基于變頻空調(diào)調(diào)節(jié)的機(jī)房溫度節(jié)能控制方法研究

摘要：為實(shí)現(xiàn)對機(jī)房溫度的精確調(diào)控和能源消耗的最小化。研究內(nèi)容圍繞機(jī)房熱動力學(xué)模型的構(gòu)建，變頻空調(diào)的工作特性，以及模糊邏輯和BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行。通過設(shè)計(jì)并實(shí)施仿真實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地評估了控制方案在不同工況下的響應(yīng)性和節(jié)能效益。研究表明，所提出的節(jié)能控制方法能顯著減少機(jī)房的能耗，同時(shí)保持室內(nèi)溫度在設(shè)定范圍內(nèi)的穩(wěn)定，能夠適應(yīng)復(fù)雜的機(jī)房環(huán)境，對實(shí)際的機(jī)房溫度控制系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)和應(yīng)用價(jià)值，為數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排提供了新的技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：變頻空調(diào)" 機(jī)房溫度" 節(jié)能控制" 模糊-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)" 控制方法

Research on Energy-Saving Control Method of Engine Room Temperature Based on Inverter Air Conditioner Regulation

LI Jiao" YU Guangzuo" ZHANG Sunjie

Shanghai Co.， Ltd.， China Mobile Communications Group， Shanghai， 200060 China

Abstract： The objective of this article is to achieve accurate temperature control of the engine room and minimize energy consumption. The research contents focuse on the construction of the thermodynamic model of the engine room， the operation characteristics of the inverter air conditioner， and the application of Fuzzy Logic and Back Propagation（BP） neural network in the temperature control system. Through the design and implementation of simulation experiments， the response and energy saving efficiency of the control scheme under different working conditions are evaluated systematically. The research results show that the proposed energy-saving control method can significantly reduce the energy consumption of the engine room， while keeping the indoor temperature stable within the set range， and can adapt to the complex engine room environment. It has certain guidance and application value for the actual temperature control system of the engine room， and provides a new technical path for energy saving and emission reduction of the data center.

Key Words： Inverter air conditioner; Engine room temperature;Energy-saving control; Fuzzy - BP neural network; Control methods

在當(dāng)前節(jié)能減排的大背景下，機(jī)房作為信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的核心，其能源消耗問題日益受到重視。機(jī)房溫度控制直接關(guān)系到能源效率和設(shè)備穩(wěn)定性，因此，研究如何通過變頻空調(diào)調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)房溫度的節(jié)能控制具有重要意義。本研究旨在提升溫度控制的精度和節(jié)能效率，通過構(gòu)建機(jī)房熱動力學(xué)模型，對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并對結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，本研究展示了該方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性和節(jié)能潛力

1變頻空調(diào)調(diào)節(jié)的工作原理

變頻空調(diào)調(diào)節(jié)的工作原理基于變頻技術(shù)，該技術(shù)通過改變電機(jī)供電頻率來控制壓縮機(jī)速度，從而實(shí)現(xiàn)對空調(diào)制冷或制熱能力的精確調(diào)節(jié)[1]。（1）變頻器接收溫控器的信號，根據(jù)設(shè)定的室內(nèi)溫度與實(shí)際溫度的差異，動態(tài)調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。當(dāng)室內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，壓縮機(jī)以較低速運(yùn)轉(zhuǎn)，減少能耗；（2）機(jī)房溫度遠(yuǎn)離設(shè)定值時(shí)，則提高速度，快速調(diào)節(jié)溫度。（3）變頻空調(diào)通過電子膨脹閥精確控制制冷劑流量，保證制冷效率的最優(yōu)化。通過連續(xù)、無級的速度調(diào)節(jié)機(jī)制，相較于傳統(tǒng)定速空調(diào)的開關(guān)控制，顯著提升了能源利用效率，減少了能耗波動和設(shè)備磨損，延長了空調(diào)系統(tǒng)的使用壽命。因此，變頻空調(diào)在實(shí)現(xiàn)舒適室溫的同時(shí)，有效降低了能源消耗，體現(xiàn)出顯著的節(jié)能優(yōu)勢。

2機(jī)房溫度節(jié)能控制影響因素與方案選取

2.1影響機(jī)房溫度的因素

機(jī)房溫度受多種因素影響，其主要包括內(nèi)部熱源、外部環(huán)境以及建筑物的隔熱性能[2]。（1）內(nèi)部熱源主要來源于機(jī)房內(nèi)部的電子設(shè)備，如服務(wù)器、交換機(jī)等，這些設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量熱量。此外，人員活動、照明設(shè)備也會產(chǎn)生一定的熱量。（2）外部環(huán)境因素涉及外界氣候條件，如溫度、濕度和太陽輻射等，這些條件會通過建筑物的墻體、窗戶等部分影響到內(nèi)部溫度。（3）建筑物的隔熱性能，包括墻體材料、窗戶類型、密封性等，也是影響機(jī)房溫度的重要因素。墻體和窗戶的隔熱效果不足會導(dǎo)致外部熱量的進(jìn)入和內(nèi)部熱量的流失，增加了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)房溫度節(jié)能控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮這些因素，確保系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對內(nèi)外部熱量變化，維持機(jī)房內(nèi)的溫度穩(wěn)定，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2機(jī)房溫度節(jié)能控制方案選取

選擇機(jī)房溫度節(jié)能控制方案時(shí)，采用模糊-BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法優(yōu)化比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制器參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)變頻空調(diào)的高效節(jié)能控制[3]。如圖所示，控制系統(tǒng)的輸入為溫度設(shè)定值與實(shí)際溫度值的偏差，該偏差經(jīng)過控制器計(jì)算得到控制偏差的變化率與誤差積分。PID控制器的比例、積分、微分參數(shù)通過模糊邏輯控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，該模糊控制器根據(jù)誤差和誤差變化率的模糊規(guī)則集來優(yōu)化參數(shù)。模糊控制器的輸出則作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)誤差反向傳播來不斷調(diào)整其權(quán)重，以最小化溫度控制系統(tǒng)的偏差。具體而言，模糊控制器的設(shè)計(jì)基于一系列模糊規(guī)則，如“如果溫度偏差大且增加速度快，則增大比例增益”，可以數(shù)學(xué)表示為：

式（1）、式（2）、式（3）中：、、為根據(jù)模糊邏輯得到的增益調(diào)整量；為當(dāng)前偏差；為偏差變化率。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過反向傳播算法，更新權(quán)重和偏置，以減小輸出與設(shè)定溫度之間的差異。權(quán)重更新公式為

式（4）、式（5）中，是網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測誤差，是學(xué)習(xí)率。通過此方法，可以實(shí)現(xiàn)對變頻空調(diào)機(jī)房溫度的精確控制，優(yōu)化其能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這種集成控制策略結(jié)合了模糊邏輯的非線性逼近能力和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，適用于機(jī)房復(fù)雜多變的熱環(huán)境，提高了溫度控制的精確度和響應(yīng)速度。通過此綜合方法，可以有效應(yīng)對機(jī)房內(nèi)外部溫度波動大、熱負(fù)荷不確定性高的挑戰(zhàn)，確保了機(jī)房溫度穩(wěn)定同時(shí)，提升了能源使用效率。

3基于變頻空調(diào)調(diào)節(jié)的機(jī)房溫度節(jié)能控制模型構(gòu)建

3.1機(jī)房模型建立

構(gòu)建基于變頻空調(diào)調(diào)節(jié)的機(jī)房溫度節(jié)能控制模型，首先需要建立機(jī)房的熱動力學(xué)模型。該模型應(yīng)考慮機(jī)房內(nèi)外熱交換、設(shè)備產(chǎn)生的熱量以及空調(diào)系統(tǒng)的冷熱輸出能力。熱動力學(xué)模型可以通過能量平衡方程來表達(dá)，其中機(jī)房的能量變化率等于外界熱量輸入與內(nèi)部熱量損失之差加上空調(diào)系統(tǒng)的冷熱供給。數(shù)學(xué)公式為

式（6）中：是機(jī)房的熱容量；是機(jī)房的溫度；是外部熱量輸入；是機(jī)房的熱量損失；是空調(diào)系統(tǒng)的冷熱供給。外部熱量輸入主要與機(jī)房外部環(huán)境有關(guān)，可以通過外部氣象數(shù)據(jù)來估算。熱量損失涉及機(jī)房的絕熱材料、墻體結(jié)構(gòu)和機(jī)房內(nèi)部空氣流動情況，可以通過以下公式計(jì)算。

式（7）中：是傳熱系數(shù)；是傳熱面積；是機(jī)房外部的環(huán)境溫度。空調(diào)系統(tǒng)的冷熱供給取決于變頻空調(diào)的工作狀態(tài)，其輸出可以通過變頻空調(diào)的能效比來表示。

式（8）中：是變頻空調(diào)的能效比；Pinput（t）是變頻空調(diào)的輸入功率。此外，變頻空調(diào)的輸入功率又與壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率有關(guān)，可表示為

式（9）中：是壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率；是頻率與功率的關(guān)系函數(shù)。

通過上述公式，可以構(gòu)建出一個(gè)基本的機(jī)房溫度控制模型。在實(shí)際操作中，模型還需結(jié)合實(shí)際的機(jī)房參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，如熱容量的準(zhǔn)確測定、傳熱系數(shù)的實(shí)測值、空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)變化等。構(gòu)建準(zhǔn)確的機(jī)房模型是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能控制的基礎(chǔ)，為PID控制器或模糊-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了必要的物理參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的估算依據(jù)，進(jìn)而可以精確地調(diào)節(jié)變頻空調(diào)，達(dá)到節(jié)能的目的[4]。

3.2變頻空調(diào)節(jié)能控制方案

本研究集成模糊-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過兩階段處理提高變頻空調(diào)調(diào)節(jié)機(jī)房溫控精度與節(jié)能效果。首先，模糊邏輯控制器接收溫度偏差及其變化率，輸出對PID參數(shù)的調(diào)整量；隨后，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)溫控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化模糊邏輯控制器的規(guī)則集。

（1）模糊控制器的輸出為PID參數(shù)調(diào)整量，根據(jù)如下規(guī)則：

式（10）中，fm表示模糊規(guī)則映射函數(shù)。

（2）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模糊規(guī)則參數(shù)，其權(quán)重更新規(guī)則表示為

式（11）、式（12）中：為網(wǎng)絡(luò)權(quán)重；為偏置；為學(xué)習(xí)率；為預(yù)測誤差。基于模糊-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建變頻空調(diào)調(diào)節(jié)機(jī)房溫度節(jié)能控制參數(shù)，通過參數(shù)表，在控制方案構(gòu)建中，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)整PID控制器的參數(shù)，以響應(yīng)溫度變化。模糊控制器針對每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度偏差和變化率輸出PID參數(shù)的微調(diào)量，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前性能反饋更新模糊控制規(guī)則的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果。在實(shí)際應(yīng)用中，該控制方案需結(jié)合機(jī)房特定環(huán)境和變頻空調(diào)的實(shí)際工作特性進(jìn)行調(diào)整。模糊-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的核心在于其自學(xué)習(xí)能力，能夠隨著時(shí)間的推移不斷優(yōu)化控制策略，以適應(yīng)環(huán)境變化和設(shè)備性能波動，從而確保機(jī)房溫度控制的精確性與系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行[5]。

3.3仿真結(jié)果分析

在基于變頻空調(diào)調(diào)節(jié)的機(jī)房溫度節(jié)能控制模型構(gòu)建后，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證控制策略的有效性。仿真采用之前構(gòu)建的模糊-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型，模擬機(jī)房在不同負(fù)載和外部環(huán)境條件下的溫度調(diào)節(jié)響應(yīng)和能耗情況。表1展示了一段時(shí)間內(nèi)的仿真結(jié)果，記錄了設(shè)定溫度、實(shí)際溫度、PID參數(shù)調(diào)整量、空調(diào)能耗等關(guān)鍵指標(biāo)。

仿真結(jié)果分析顯示，機(jī)房內(nèi)的實(shí)際溫度在大部分時(shí)間內(nèi)能夠緊密跟隨設(shè)定溫度，溫度偏差控制在±0.4 °C以內(nèi)，顯示出控制模型具有較高的溫度控制精確性。功率輸出數(shù)據(jù)反映了變頻空調(diào)調(diào)節(jié)機(jī)制的效率，功率的逐漸降低說明系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，能夠以更低的能耗維持設(shè)定溫度。累計(jì)能耗數(shù)據(jù)顯示了控制策略在長時(shí)間運(yùn)行中的節(jié)能潛力。

4 結(jié)語

綜上所述，經(jīng)過系統(tǒng)的研究與仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，模糊-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型在動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)房溫度方面表現(xiàn)出色，并且在全天候的運(yùn)行中保持了高效的節(jié)能效果。未來的研究將進(jìn)一步探索模型的優(yōu)化空間，以實(shí)現(xiàn)更高級別的能效管理和智能化控制，為機(jī)房溫度控制領(lǐng)域帶來新的技術(shù)革新。本研究成果對促進(jìn)數(shù)據(jù)中心的綠色發(fā)展具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為相關(guān)領(lǐng)域提供了技術(shù)參考和研究基礎(chǔ)。

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