基于物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)節(jié)能技術(shù)在通信企業(yè)的應(yīng)用實踐

楊 超

中國電信股份有限公司徐州分公司

0 背景和現(xiàn)狀

當前,運營商在通信基站和辦公室大量使用舒適型空調(diào)，因該類型空調(diào)智能化程度低，監(jiān)控和節(jié)能管理手段不足，主要依靠人工檢查，效率低、效果差，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大，空調(diào)維護人員不足和管理手段缺失的問題更加突出，部分基站空調(diào)和辦公空調(diào)溫度設(shè)置不合理、長期開機等情況時有發(fā)生，造成嚴重的電能浪費。

運用自動化手段實現(xiàn)空調(diào)的監(jiān)控與節(jié)能成為當務(wù)之急。傳統(tǒng)的空調(diào)監(jiān)控方法需要采購空調(diào)專用通信板，安裝底端采集器、進行通訊協(xié)議解析、設(shè)置IP地址、安裝服務(wù)器和監(jiān)控終端等，成本高昂，方法復(fù)雜，維護難度大，占用資源多。

安裝便捷，操作簡單，適應(yīng)性強，管理功能強大的物聯(lián)網(wǎng)空調(diào)節(jié)能技術(shù)可有效解決以上問題。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在空調(diào)控制中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯(lián)網(wǎng)的主要特征，其主要技術(shù)包括射頻識別技術(shù)、無線傳感網(wǎng)、M2M、二維碼、衛(wèi)星定位等。

寬帶業(yè)務(wù)的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，人們消費需求逐漸升級和現(xiàn)代化，用戶已經(jīng)可以通過手機和家庭無線網(wǎng)絡(luò)遠程操作家庭空調(diào)，調(diào)節(jié)室溫，遙控開機、關(guān)機，甚者實現(xiàn)全自動的溫控操作。在中央空調(diào)控制方面，已經(jīng)可以通過局域網(wǎng)實現(xiàn)中央空調(diào)集群的遠程實時監(jiān)控，能夠應(yīng)對中央空調(diào)復(fù)雜的運行工況，大幅降低空調(diào)能耗，提升運行可靠性。

上述遠程控制功能的實現(xiàn)都要依靠互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)作為承載，對于缺少網(wǎng)絡(luò)支撐的場景，可以采用LoRa（Long Range）、窄帶物聯(lián)網(wǎng) NB-IOT(Narrow Band Internet of Things)等長距離無線通信技術(shù)得以實現(xiàn)，其中NB-IOT 具有低功耗、廣覆蓋、大連接、低成本、低速率等特點，已經(jīng)在水、電、氣的智能計量，溫度、煙霧的智能報警，智能物流，共享單車，智能停車等場景廣泛應(yīng)用。

2 技術(shù)方案

通信基站和辦公室由于缺少WIFI或互聯(lián)網(wǎng)，同時有線組網(wǎng)施工難度大，因此選擇NB-IOT 作為遠距離通信方案。

技術(shù)方案如圖1，由控制器實現(xiàn)對空調(diào)的無線數(shù)據(jù)采集和控制，并通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與后臺的無線通信，后臺軟件經(jīng)計算和判斷后調(diào)整空調(diào)運行參數(shù)和狀態(tài)，實現(xiàn)空調(diào)的經(jīng)濟運行。

該技術(shù)方案重點包括兩個方面：

1）利用控制器實現(xiàn)底端數(shù)據(jù)采集、控制、通信。控制器通過模擬遙控器紅外功能實現(xiàn)對空調(diào)的溫度調(diào)整、開關(guān)機控制，同時控制器內(nèi)置溫度采集和電能采集功能可實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)和空調(diào)運行數(shù)據(jù)以及用戶行為，實現(xiàn)普通空調(diào)的智能升級。該控制器采用中國電信物聯(lián)網(wǎng)M2M 模組，可通過中國電信物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2）利用后臺智能算法找到空調(diào)運行的最佳參數(shù)并通過控制器優(yōu)化空調(diào)運行時間、溫度，在保證需求的同時，降低空調(diào)能耗。后臺軟件系統(tǒng)通過構(gòu)建虛擬模型對運行數(shù)據(jù)和空調(diào)狀態(tài)進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，不僅能夠?qū)ν粋€房間的歷史數(shù)據(jù)進行對比，而且可與同類型房間的數(shù)據(jù)進行智能比較分析。

圖1 方案架構(gòu)

空調(diào)溫度控制策略?？照{(diào)通過控制器集成的環(huán)境溫度傳感器識別房間實際溫度并與空調(diào)設(shè)置溫度比較，當房間實際溫度低于設(shè)置溫度到一定數(shù)值和時間時，自動提升空調(diào)設(shè)置溫度，當房間實際溫度高于設(shè)置溫度達到一定數(shù)值和時間時，自動降低空調(diào)設(shè)置溫度到原始值，從而達到按需供冷的目的，節(jié)省空調(diào)無效能耗。當監(jiān)測到通信基站的環(huán)境溫度低于一定值時，自動關(guān)閉對應(yīng)空調(diào)，高于一定值時自動開啟。

3 應(yīng)用實踐

3.1 應(yīng)用情況

某運營商在通信基站和辦公場景使用安裝該控制系統(tǒng)，包括舒適型柜式空調(diào)和壁掛式空調(diào)，功率范圍從1.5匹至5匹，連續(xù)穩(wěn)定運行1年未發(fā)生因控制系統(tǒng)引起的設(shè)備故障或報警。

該系統(tǒng)安裝便捷，現(xiàn)場僅需將物聯(lián)網(wǎng)控制器配置安裝即可，具體步驟：通過手機端將控制器與空調(diào)綁定；將控制器插在電源插座并將空調(diào)插頭插上；使用空調(diào)遙控器調(diào)整空調(diào)參數(shù)并查看后臺數(shù)據(jù)上報無誤。經(jīng)測試，系統(tǒng)主要可實現(xiàn)以下功能：

1）普通非智能空調(diào)升級為智能設(shè)備，實現(xiàn)普通舒適型空調(diào)的遠程監(jiān)控，可通過PC 端或手機APP遠程查看空調(diào)運行狀態(tài)和設(shè)置溫度、遠程控制開關(guān)機、遠程查看實時運行功耗、遠程調(diào)整空調(diào)設(shè)定溫度?？照{(diào)的使用必須遵循設(shè)定好的使用規(guī)則，降低了人工管控成本。

2）后臺溫度控制算法可實現(xiàn)遠程控制空調(diào)節(jié)能，秋冬季節(jié)機房空調(diào)根據(jù)環(huán)境溫度適時自動關(guān)閉或開啟，空調(diào)在線運行時間減少明顯，辦公空調(diào)通過溫度控制策略電費效能明顯提升。同時，空調(diào)運行時間縮短，使用壽命得到提升，節(jié)約投資和維護成本。

3）儲存歷史數(shù)據(jù)進行比對分析，根據(jù)空調(diào)運行數(shù)據(jù)的跟蹤分析，提供故障預(yù)警，機房溫度保障能力進一步提升，并且可通過報表查看實時數(shù)據(jù)、查詢統(tǒng)計每臺空調(diào)耗電量和運行時長。

3.2 系統(tǒng)特點

1）控制器集成紅外遙控、溫度采集、電流采集功能。

2）控制器集成中國電信物聯(lián)網(wǎng)模組，無線上報數(shù)據(jù)，組網(wǎng)便捷，安裝方便，自動運行，無需人工干預(yù)。

3）基于大數(shù)據(jù)的人工智能算法，通過對全國各地不同環(huán)境下的空調(diào)運行數(shù)據(jù)抓取，不同的用戶行為提煉，將以上數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ)，對算法模型進行修正優(yōu)化，形成穩(wěn)定高效的人工智能算法模式，實現(xiàn)對空調(diào)遠程控制節(jié)能。

4）具有基于冷量預(yù)測的空氣處理末端控制策略、空調(diào)冷凝器換熱效率尋優(yōu)控制策略、負荷預(yù)測技術(shù)、基于數(shù)學(xué)模型計算下的補償尋優(yōu)控制策略。

5）適用范圍廣，可涵蓋所有舒適型掛機和柜機。

3.3 節(jié)能測試分析

選定一臺空調(diào)安裝電量計量設(shè)備對耗電量進行測量，在室外和室內(nèi)各布置電子溫度計，空調(diào)設(shè)置為制冷狀態(tài)，設(shè)置溫度26 ℃。每天8:30-17:30在不使用該控制裝置時，每小時測量空調(diào)耗電量、室內(nèi)外溫度，連續(xù)測量7天，再啟用該控制裝置以相同方法連續(xù)測量7天。選取室內(nèi)外溫度基本一致的日期進行消耗電量比較。

截取部分測試數(shù)據(jù)如表1，未使用該控制系統(tǒng)時每日耗電量約5.4 kWh，使用該控制系統(tǒng)時每日耗電量約4 kWh，經(jīng)過測算空調(diào)節(jié)電率約25%～30%。

測試機型為某品牌制冷量3 550 W三級能效分體壁掛式空調(diào)。

3.4 解決的痛點

1）提供一種高效的基站空調(diào)和辦公空調(diào)集中管理手段，解決管理難的問題。對非智能空調(diào)的智慧化升級，實現(xiàn)普通舒適型空調(diào)的遠程監(jiān)控功能，可遠程監(jiān)控空調(diào)的運行狀態(tài)和溫度設(shè)置，在線統(tǒng)計空調(diào)耗電量和運行時長，杜絕不合理使用空調(diào)情況，實現(xiàn)空調(diào)的智能化管理，減少管理人員數(shù)量，降低維護成本支出。

2）節(jié)能降耗的有效手段。在滿足正常使用情況下，可降低空調(diào)電費支出25%以上，并且能夠有效解決溫度設(shè)置不合理、長期不關(guān)機等問題，杜絕跑、冒、滴、漏。

4 效益分析

1）經(jīng)濟效益分析

按照每臺空調(diào)平均節(jié)電25%的實際測試結(jié)果測算，空調(diào)不關(guān)機和設(shè)置溫度不合理節(jié)省的電費不進行計算。

按每臺辦公空調(diào)的全年平均功率3 KW，則每小時節(jié)電3×0.25=0.75 kWh，每天工作9 h，每年工作8 個月，每個月工作22 天測算，全年可節(jié)電0.75×9×22×8=1 188 kWh，按電費0.7 元/kWh，每臺每年可節(jié)電831元。

表1 空調(diào)耗電量測試數(shù)據(jù)

按照運營商地市級公司有500 臺舒適型空調(diào)，空調(diào)使用率80%，全年可節(jié)電500×0.8×1 188=47.5 萬 kWh，按電費 0.7 元/kWh，每年可節(jié)約電費33.2萬元。

2）社會效益

該項目可節(jié)省電能，減少碳排放。每年每臺機房空調(diào)可減少粉塵排放323 kg，減少CO2排放1 184 kg,相當于節(jié)約475 kgce。各個地市公司每年可減少粉塵排放 161.5 t，減少 CO2排放 592 t，相當于節(jié)約237 tce。

5 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)管理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)普通舒適型空調(diào)的遠程智能監(jiān)控，解決基站生產(chǎn)空調(diào)和辦公空調(diào)集中管理手段缺失和電能浪費兩大痛點，節(jié)電率達25%～30%，具有成本低廉、靈活便捷、組網(wǎng)簡單、節(jié)能效果突出等特點，便于復(fù)制推廣，可以在各類場景中推廣應(yīng)用。