基于物聯網的分體空調節能控制改造及效果驗證*

中國建筑科學研究院有限公司 劉益民△ 曹 勇

杭州市城鄉建設設計院股份有限公司 王麗娜

0 引言

近年來，分體空調因其投資少、安裝方便、使用靈活等優點，被廣泛使用在酒店、學校等公共場所。但其分散、獨立的特點使其難以得到有效的監控和管理，極易造成能源浪費。有文獻指出，制冷溫度設定值每降低1 ℃，電功率增加5%～10%[1-3]。不合理地使用空調不僅增加空調的能耗，還會縮短空調的使用壽命[4]。因此，合理的、有效的、智能的分體空調管理系統對公共建筑分體空調節能減排有著重要意義。

物聯網的發展為分體空調的智能化管理提供了一個全新的思路[5]。通過對各種運行數據的檢測、傳送與分析處理使分體空調的控制變得集中化、網絡化[6]。分體空調集中控制系統以物聯網的基本框架為基礎，將分體空調通過網絡連接起來，進行智能控制和精確控溫，既可實現分體空調系統的精細化管理，又可有效杜絕空調不合理使用，從而在保障室內舒適度的同時實現分體空調節能。本文以某酒店分體空調改造項目為例，通過對改造前后空調能耗數據的整理分析，闡述分體空調集中控制系統的實際應用情況。

1 技術介紹

物聯網的基本框架分為感知層、網絡層和應用層[7-8]。感知層負責溫度、濕度、電流等數據的采集，為物聯網3層架構的最底層；網絡層作為物聯網3層架構的中間層，主要功能是將感知層采集到的數據信息傳輸給應用層；應用層是物聯網3層架構的最高層，它主要用于對接收到的信號數據進行處理，并通過末端進行控制實施[9-10]。

分體空調集中控制系統采用物聯網的架構：感知層通過無線溫度傳感器檢測室內溫度；網絡層采用LoRa協議和GPRS網絡將數據傳輸給應用層，即空調智慧云平臺；空調智慧云平臺進行溫度、運行情況、運行時間等多種參數的比對，并根據比對結果控制空調壓縮機的運行。分體空調集中控制系統通過以上監測和控制方式達到避免極端溫度設定工況下空調長時間滿負荷運轉。分體空調集中控制系統架構見圖1。

圖1 分體空調集中控制系統架構

2 項目實例描述

本文以某酒店分體空調節能改造項目為例，分析基于物聯網的分體空調集中控制系統的應用情況及節能效果。

該酒店于2015年建成，共3層，層高為2.5 m，呈東西朝向。外墻厚度為300 mm；外窗窗框為鋁合金材質，雙層玻璃，密封性良好。酒店有A戶型(20 m2)和B戶型(18 m2)2種戶型共52間房，其中1層和3層各17間(12個B戶型，5個A戶型；9個東朝向，8個西朝向)，2層18間(13個B戶型，5個A戶型；9個東朝向，9個西朝向)。營業至今，酒店平均入住率為90%。該酒店采用分體空調系統，每個房間均安裝KFR-23GW/(23556)Ga-3熱泵型定頻空調1臺。

酒店空調系統至測試時已運行3年時間。經調研發現，客戶設置溫度往往偏極端，多數客戶會把空調溫度設在18～20 ℃，造成空調長時間滿負荷運轉，從而引起大量的能源浪費。

該改造項目通過安裝分體空調集中控制系統，由無線溫度傳感器感應室內實際溫度，反饋至分體空調集中控制系統，由紅外線信號控制壓縮機啟停(室內溫度高于26 ℃開啟、低于24 ℃關閉)，從而在滿足室內舒適度的同時，達到節能的效果。

在該酒店改造完成之后，為分析分體空調集中控制系統在實際應用中的節能效果，筆者制定了2套實驗對比方案，分別從宏觀及微觀方面以實際運行數據為基礎進行節能效果的分析對比。

3 節能對比試驗方案

該酒店所有房間內的分體空調集中控制系統于2018年6月全部安裝完畢，系統通過控制壓縮機的運行實現節能，通過實時記錄電耗和運行時間實現節能直觀化。

3.1 宏觀對比方案

宏觀對比以整層作為研究對象，用1、2層房間進行整體節能效果對比，其中，1層房間的空調按原方式運行，不作控制；2層房間的空調按節能控制方式運行。以8月作為對比期，每天計量空調運行時間和用電量。通過綜合對比1、2層空調總體單位時間耗電量，分析整體節能效果。1、2層試驗房間信息及節能試驗方案如表1所示。

表1 1、2層試驗房間信息及空調節能試驗方案

3.2 微觀對比方案

微觀對比以單獨房間作為研究對象，通過對比單獨房間的空調原運行方式與節能控制運行方式下的單位時間能耗，分析不同房間的節能效果。以3層各房間為樣本，選取夏季正常(相近)天氣(天氣晴朗、30 ℃左右)的2周進行對比分析。3層試驗房間信息及節能試驗方案如表2所示。

表2 3層試驗房間信息及空調節能試驗方案

4 節能效果對比分析

4.1 數據獲取及篩選

本次節能效果分析獲取了所有參與對比試驗房間的空調能耗數據，每組數據由房間號、日期、運行時長、對應時長用電量及節能開關啟閉情況等數據組成。

宏觀對比方案共采集空調能耗數據1 085組；微觀對比方案選取7月8—14日和8月8—14日空調能耗數據238組。

為保證數據分析結果的準確性，需對采集數據進行篩選，處理掉異常樣本。本次試驗共設置了2項篩選條件：單位時間能耗不應高于1.5 kW，運行時長不應短于0.5 h。實驗品牌分體空調最大輸入總功率為1.5 kW，因此，高于此數值的樣本應屬于異常數據；根據經驗，一般運行超過0.5 h將開啟節能控制，因此，短于此運行時長的樣本不具備節能特性。篩選后，得到宏觀對比有效數據911組，微觀對比有效數據217組。

4.2 宏觀對比結果分析

根據宏觀對比方案，筆者對篩選出的1、2層各分體空調數據分別進行歸納整理，計算出節能控制關閉及開啟狀態下的累計電耗、累計運行時長、單位時間電耗及節能量和節能率，具體數據見表3。

表3 宏觀對比空調節能效果

從表3可以看出，節能控制關閉時分體空調的平均單位時間耗電量為0.475 kW，而節能控制開啟時，分體空調平均單位時間耗電量僅為0.385 kW，節能率達到了18.93%。從宏觀節能對比的分析結果可看出，雖然分體空調可按照設定溫度進行間歇運行，但其能耗依然較高，開啟節能控制可有效實現節能運行。

在數據整理過程中，筆者發現在節能控制開啟時，空調運行時間越長，其單位時間耗電量越低。因此，針對該項目，可能空調運行時長越長，其節能效果越好。為進一步證實這一猜想，筆者結合現場調研和客戶的住店習慣，將宏觀對比數據根據運行時長劃分為<3 h、3～10 h、>10 h 3個區間，并分別進行數據的整理和歸納，具體數據分析見表4。

表4 不同運行時長空調節能效果分析

在房間空調運行初期，即運行時長短于3 h時，為了保證房間溫度能達到空調設定參數，空調在此時段內基本處于一直開啟狀態且以最大功率進行輸出，所以在此時段內節能模式的開啟基本不能帶來節能率；當室內環境參數達到設定值，即運行時長為3～10 h時，空調在節能模式運行下間歇性運行，通過調節壓縮機轉速來控制功率輸出，而在非節能模式下仍為一直開啟狀態；當室內參數持續穩定，即空調運行時長長于10 h時，空調持續間歇變頻運行，節能率達到20%以上且上升趨勢趨于平緩。所以，在節能模式下，空調運行時間越長，單位時間耗電量越低。

從表4可以看出：當空調運行時長<3 h時，在節能控制關閉的情況下，其單位時間耗電量為0.533 kW，而開啟節能控制時，單位時間耗電量降為0.513 kW，節能率為3.74%；當空調運行時長為3～10 h時，在節能控制關閉的情況下，單位時間耗電量為0.497 kW，而開啟節能控制時，單位時間耗電量降為0.436 kW，節能率為12.29%；當空調運行時長>10 h時，在節能控制關閉的情況下，單位時間耗電量為0.471 kW，而開啟節能控制時，單位時間耗電量降為0.376 kW，節能率上升至20.26%。

根據不同運行時長區間的節能對比分析結果可看出，基于物聯網的分體空調節能控制在空調長時間運行時其節能效果更好。

4.3 微觀對比結果分析

在微觀對比試驗期間，酒店該層入住率為100%，各房間空調平均運行時長均在10 h以上，室外天氣情況相似，且空調累計運行時長相近：關閉節能控制的1周內平均氣溫為31.9 ℃，開啟節能控制的1周內平均氣溫為33.5 ℃，偏差為4.8%，小于5%；關閉的1周內運行時長占全周時間47%，開啟的1周內總運行時長占全周時長的50%。綜上認為實驗時段的室外參數差異對能耗影響不大，所以本文未進行天氣修正。室外天氣情況見表5，各房間數據的整理和歸納見表6。

表5 對比階段室外天氣情況

表6 微觀對比空調節能效果

從表6可以看出，在室外天氣情況基本相同的條件下，開啟節能控制時，其節能效果普遍較好，整體節能率在2.93%～21.85%之間，平均節能率為13.7%，其中308房間空調的節能率最低，僅3%左右，而339房間的空調節能率則達到了近22%。

從表6可以看出，不同房間的節能率存在較大差異。筆者對產生差異的原因進行了深入分析。通過分析平臺監測的其他數據發現，節能率較低的308房間，在2周的對比試驗中，其房客的空調設定溫度在25～26 ℃之間，而節能率較高的339房間，其空調設定溫度在18～22 ℃之間，本次實驗其余房間設定溫度均在22～24 ℃之間，房客的使用特性和節能意識是影響節能效果的重要因素。與此同時，筆者與酒店管理者針對單位時間耗電量較高的306和309房間的空調進行了檢查，發現306房間空調壓縮機存在問題，運行時存在異響；309房間空調制冷劑存在泄漏的情況，因此，空調的狀況也是影響節能效果的重要因素。

5 結論

1) 基于物聯網技術開發了針對分體空調的集中控制系統，通過制定節能策略控制分體空調壓縮機的運行，在保證室內環境品質的前提下，實現分體空調節能。

2) 從宏觀對比的結果可看出，開啟節能控制可有效降低空調能耗，節能率可達18.93%，且運行時間越長，節能率越高，當運行時長長于10 h時，節能率可提高至20.26%。

3) 從微觀對比的結果可得出單個房間的整體節能率在3%～22%之間，平均節能率為13.7%，影響節能狀態開啟下房間節能量的因素包含：空調設備狀態、房間設定溫度過高過低等，工程中可以通過規避以上因素達到更好的節能效果。

4) 本文的相關技術、實驗過程及結論可為分體空調節能控制的方法和策略提供相關技術支撐和數據基礎，填補我國分體空調節能控制的空白，并為未來分體空調節能管控及故障診斷領域的發展提供新思路。