基于物联网的分体空调节能控制改造及效果验证*

2021-06-02

暖通空调 2021年5期

中国建筑科学研究院有限公司刘益民△ 曹勇

杭州市城乡建设设计院股份有限公司王丽娜

0 引言

近年来，分体空调因其投资少、安装方便、使用灵活等优点，被广泛使用在酒店、学校等公共场所。但其分散、独立的特点使其难以得到有效的监控和管理，极易造成能源浪费。有文献指出，制冷温度设定值每降低1 ℃，电功率增加5%～10%[1-3]。不合理地使用空调不仅增加空调的能耗，还会缩短空调的使用寿命[4]。因此，合理的、有效的、智能的分体空调管理系统对公共建筑分体空调节能减排有着重要意义。

物联网的发展为分体空调的智能化管理提供了一个全新的思路[5]。通过对各种运行数据的检测、传送与分析处理使分体空调的控制变得集中化、网络化[6]。分体空调集中控制系统以物联网的基本框架为基础，将分体空调通过网络连接起来，进行智能控制和精确控温，既可实现分体空调系统的精细化管理，又可有效杜绝空调不合理使用，从而在保障室内舒适度的同时实现分体空调节能。本文以某酒店分体空调改造项目为例，通过对改造前后空调能耗数据的整理分析，阐述分体空调集中控制系统的实际应用情况。

1 技术介绍

物联网的基本框架分为感知层、网络层和应用层[7-8]。感知层负责温度、湿度、电流等数据的采集，为物联网3层架构的最底层；网络层作为物联网3层架构的中间层，主要功能是将感知层采集到的数据信息传输给应用层；应用层是物联网3层架构的最高层，它主要用于对接收到的信号数据进行处理，并通过末端进行控制实施[9-10]。

分体空调集中控制系统采用物联网的架构：感知层通过无线温度传感器检测室内温度；网络层采用LoRa协议和GPRS网络将数据传输给应用层，即空调智慧云平台；空调智慧云平台进行温度、运行情况、运行时间等多种参数的比对，并根据比对结果控制空调压缩机的运行。分体空调集中控制系统通过以上监测和控制方式达到避免极端温度设定工况下空调长时间满负荷运转。分体空调集中控制系统架构见图1。

图1 分体空调集中控制系统架构

2 项目实例描述

本文以某酒店分体空调节能改造项目为例，分析基于物联网的分体空调集中控制系统的应用情况及节能效果。

该酒店于2015年建成，共3层，层高为2.5 m，呈东西朝向。外墙厚度为300 mm；外窗窗框为铝合金材质，双层玻璃，密封性良好。酒店有A户型(20 m2)和B户型(18 m2)2种户型共52间房，其中1层和3层各17间(12个B户型，5个A户型；9个东朝向，8个西朝向)，2层18间(13个B户型，5个A户型；9个东朝向，9个西朝向)。营业至今，酒店平均入住率为90%。该酒店采用分体空调系统，每个房间均安装KFR-23GW/(23556)Ga-3热泵型定频空调1台。

酒店空调系统至测试时已运行3年时间。经调研发现，客户设置温度往往偏极端，多数客户会把空调温度设在18～20 ℃，造成空调长时间满负荷运转，从而引起大量的能源浪费。

该改造项目通过安装分体空调集中控制系统，由无线温度传感器感应室内实际温度，反馈至分体空调集中控制系统，由红外线信号控制压缩机启停(室内温度高于26 ℃开启、低于24 ℃关闭)，从而在满足室内舒适度的同时，达到节能的效果。

在该酒店改造完成之后，为分析分体空调集中控制系统在实际应用中的节能效果，笔者制定了2套实验对比方案，分别从宏观及微观方面以实际运行数据为基础进行节能效果的分析对比。

3 节能对比试验方案

该酒店所有房间内的分体空调集中控制系统于2018年6月全部安装完毕，系统通过控制压缩机的运行实现节能，通过实时记录电耗和运行时间实现节能直观化。

3.1 宏观对比方案

宏观对比以整层作为研究对象，用1、2层房间进行整体节能效果对比，其中，1层房间的空调按原方式运行，不作控制；2层房间的空调按节能控制方式运行。以8月作为对比期，每天计量空调运行时间和用电量。通过综合对比1、2层空调总体单位时间耗电量，分析整体节能效果。1、2层试验房间信息及节能试验方案如表1所示。

表1 1、2层试验房间信息及空调节能试验方案

3.2 微观对比方案

微观对比以单独房间作为研究对象，通过对比单独房间的空调原运行方式与节能控制运行方式下的单位时间能耗，分析不同房间的节能效果。以3层各房间为样本，选取夏季正常(相近)天气(天气晴朗、30 ℃左右)的2周进行对比分析。3层试验房间信息及节能试验方案如表2所示。

表2 3层试验房间信息及空调节能试验方案

4 节能效果对比分析

4.1 数据获取及筛选

本次节能效果分析获取了所有参与对比试验房间的空调能耗数据，每组数据由房间号、日期、运行时长、对应时长用电量及节能开关启闭情况等数据组成。

宏观对比方案共采集空调能耗数据1 085组；微观对比方案选取7月8—14日和8月8—14日空调能耗数据238组。

为保证数据分析结果的准确性，需对采集数据进行筛选，处理掉异常样本。本次试验共设置了2项筛选条件：单位时间能耗不应高于1.5 kW，运行时长不应短于0.5 h。实验品牌分体空调最大输入总功率为1.5 kW，因此，高于此数值的样本应属于异常数据；根据经验，一般运行超过0.5 h将开启节能控制，因此，短于此运行时长的样本不具备节能特性。筛选后，得到宏观对比有效数据911组，微观对比有效数据217组。

4.2 宏观对比结果分析

根据宏观对比方案，笔者对筛选出的1、2层各分体空调数据分别进行归纳整理，计算出节能控制关闭及开启状态下的累计电耗、累计运行时长、单位时间电耗及节能量和节能率，具体数据见表3。

表3 宏观对比空调节能效果

从表3可以看出，节能控制关闭时分体空调的平均单位时间耗电量为0.475 kW，而节能控制开启时，分体空调平均单位时间耗电量仅为0.385 kW，节能率达到了18.93%。从宏观节能对比的分析结果可看出，虽然分体空调可按照设定温度进行间歇运行，但其能耗依然较高，开启节能控制可有效实现节能运行。

在数据整理过程中，笔者发现在节能控制开启时，空调运行时间越长，其单位时间耗电量越低。因此，针对该项目，可能空调运行时长越长，其节能效果越好。为进一步证实这一猜想，笔者结合现场调研和客户的住店习惯，将宏观对比数据根据运行时长划分为<3 h、3～10 h、>10 h 3个区间，并分别进行数据的整理和归纳，具体数据分析见表4。

表4 不同运行时长空调节能效果分析

在房间空调运行初期，即运行时长短于3 h时，为了保证房间温度能达到空调设定参数，空调在此时段内基本处于一直开启状态且以最大功率进行输出，所以在此时段内节能模式的开启基本不能带来节能率；当室内环境参数达到设定值，即运行时长为3～10 h时，空调在节能模式运行下间歇性运行，通过调节压缩机转速来控制功率输出，而在非节能模式下仍为一直开启状态；当室内参数持续稳定，即空调运行时长长于10 h时，空调持续间歇变频运行，节能率达到20%以上且上升趋势趋于平缓。所以，在节能模式下，空调运行时间越长，单位时间耗电量越低。

从表4可以看出：当空调运行时长<3 h时，在节能控制关闭的情况下，其单位时间耗电量为0.533 kW，而开启节能控制时，单位时间耗电量降为0.513 kW，节能率为3.74%；当空调运行时长为3～10 h时，在节能控制关闭的情况下，单位时间耗电量为0.497 kW，而开启节能控制时，单位时间耗电量降为0.436 kW，节能率为12.29%；当空调运行时长>10 h时，在节能控制关闭的情况下，单位时间耗电量为0.471 kW，而开启节能控制时，单位时间耗电量降为0.376 kW，节能率上升至20.26%。

根据不同运行时长区间的节能对比分析结果可看出，基于物联网的分体空调节能控制在空调长时间运行时其节能效果更好。

4.3 微观对比结果分析

在微观对比试验期间，酒店该层入住率为100%，各房间空调平均运行时长均在10 h以上，室外天气情况相似，且空调累计运行时长相近：关闭节能控制的1周内平均气温为31.9 ℃，开启节能控制的1周内平均气温为33.5 ℃，偏差为4.8%，小于5%；关闭的1周内运行时长占全周时间47%，开启的1周内总运行时长占全周时长的50%。综上认为实验时段的室外参数差异对能耗影响不大，所以本文未进行天气修正。室外天气情况见表5，各房间数据的整理和归纳见表6。

表5 对比阶段室外天气情况

表6 微观对比空调节能效果

从表6可以看出，在室外天气情况基本相同的条件下，开启节能控制时，其节能效果普遍较好，整体节能率在2.93%～21.85%之间，平均节能率为13.7%，其中308房间空调的节能率最低，仅3%左右，而339房间的空调节能率则达到了近22%。

从表6可以看出，不同房间的节能率存在较大差异。笔者对产生差异的原因进行了深入分析。通过分析平台监测的其他数据发现，节能率较低的308房间，在2周的对比试验中，其房客的空调设定温度在25～26 ℃之间，而节能率较高的339房间，其空调设定温度在18～22 ℃之间，本次实验其余房间设定温度均在22～24 ℃之间，房客的使用特性和节能意识是影响节能效果的重要因素。与此同时，笔者与酒店管理者针对单位时间耗电量较高的306和309房间的空调进行了检查，发现306房间空调压缩机存在问题，运行时存在异响；309房间空调制冷剂存在泄漏的情况，因此，空调的状况也是影响节能效果的重要因素。