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        基于物聯(lián)網(wǎng)的分體空調(diào)節(jié)能控制改造及效果驗證*

        2021-06-02 02:57:50
        暖通空調(diào) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:效果

        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。

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