中國建筑科學(xué)研究院有限公司 劉益民△ 曹 勇

杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計院股份有限公司 王麗娜

0 引言

近年來，分體空調(diào)因其投資少、安裝方便、使用靈活等優(yōu)點，被廣泛使用在酒店、學(xué)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(jiān)控和管理，極易造成能源浪費。有文獻(xiàn)指出，制冷溫度設(shè)定值每降低1 ℃，電功率增加5%～10%[1-3]。不合理地使用空調(diào)不僅增加空調(diào)的能耗，還會縮短空調(diào)的使用壽命[4]。因此，合理的、有效的、智能的分體空調(diào)管理系統(tǒng)對公共建筑分體空調(diào)節(jié)能減排有著重要意義。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為分體空調(diào)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(shù)據(jù)的檢測、傳送與分析處理使分體空調(diào)的控制變得集中化、網(wǎng)絡(luò)化[6]。分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)的基本框架為基礎(chǔ)，將分體空調(diào)通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，進(jìn)行智能控制和精確控溫，既可實現(xiàn)分體空調(diào)系統(tǒng)的精細(xì)化管理，又可有效杜絕空調(diào)不合理使用，從而在保障室內(nèi)舒適度的同時實現(xiàn)分體空調(diào)節(jié)能。本文以某酒店分體空調(diào)改造項目為例，通過對改造前后空調(diào)能耗數(shù)據(jù)的整理分析，闡述分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況。

1 技術(shù)介紹

物聯(lián)網(wǎng)的基本框架分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[7-8]。感知層負(fù)責(zé)溫度、濕度、電流等數(shù)據(jù)的采集，為物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)的最底層；網(wǎng)絡(luò)層作為物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)的中間層，主要功能是將感知層采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸給應(yīng)用層；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)的最高層，它主要用于對接收到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過末端進(jìn)行控制實施[9-10]。

分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)：感知層通過無線溫度傳感器檢測室內(nèi)溫度；網(wǎng)絡(luò)層采用LoRa協(xié)議和GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用層，即空調(diào)智慧云平臺；空調(diào)智慧云平臺進(jìn)行溫度、運行情況、運行時間等多種參數(shù)的比對，并根據(jù)比對結(jié)果控制空調(diào)壓縮機(jī)的運行。分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)通過以上監(jiān)測和控制方式達(dá)到避免極端溫度設(shè)定工況下空調(diào)長時間滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)。分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)架構(gòu)

2 項目實例描述

本文以某酒店分體空調(diào)節(jié)能改造項目為例，分析基于物聯(lián)網(wǎng)的分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況及節(jié)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(zhì)，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(yè)至今，酒店平均入住率為90%。該酒店采用分體空調(diào)系統(tǒng)，每個房間均安裝KFR-23GW/(23556)Ga-3熱泵型定頻空調(diào)1臺。

酒店空調(diào)系統(tǒng)至測試時已運行3年時間。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，客戶設(shè)置溫度往往偏極端，多數(shù)客戶會把空調(diào)溫度設(shè)在18～20 ℃，造成空調(diào)長時間滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，從而引起大量的能源浪費。

該改造項目通過安裝分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)，由無線溫度傳感器感應(yīng)室內(nèi)實際溫度，反饋至分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)，由紅外線信號控制壓縮機(jī)啟停(室內(nèi)溫度高于26 ℃開啟、低于24 ℃關(guān)閉)，從而在滿足室內(nèi)舒適度的同時，達(dá)到節(jié)能的效果。

在該酒店改造完成之后，為分析分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的節(jié)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行節(jié)能效果的分析對比。

3 節(jié)能對比試驗方案

該酒店所有房間內(nèi)的分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)于2018年6月全部安裝完畢，系統(tǒng)通過控制壓縮機(jī)的運行實現(xiàn)節(jié)能，通過實時記錄電耗和運行時間實現(xiàn)節(jié)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(jìn)行整體節(jié)能效果對比，其中，1層房間的空調(diào)按原方式運行，不作控制；2層房間的空調(diào)按節(jié)能控制方式運行。以8月作為對比期，每天計量空調(diào)運行時間和用電量。通過綜合對比1、2層空調(diào)總體單位時間耗電量，分析整體節(jié)能效果。1、2層試驗房間信息及節(jié)能試驗方案如表1所示。

表1 1、2層試驗房間信息及空調(diào)節(jié)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(diào)原運行方式與節(jié)能控制運行方式下的單位時間能耗，分析不同房間的節(jié)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(jìn)行對比分析。3層試驗房間信息及節(jié)能試驗方案如表2所示。

表2 3層試驗房間信息及空調(diào)節(jié)能試驗方案

4 節(jié)能效果對比分析

4.1 數(shù)據(jù)獲取及篩選

本次節(jié)能效果分析獲取了所有參與對比試驗房間的空調(diào)能耗數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)由房間號、日期、運行時長、對應(yīng)時長用電量及節(jié)能開關(guān)啟閉情況等數(shù)據(jù)組成。

宏觀對比方案共采集空調(diào)能耗數(shù)據(jù)1 085組；微觀對比方案選取7月8—14日和8月8—14日空調(diào)能耗數(shù)據(jù)238組。

為保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，處理掉異常樣本。本次試驗共設(shè)置了2項篩選條件：單位時間能耗不應(yīng)高于1.5 kW，運行時長不應(yīng)短于0.5 h。實驗品牌分體空調(diào)最大輸入總功率為1.5 kW，因此，高于此數(shù)值的樣本應(yīng)屬于異常數(shù)據(jù)；根據(jù)經(jīng)驗，一般運行超過0.5 h將開啟節(jié)能控制，因此，短于此運行時長的樣本不具備節(jié)能特性。篩選后，得到宏觀對比有效數(shù)據(jù)911組，微觀對比有效數(shù)據(jù)217組。

4.2 宏觀對比結(jié)果分析

根據(jù)宏觀對比方案，筆者對篩選出的1、2層各分體空調(diào)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行歸納整理，計算出節(jié)能控制關(guān)閉及開啟狀態(tài)下的累計電耗、累計運行時長、單位時間電耗及節(jié)能量和節(jié)能率，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 宏觀對比空調(diào)節(jié)能效果

從表3可以看出，節(jié)能控制關(guān)閉時分體空調(diào)的平均單位時間耗電量為0.475 kW，而節(jié)能控制開啟時，分體空調(diào)平均單位時間耗電量僅為0.385 kW，節(jié)能率達(dá)到了18.93%。從宏觀節(jié)能對比的分析結(jié)果可看出，雖然分體空調(diào)可按照設(shè)定溫度進(jìn)行間歇運行，但其能耗依然較高，開啟節(jié)能控制可有效實現(xiàn)節(jié)能運行。

在數(shù)據(jù)整理過程中，筆者發(fā)現(xiàn)在節(jié)能控制開啟時，空調(diào)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(diào)運行時長越長，其節(jié)能效果越好。為進(jìn)一步證實這一猜想，筆者結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和客戶的住店習(xí)慣，將宏觀對比數(shù)據(jù)根據(jù)運行時長劃分為<3 h、3～10 h、>10 h 3個區(qū)間，并分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和歸納，具體數(shù)據(jù)分析見表4。

表4 不同運行時長空調(diào)節(jié)能效果分析

在房間空調(diào)運行初期，即運行時長短于3 h時，為了保證房間溫度能達(dá)到空調(diào)設(shè)定參數(shù)，空調(diào)在此時段內(nèi)基本處于一直開啟狀態(tài)且以最大功率進(jìn)行輸出，所以在此時段內(nèi)節(jié)能模式的開啟基本不能帶來節(jié)能率；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)達(dá)到設(shè)定值，即運行時長為3～10 h時，空調(diào)在節(jié)能模式運行下間歇性運行，通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來控制功率輸出，而在非節(jié)能模式下仍為一直開啟狀態(tài)；當(dāng)室內(nèi)參數(shù)持續(xù)穩(wěn)定，即空調(diào)運行時長長于10 h時，空調(diào)持續(xù)間歇變頻運行，節(jié)能率達(dá)到20%以上且上升趨勢趨于平緩。所以，在節(jié)能模式下，空調(diào)運行時間越長，單位時間耗電量越低。

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

根據(jù)不同運行時長區(qū)間的節(jié)能對比分析結(jié)果可看出，基于物聯(lián)網(wǎng)的分體空調(diào)節(jié)能控制在空調(diào)長時間運行時其節(jié)能效果更好。

4.3 微觀對比結(jié)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(diào)平均運行時長均在10 h以上，室外天氣情況相似，且空調(diào)累計運行時長相近：關(guān)閉節(jié)能控制的1周內(nèi)平均氣溫為31.9 ℃，開啟節(jié)能控制的1周內(nèi)平均氣溫為33.5 ℃，偏差為4.8%，小于5%；關(guān)閉的1周內(nèi)運行時長占全周時間47%，開啟的1周內(nèi)總運行時長占全周時長的50%。綜上認(rèn)為實驗時段的室外參數(shù)差異對能耗影響不大，所以本文未進(jìn)行天氣修正。室外天氣情況見表5，各房間數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)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(jié)能控制時，其節(jié)能效果普遍較好，整體節(jié)能率在2.93%～21.85%之間，平均節(jié)能率為13.7%，其中308房間空調(diào)的節(jié)能率最低，僅3%左右，而339房間的空調(diào)節(jié)能率則達(dá)到了近22%。

從表6可以看出，不同房間的節(jié)能率存在較大差異。筆者對產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了深入分析。通過分析平臺監(jiān)測的其他數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，節(jié)能率較低的308房間，在2周的對比試驗中，其房客的空調(diào)設(shè)定溫度在25～26 ℃之間，而節(jié)能率較高的339房間，其空調(diào)設(shè)定溫度在18～22 ℃之間，本次實驗其余房間設(shè)定溫度均在22～24 ℃之間，房客的使用特性和節(jié)能意識是影響節(jié)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(diào)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)306房間空調(diào)壓縮機(jī)存在問題，運行時存在異響；309房間空調(diào)制冷劑存在泄漏的情況，因此，空調(diào)的狀況也是影響節(jié)能效果的重要因素。

5 結(jié)論

1) 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了針對分體空調(diào)的集中控制系統(tǒng)，通過制定節(jié)能策略控制分體空調(diào)壓縮機(jī)的運行，在保證室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的前提下，實現(xiàn)分體空調(diào)節(jié)能。

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

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

4) 本文的相關(guān)技術(shù)、實驗過程及結(jié)論可為分體空調(diào)節(jié)能控制的方法和策略提供相關(guān)技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，填補我國分體空調(diào)節(jié)能控制的空白，并為未來分體空調(diào)節(jié)能管控及故障診斷領(lǐng)域的發(fā)展提供新思路。