基于物联网的空调节能技术在通信企业的应用实践

杨 超

中国电信股份有限公司徐州分公司

0 背景和现状

当前,运营商在通信基站和办公室大量使用舒适型空调，因该类型空调智能化程度低，监控和节能管理手段不足，主要依靠人工检查，效率低、效果差，随着网络规模扩大，空调维护人员不足和管理手段缺失的问题更加突出，部分基站空调和办公空调温度设置不合理、长期开机等情况时有发生，造成严重的电能浪费。

运用自动化手段实现空调的监控与节能成为当务之急。传统的空调监控方法需要采购空调专用通信板，安装底端采集器、进行通讯协议解析、设置IP地址、安装服务器和监控终端等，成本高昂，方法复杂，维护难度大，占用资源多。

安装便捷，操作简单，适应性强，管理功能强大的物联网空调节能技术可有效解决以上问题。

1 物联网技术在空调控制中的应用

物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的主要特征，其主要技术包括射频识别技术、无线传感网、M2M、二维码、卫星定位等。

宽带业务的普及和物联网技术发展，人们消费需求逐渐升级和现代化，用户已经可以通过手机和家庭无线网络远程操作家庭空调，调节室温，遥控开机、关机，甚者实现全自动的温控操作。在中央空调控制方面，已经可以通过局域网实现中央空调集群的远程实时监控，能够应对中央空调复杂的运行工况，大幅降低空调能耗，提升运行可靠性。

上述远程控制功能的实现都要依靠互联网或局域网作为承载，对于缺少网络支撑的场景，可以采用LoRa（Long Range）、窄带物联网 NB-IOT(Narrow Band Internet of Things)等长距离无线通信技术得以实现，其中NB-IOT 具有低功耗、广覆盖、大连接、低成本、低速率等特点，已经在水、电、气的智能计量，温度、烟雾的智能报警，智能物流，共享单车，智能停车等场景广泛应用。

2 技术方案

通信基站和办公室由于缺少WIFI或互联网，同时有线组网施工难度大，因此选择NB-IOT 作为远距离通信方案。

技术方案如图1，由控制器实现对空调的无线数据采集和控制，并通过物联网实现与后台的无线通信，后台软件经计算和判断后调整空调运行参数和状态，实现空调的经济运行。

该技术方案重点包括两个方面：

1）利用控制器实现底端数据采集、控制、通信。控制器通过模拟遥控器红外功能实现对空调的温度调整、开关机控制，同时控制器内置温度采集和电能采集功能可实时采集环境数据和空调运行数据以及用户行为，实现普通空调的智能升级。该控制器采用中国电信物联网M2M 模组，可通过中国电信物联网实现数据的无线传输。

2）利用后台智能算法找到空调运行的最佳参数并通过控制器优化空调运行时间、温度，在保证需求的同时，降低空调能耗。后台软件系统通过构建虚拟模型对运行数据和空调状态进行优化调节，不仅能够对同一个房间的历史数据进行对比，而且可与同类型房间的数据进行智能比较分析。

图1 方案架构

空调温度控制策略。空调通过控制器集成的环境温度传感器识别房间实际温度并与空调设置温度比较，当房间实际温度低于设置温度到一定数值和时间时，自动提升空调设置温度，当房间实际温度高于设置温度达到一定数值和时间时，自动降低空调设置温度到原始值，从而达到按需供冷的目的，节省空调无效能耗。当监测到通信基站的环境温度低于一定值时，自动关闭对应空调，高于一定值时自动开启。

3 应用实践

3.1 应用情况

某运营商在通信基站和办公场景使用安装该控制系统，包括舒适型柜式空调和壁挂式空调，功率范围从1.5匹至5匹，连续稳定运行1年未发生因控制系统引起的设备故障或报警。

该系统安装便捷，现场仅需将物联网控制器配置安装即可，具体步骤：通过手机端将控制器与空调绑定；将控制器插在电源插座并将空调插头插上；使用空调遥控器调整空调参数并查看后台数据上报无误。经测试，系统主要可实现以下功能：

1）普通非智能空调升级为智能设备，实现普通舒适型空调的远程监控，可通过PC 端或手机APP远程查看空调运行状态和设置温度、远程控制开关机、远程查看实时运行功耗、远程调整空调设定温度。空调的使用必须遵循设定好的使用规则，降低了人工管控成本。

2）后台温度控制算法可实现远程控制空调节能，秋冬季节机房空调根据环境温度适时自动关闭或开启，空调在线运行时间减少明显，办公空调通过温度控制策略电费效能明显提升。同时，空调运行时间缩短，使用寿命得到提升，节约投资和维护成本。

3）储存历史数据进行比对分析，根据空调运行数据的跟踪分析，提供故障预警，机房温度保障能力进一步提升，并且可通过报表查看实时数据、查询统计每台空调耗电量和运行时长。

3.2 系统特点

1）控制器集成红外遥控、温度采集、电流采集功能。

2）控制器集成中国电信物联网模组，无线上报数据，组网便捷，安装方便，自动运行，无需人工干预。

3）基于大数据的人工智能算法，通过对全国各地不同环境下的空调运行数据抓取，不同的用户行为提炼，将以上数据作为分析基础，对算法模型进行修正优化，形成稳定高效的人工智能算法模式，实现对空调远程控制节能。

4）具有基于冷量预测的空气处理末端控制策略、空调冷凝器换热效率寻优控制策略、负荷预测技术、基于数学模型计算下的补偿寻优控制策略。

5）适用范围广，可涵盖所有舒适型挂机和柜机。

3.3 节能测试分析

选定一台空调安装电量计量设备对耗电量进行测量，在室外和室内各布置电子温度计，空调设置为制冷状态，设置温度26 ℃。每天8:30-17:30在不使用该控制装置时，每小时测量空调耗电量、室内外温度，连续测量7天，再启用该控制装置以相同方法连续测量7天。选取室内外温度基本一致的日期进行消耗电量比较。

截取部分测试数据如表1，未使用该控制系统时每日耗电量约5.4 kWh，使用该控制系统时每日耗电量约4 kWh，经过测算空调节电率约25%～30%。

测试机型为某品牌制冷量3 550 W三级能效分体壁挂式空调。

3.4 解决的痛点

1）提供一种高效的基站空调和办公空调集中管理手段，解决管理难的问题。对非智能空调的智慧化升级，实现普通舒适型空调的远程监控功能，可远程监控空调的运行状态和温度设置，在线统计空调耗电量和运行时长，杜绝不合理使用空调情况，实现空调的智能化管理，减少管理人员数量，降低维护成本支出。

2）节能降耗的有效手段。在满足正常使用情况下，可降低空调电费支出25%以上，并且能够有效解决温度设置不合理、长期不关机等问题，杜绝跑、冒、滴、漏。

4 效益分析

1）经济效益分析

按照每台空调平均节电25%的实际测试结果测算，空调不关机和设置温度不合理节省的电费不进行计算。

按每台办公空调的全年平均功率3 KW，则每小时节电3×0.25=0.75 kWh，每天工作9 h，每年工作8 个月，每个月工作22 天测算，全年可节电0.75×9×22×8=1 188 kWh，按电费0.7 元/kWh，每台每年可节电831元。

表1 空调耗电量测试数据

按照运营商地市级公司有500 台舒适型空调，空调使用率80%，全年可节电500×0.8×1 188=47.5 万 kWh，按电费 0.7 元/kWh，每年可节约电费33.2万元。

2）社会效益

该项目可节省电能，减少碳排放。每年每台机房空调可减少粉尘排放323 kg，减少CO2排放1 184 kg,相当于节约475 kgce。各个地市公司每年可减少粉尘排放 161.5 t，减少 CO2排放 592 t，相当于节约237 tce。

5 结束语

基于物联网的空调管理技术能够实现普通舒适型空调的远程智能监控，解决基站生产空调和办公空调集中管理手段缺失和电能浪费两大痛点，节电率达25%～30%，具有成本低廉、灵活便捷、组网简单、节能效果突出等特点，便于复制推广，可以在各类场景中推广应用。