高校计算机机房电能监控与节能研究

雷勇 张敏

【摘 要】随着社会的发展、科技水平的提高，社会工作、生活环境要求也在提高，智能建筑的建设势在必行。当前，电能的使用场景越来越多，电能缺乏的现象也越来越严重。高校实验室特别是机房的计算机用电不断增长，合理、有效地使用计算机是节能的一种途径，也是高校智力集中的一种体现。文章分析了高校智能建筑建设的原因，着重分析了高校机房用电的情景及相关不合理性，提出了以用机人数来决定开机台数的方案，有效地防止随意开机的现象，以节约电能。

【关键词】计算机机房;电能监控;节能优化

【中图分类号】TP308 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）08-0153-02

为人们提供一个良好的生产、生活或其他活动的房屋或场所，一般称作建筑物。随着社会的进步、科技的发展、社会经济水平的提高，人们对生活品质的要求也提高了。而且，生产力的提高，社会生产率也大大提高了，人们的生活、工作的节奏也随之加快。人们对建筑物提出了更高的要求，以至于这些建筑物都配备有大量的设备、设施，并提出了建设智能建筑的需求。要求建筑物必须符合人们的一般使用要求并适应人们的特殊活动要求。按照《智能建筑设计标准》（GB 50314—2015）的规定，可以根据建筑的不同功能，分为办公建筑、商业建筑、媒体建筑、体育建筑、医院建筑、学校建筑、交通建筑、住宅建筑、通用工业建筑[1]。由于智能建筑要求配备各种的用电设备、设施，因此建设这样的建筑物需要耗费大量的电能。据统计，在发达国家中，建筑物的耗能占社会总耗能的30%～40%。而在建筑物的耗能中，采暖、空调、通风等设备是耗能大户，约占65%;生活热水占15%;照明、电梯、电视占14%;其他占6%[2]。因此，建筑物的能耗监测及优化与节能已成为智能建筑构造的一个基本要求。

1 建设智能建筑是高等教育基础建设的趋势

随着教育事业的发展特别是高等教育的迅速发展，我国的大学校园建设正进入一个高峰期。高校数量已超过了2 000所，校园建筑数量庞大、人员密集、建筑类型繁多，是建筑能耗中不可忽略的重要组成部分，目前全国高校校园能耗占社会总能耗的比例已经超过8%[3]。有数据显示，我国高校生均能耗和单位建筑面积能耗均高出全国人均水平和全国居民建筑单位面积能耗[4-5]。而且，目前各学校为了提高教学质量，教学中大量使用现代教育技术，配备了许多的教学设备。在2015年第十二届全国人大三次会议上，李克强总理在《政府工作报告》中提出了“互联网+”行动计划。在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》[6]中提出“加快教育信息化进程”，“互联网+教育”模式成为教育信息化改革发展趋势。为此，各高校建立了更多的一人一机的计算机教室，进一步加大了教学建筑的能耗。节能减排、低碳生活是时代的主旋律，能耗如此之高的高校也应进行绿色建设。

2 现有教学建筑的能耗监控与优化节能状况

为了实现高校的节能减排任务，各个学校都在努力加强对师生进行教育，形成低碳的学习、生活意识。同时，也从技术手段上进行能耗控制。内江师范学院在2012年为各教学楼、办公楼、实验楼、学生宿舍及教师宿舍安装了北京华勤有限公司的能耗监控设备。通过该设备，可以将各建筑物中的能耗情况随时上传到学校的相关服务器上，完成电能表的自动读取，可以定期给出各楼栋在一定时间内的用电情况。如果出现突然增大的能耗，可以及时报警，并提醒使用者加强管理，减少不必要的能耗。分析上述能耗监控形式发现，其是一种后效性能耗优化，最终的节能措施是通过对用电设备使用者教育来实现的，且监控的是一个较大范围的用电设备的能耗。而较大范围的用电设备使用情况也是多种多样的，因此要实现能耗监控，仅仅依靠电能表的能耗值检测是不够的。

3 高校计算机机房教室的用电设备分析

计算机是智能时代最基础的设施，通过计算机的使用，学生们掌握智能时代的思维方式，學会用计算机处理实际任务等。目前，几乎所有的高校都建有大量的计算机机房型实验室。部分机房的计算机不仅多，而且利用率也较高，既要保证学生听课、看演示，还要保证学生课后进行自我复习、巩固知识，因此其耗能也较为集中。

本文以内江师范学院的机房为例，研究智能教学楼的能耗监控与优化。内江师范学院的计算机机房的用电设备主要有照明系统设备、计算机、空气调节器、教学用多媒体录播系统。照明系统设备主要是日光灯管，一般是按照教室的大小分配相应的数量，保证能正常地识读课本的光照度，且安装也符合国家的相关标准。但对每一灯具并不是采用一灯一开关的模式控制的。据观察，一般是一个开关控制2～4盏灯，开关位于前面或者后面，同时也受进门的总开关控制。该系统所用能耗为各灯开启时间、开灯数及开启时间之积。空气调节器也是用电的大户，采用一机一开关，可以随时通过面板控制其启动与停止，调节温度高低、风量大小等，同时也受进门的总开关控制，其最大能耗等于所耗功率与启动时间之积。教学用录播系统一般一个机房只有一套，由教师通过讲台上的控制开关进行控制，其能耗等于其本身功率与启动时间之积。一个机房一般有计算机设备20～100台。现在的电脑能耗主要由2个部分组成，一部分是显示器的能耗，另一部分为计算机主机的能耗。现在的管理模式是所有计算机用电都受到进门的总开关控制，或者多台件受一个开关控制，同时也受各个计算机上的电源按钮控制，且一般显示器的电源都处于开启状态。因此，机房计算机的能耗为所开启计算机的功率、开启的台件数与开启时间之积，还要加上未开启计算机的显示器待机的功率、开启时间与台件数之积。

4 高校计算机机房电能浪费的原因分析

由以上分析可知，计算机机房耗能为使用台件数、各自开启的时间及各自的功率之积。如果机房能够达到按需进行设备开启，则不存在浪费电能的情况。

内江师范学院现有机房主要有2个功能：一是满足教师对固定人数的班级上课演示;二是满足学生的自主学习。前者的学生人数一般是固定的，使用时间也是固定的;后者则上机的人数不确定，且各台计算机使用的时间也不一致。此外，机房的计算机台数是提前设定好的，固定班级的人数不可能总是与机房的设备数一致。对于前一种情况，由于机房不是针对某个具体的班级设计计算机台数，这样必然存在机器数大于班级人数的情况。即使学生只打开自己要用的计算机，但未用的计算机的显示器可能开启着，在悄悄地耗能。对于后一种使用情况，由于进行自主学习的人数是不确定的，且上机学习时间长短也不一定，同时由于自身的各种原因，会存在开多台机器但只用一台计算机的情况。这样开着的计算机和未开着的计算机都在悄悄地耗电。

教学辅助系统一般由教师上课开启，平时未开启，不存在浪费能耗的情况。计算机开启的数量只要达到一人一机，照明系统开启达到相应人数的照度要求，也不存在浪费能耗的问题。

5 计算机机房能耗监测与节能方案

由以上分析可知，计算机机房耗能为使用台件数、各自开启的时间及各自的功率之积。优化能耗的途径就是通过减少设备开启的数量及开启的时间，达到按需要开启设备。为此，提出两种解决方案。一是通过对学生加强教育，要求只能一人开一台计算机，并且人走关主机和显示器。二是通过技术手段控制学生可开启的计算机数，即以机房内的人数为设备可以开启数。利用单片机设计一款控制设备，可根据上课人数控制开启计算机的台数，防止多开计算机，有效地解决人为耗能的问题。原理框图如图1所示。

键盘部件为几个按键，一个用于机房功能模式选择，另两个分别对应于上课模式中教师进行人数增加或减少设定。机器电源通断控制模块利用统计的上机人数控制可通电的计算机的台数，采用继电器实现相应计算机的电源通断。用机人数统计模块[7]用于统计进入该机房的人数。控制器为一个单片机构成的微系统，其对整个系统进行数据收集并控制各部件协调工作。通过收集人数统计部件传来的人数或者教师录入的上课人数，然后控制机器通电控制模块开启相应臺数的计算机。这样基本达到使用者人数与设备开启数一致，实现电能的有效利用。

6 结论

本文以内江师院机房为研究对象，分析了机房的耗能设备及其特点，给出机房无效耗能的原因，设计了在机房有效利用电能的方案。据此方案可以有效地减少无效用电情况的出现，节约了能源。同时，该方案可以决定哪些机器可以有效地开启，如果将机器设计为从前往后开启，则可以将学生限制在前排就座，可有效地组织课堂，加强学生的学习习惯培养，增强教师的课堂控制能力。

参 考 文 献

[1]GB 50314—2014，智能建筑设计标准[S].

[2]王佳.智能建筑概论[M].北京：机械工业出版社，2017.

[3]谭洪卫，徐钰琳，胡承益，等.全球气候变化应对与我国高校校园建筑节能监管[J].建筑热能通风空调，2010，

29（1）：36-40.

[4]中华人民共和国国家统计局.中国能源统计年鉴2008[M].北京：中国统计出版社，2008.

[5]中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2008[M].北京：中国统计出版社，2008.

[6]周敏.计算机网络安全实验教学改革[J].实验技术与管理，2013，6（30）：113-117.

[7]刘攀.某大学自习室人数监测系统硬件部分设计[J].电子技术与软件工程，2016（10）：257.

[8]覃遵颖，张哲，李国栋，等.基于人流统计的自习教室管理系统设计与实现[J].中国教育信息化，2019（3）：67-71.

[责任编辑：陈泽琦]