計算機是節(jié)能的一種途徑，也是高校智力集中的一種體現(xiàn)。文章分析了高校智能建筑建設(shè)的原因，著重分析了高校機房用電的情景及相關(guān)不合理性，提出了以用機人數(shù)來決定開機臺數(shù)的方案，有效地防止隨意開機的現(xiàn)象，以節(jié)約電能。

【關(guān)鍵詞】計算機機房;電能監(jiān)控;節(jié)能優(yōu)化

【中圖分類號】TP308 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）08-0153-02

為人們提供一個良好的生產(chǎn)、生活或其他活動的房屋或場所，一般稱作建筑物。隨著社會的進步、科技的發(fā)展、社會經(jīng)濟水平的提高，人們對生活品質(zhì)的要求也提高了。而且，生產(chǎn)力的提高，社會生產(chǎn)率也大大提高了，人們的生活、工作的節(jié)奏也隨之加快。人們對建筑物提出了更高的要求，以至于這些建筑物都配備有大量的設(shè)備、設(shè)施，并提出了建設(shè)智能建筑的需求。要求建筑物必須符合人們的一般使用要求并適應(yīng)人們的特殊活動要求。按照《智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50314—2015）的規(guī)定，可以根據(jù)建筑的不同功能，分為辦公建筑、商業(yè)建筑、媒體建筑、體育建筑、醫(yī)院建筑、學(xué)校建筑、交通建筑、住宅建筑、通用工業(yè)建筑[1]。由于智能建筑要求配備各種的用電設(shè)備、設(shè)施，因此建設(shè)這樣的建筑物需要耗費大量的電能。據(jù)統(tǒng)計，在發(fā)達國家中，建筑物的耗能占社會總耗能的30%～40%。而在建筑物的耗能中，采暖、空調(diào)、通風(fēng)等設(shè)備是耗能大戶，約占65%;生活熱水占15%;照明、電梯、電視占14%;其他占6%[2]。因此，建筑物的能耗監(jiān)測及優(yōu)化與節(jié)能已成為智能建筑構(gòu)造的一個基本要求。

1 建設(shè)智能建筑是高等教育基礎(chǔ)建設(shè)的趨勢

隨著教育事業(yè)的發(fā)展特別是高等教育的迅速發(fā)展，我國的大學(xué)校園建設(shè)正進入一個高峰期。高校數(shù)量已超過了2 000所，校園建筑數(shù)量龐大、人員密集、建筑類型繁多，是建筑能耗中不可忽略的重要組成部分，目前全國高校校園能耗占社會總能耗的比例已經(jīng)超過8%[3]。有數(shù)據(jù)顯示，我國高校生均能耗和單位建筑面積能耗均高出全國人均水平和全國居民建筑單位面積能耗[4-5]。而且，目前各學(xué)校為了提高教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)中大量使用現(xiàn)代教育技術(shù)，配備了許多的教學(xué)設(shè)備。在2015年第十二屆全國人大三次會議上，李克強總理在《政府工作報告》中提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃。在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》[6]中提出“加快教育信息化進程”，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式成為教育信息化改革發(fā)展趨勢。為此，各高校建立了更多的一人一機的計算機教室，進一步加大了教學(xué)建筑的能耗。節(jié)能減排、低碳生活是時代的主旋律，能耗如此之高的高校也應(yīng)進行綠色建設(shè)。

2 現(xiàn)有教學(xué)建筑的能耗監(jiān)控與優(yōu)化節(jié)能狀況

為了實現(xiàn)高校的節(jié)能減排任務(wù)，各個學(xué)校都在努力加強對師生進行教育，形成低碳的學(xué)習(xí)、生活意識。同時，也從技術(shù)手段上進行能耗控制。內(nèi)江師范學(xué)院在2012年為各教學(xué)樓、辦公樓、實驗樓、學(xué)生宿舍及教師宿舍安裝了北京華勤有限公司的能耗監(jiān)控設(shè)備。通過該設(shè)備，可以將各建筑物中的能耗情況隨時上傳到學(xué)校的相關(guān)服務(wù)器上，完成電能表的自動讀取，可以定期給出各樓棟在一定時間內(nèi)的用電情況。如果出現(xiàn)突然增大的能耗，可以及時報警，并提醒使用者加強管理，減少不必要的能耗。分析上述能耗監(jiān)控形式發(fā)現(xiàn)，其是一種后效性能耗優(yōu)化，最終的節(jié)能措施是通過對用電設(shè)備使用者教育來實現(xiàn)的，且監(jiān)控的是一個較大范圍的用電設(shè)備的能耗。而較大范圍的用電設(shè)備使用情況也是多種多樣的，因此要實現(xiàn)能耗監(jiān)控，僅僅依靠電能表的能耗值檢測是不夠的。

3 高校計算機機房教室的用電設(shè)備分析

計算機是智能時代最基礎(chǔ)的設(shè)施，通過計算機的使用，學(xué)生們掌握智能時代的思維方式，學(xué)會用計算機處理實際任務(wù)等。目前，幾乎所有的高校都建有大量的計算機機房型實驗室。部分機房的計算機不僅多，而且利用率也較高，既要保證學(xué)生聽課、看演示，還要保證學(xué)生課后進行自我復(fù)習(xí)、鞏固知識，因此其耗能也較為集中。

本文以內(nèi)江師范學(xué)院的機房為例，研究智能教學(xué)樓的能耗監(jiān)控與優(yōu)化。內(nèi)江師范學(xué)院的計算機機房的用電設(shè)備主要有照明系統(tǒng)設(shè)備、計算機、空氣調(diào)節(jié)器、教學(xué)用多媒體錄播系統(tǒng)。照明系統(tǒng)設(shè)備主要是日光燈管，一般是按照教室的大小分配相應(yīng)的數(shù)量，保證能正常地識讀課本的光照度，且安裝也符合國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但對每一燈具并不是采用一燈一開關(guān)的模式控制的。據(jù)觀察，一般是一個開關(guān)控制2～4盞燈，開關(guān)位于前面或者后面，同時也受進門的總開關(guān)控制。該系統(tǒng)所用能耗為各燈開啟時間、開燈數(shù)及開啟時間之積。空氣調(diào)節(jié)器也是用電的大戶，采用一機一開關(guān)，可以隨時通過面板控制其啟動與停止，調(diào)節(jié)溫度高低、風(fēng)量大小等，同時也受進門的總開關(guān)控制，其最大能耗等于所耗功率與啟動時間之積。教學(xué)用錄播系統(tǒng)一般一個機房只有一套，由教師通過講臺上的控制開關(guān)進行控制，其能耗等于其本身功率與啟動時間之積。一個機房一般有計算機設(shè)備20～100臺?，F(xiàn)在的電腦能耗主要由2個部分組成，一部分是顯示器的能耗，另一部分為計算機主機的能耗?，F(xiàn)在的管理模式是所有計算機用電都受到進門的總開關(guān)控制，或者多臺件受一個開關(guān)控制，同時也受各個計算機上的電源按鈕控制，且一般顯示器的電源都處于開啟狀態(tài)。因此，機房計算機的能耗為所開啟計算機的功率、開啟的臺件數(shù)與開啟時間之積，還要加上未開啟計算機的顯示器待機的功率、開啟時間與臺件數(shù)之積。

4 高校計算機機房電能浪費的原因分析

由以上分析可知，計算機機房耗能為使用臺件數(shù)、各自開啟的時間及各自的功率之積。如果機房能夠達到按需進行設(shè)備開啟，則不存在浪費電能的情況。

內(nèi)江師范學(xué)院現(xiàn)有機房主要有2個功能：一是滿足教師對固定人數(shù)的班級上課演示;二是滿足學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。前者的學(xué)生人數(shù)一般是固定的，使用時間也是固定的;后者則上機的人數(shù)不確定，且各臺計算機使用的時間也不一致。此外，機房的計算機臺數(shù)是提前設(shè)定好的，固定班級的人數(shù)不可能總是與機房的設(shè)備數(shù)一致。對于前一種情況，由于機房不是針對某個具體的班級設(shè)計計算機臺數(shù)，這樣必然存在機器數(shù)大于班級人數(shù)的情況。即使學(xué)生只打開自己要用的計算機，但未用的計算機的顯示器可能開啟著，在悄悄地耗能。對于后一種使用情況，由于進行自主學(xué)習(xí)的人數(shù)是不確定的，且上機學(xué)習(xí)時間長短也不一定，同時由于自身的各種原因，會存在開多臺機器但只用一臺計算機的情況。這樣開著的計算機和未開著的計算機都在悄悄地耗電。

教學(xué)輔助系統(tǒng)一般由教師上課開啟，平時未開啟，不存在浪費能耗的情況。計算機開啟的數(shù)量只要達到一人一機，照明系統(tǒng)開啟達到相應(yīng)人數(shù)的照度要求，也不存在浪費能耗的問題。

5 計算機機房能耗監(jiān)測與節(jié)能方案

由以上分析可知，計算機機房耗能為使用臺件數(shù)、各自開啟的時間及各自的功率之積。優(yōu)化能耗的途徑就是通過減少設(shè)備開啟的數(shù)量及開啟的時間，達到按需要開啟設(shè)備。為此，提出兩種解決方案。一是通過對學(xué)生加強教育，要求只能一人開一臺計算機，并且人走關(guān)主機和顯示器。二是通過技術(shù)手段控制學(xué)生可開啟的計算機數(shù)，即以機房內(nèi)的人數(shù)為設(shè)備可以開啟數(shù)。利用單片機設(shè)計一款控制設(shè)備，可根據(jù)上課人數(shù)控制開啟計算機的臺數(shù)，防止多開計算機，有效地解決人為耗能的問題。原理框圖如圖1所示。

鍵盤部件為幾個按鍵，一個用于機房功能模式選擇，另兩個分別對應(yīng)于上課模式中教師進行人數(shù)增加或減少設(shè)定。機器電源通斷控制模塊利用統(tǒng)計的上機人數(shù)控制可通電的計算機的臺數(shù)，采用繼電器實現(xiàn)相應(yīng)計算機的電源通斷。用機人數(shù)統(tǒng)計模塊[7]用于統(tǒng)計進入該機房的人數(shù)。控制器為一個單片機構(gòu)成的微系統(tǒng)，其對整個系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)收集并控制各部件協(xié)調(diào)工作。通過收集人數(shù)統(tǒng)計部件傳來的人數(shù)或者教師錄入的上課人數(shù)，然后控制機器通電控制模塊開啟相應(yīng)臺數(shù)的計算機。這樣基本達到使用者人數(shù)與設(shè)備開啟數(shù)一致，實現(xiàn)電能的有效利用。

6 結(jié)論

本文以內(nèi)江師院機房為研究對象，分析了機房的耗能設(shè)備及其特點，給出機房無效耗能的原因，設(shè)計了在機房有效利用電能的方案。據(jù)此方案可以有效地減少無效用電情況的出現(xiàn)，節(jié)約了能源。同時，該方案可以決定哪些機器可以有效地開啟，如果將機器設(shè)計為從前往后開啟，則可以將學(xué)生限制在前排就座，可有效地組織課堂，加強學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣培養(yǎng)，增強教師的課堂控制能力。

參 考 文 獻

[1]GB 50314—2014，智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]王佳.智能建筑概論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[3]譚洪衛(wèi)，徐鈺琳，胡承益，等.全球氣候變化應(yīng)對與我國高校校園建筑節(jié)能監(jiān)管[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2010，

29（1）：36-40.

[4]中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國能源統(tǒng)計年鑒2008[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2008.

[5]中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒2008[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2008.

[6]周敏.計算機網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)改革[J].實驗技術(shù)與管理，2013，6（30）：113-117.

[7]劉攀.某大學(xué)自習(xí)室人數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（10）：257.

[8]覃遵穎，張哲，李國棟，等.基于人流統(tǒng)計的自習(xí)教室管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國教育信息化，2019（3）：67-71.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]