背 景 介 紹
隨著城市節能改造與綠色建筑的實施，實現建筑節能減排已成為當務之急，空調作為公共建筑能耗的主要設備，其能耗約占建筑能耗的60%，超過了照明、電梯、辦公設備的總能耗。因此建筑的節能減排的重點在空調系統。空調長期在重負荷運行，在增加空調故障率同時，壽命也將大大縮短。合理設置空調溫度，科學管理空調的運行，既能提供比較健康、舒適的室內環境，滿足正常的工作、生活需要，又能節約能源，保護生態環境，是一件利國利民的好事。據測算，在正確使用空調的前提下，制冷空調溫度每提高1℃，可節電8%；熱空調溫度每降低2℃，可節電10%。可見，制冷溫度調得過低或者制熱溫度過高導致的電能浪費是驚人的。對于樓宇管理者而言，無法實時管理、監測、控制所有的空調運行狀態，造成能源損耗的巨大浪費。
空調系統現狀
- 空調無法進行統一的用能、使用習慣、空調效率等大數據分析，從而無法衡量各個空調的工作情況，一些較復雜的優化控制策略無法實施。
- 分散控制，無法進行集中的節能管理(包括室溫管控)，容易出現使用人員離開而空調仍照常開啟運行的浪費能源。
- 人們進入房間后為了快速制冷或快速制熱，總是將空調的調定值調得很低或很高，但當溫度達到過低或過高后又不去把調定值恢復到正常設定值，造成了大量能耗。如果人員節能意識淡薄，過冷或過熱時開窗散熱的話，能耗更會驚人。
- 在不需要使用空調的季節及下班、周末、節假日等特殊時間段，可設置空調為禁止開機模式。
- 個別人員過度追求舒適度，在夏天空調運行在制冷16℃，冬天運行在制熱30℃，導致過高的空調能耗及舒適度的損失。
- 責任主體量化節能問題。無計量，無量化指標，責任主體不明確，節能手段欠缺 。
空調節能改造效益分析
1.經濟效益
1)時段管控，通過設置允許開機時段及禁止開機時段，即可以解決下班忘記關空調的情況，也可以解決在某些季節（春秋季）、周末特殊時段，直接不允許開機。2)溫度限制的管控；在人們使用空調時，常常因為剛進入房間為了急用達到所需要的舒適溫度而在制冷時設置溫度為16℃，制熱時制熱溫度為最高的30℃，之后因為疏于注意而使空調長時間處于高負荷下運行。而溫度管控的目的就是設置制冷、制熱的一個溫度限制，比如設置制冷溫度為24℃，制熱溫度為20℃，通過這種方式實現節能。
2.管理效益
1)系統運行數據實時遠傳、實時監控，全面監控空調系統運行情況，對異常開啟及故障空調及時處理。2)實行能源數據及能耗指標的統計、分析、管理，實現能耗曲線。3)設定自動啟停計劃任務、開機模式，實現定時自動啟停。
3.社會效益
1)積極響應國家節能減排號召，完成國家節能減排目標，建立節約型社會。2)降低建筑單位面積能耗，減少CO2排放量，改善氣候環境。3)通過空調管控，響應國家對公共建筑空調溫度不低于26℃的規定，把國家政策落實到實處。
一、分體式空調節能控制方案
以某個校園分體式空調改造為例：分體式空調數量為 1396 臺，其中掛機空調管家 788 臺、單相柜機空調管家 448 臺、三相柜機空調管家 160 臺。智慧空調節能監控實現方式：空調運行信息通過每臺空調的空調管家控制器上傳至云平臺系統服務器，系統平臺通過空調管家控制器一鍵開關、定時控制/課程表控制、溫度范圍限制、強制禁用。
空調管家控制器安裝示意圖：
1.1系統方案架構
1.2系統功能
1）監控數據：空調開關機狀態、運行模式、設置溫度等各種狀態的數據；可遠程遙控每臺空調開關機或調節模式、溫度、風力；各房間的實時溫濕度采集和顯示；空調用電的統計。2）報警功能：空調缺氟、冷凝器堵塞、室內風機故障、室外風扇異常、室內濾網臟堵、毛細管或過濾器堵塞等報警和預警。通過故障報警和預警，可以從容安排集中維保，避免零散的分次維修造成整體費用上升。3）數據分析：利用空調管家上報的各類數據，可以做到對空調運行信息的實時分析與故障報警。通過大數據和云技術提供了全面準確的信息和管理手段。根據故障緊急情況，自動劃分維修優先級，將非緊急故障集中批量生成維修工單，避免零散報修推高維修的人工成本對報修工單的執行過程提供全流程督辦；對維修效果進行確認，避免二次維修；通過故障早期預警，可以從容安排集中維保，避免零散的分次維修造成整體費用上升，也能最大限度減少緊急維修的概率，從總體上顯著降低維保成本。
1.3方案優勢
空調管家采用全無線部署，就地安裝，無需對空調設備做任何改造，不影響空調保修，不影響空調遙控器的正常使用，實現精確到每臺的分體式空調的專項計量。系統采用了物聯網LoRa 無線通訊，一個智能網關可以覆蓋一層樓宇，接入節點可達 60 個。空調管家與智能網關之間采用數據加密的無線通訊。系統通過物聯網技術產品做到隨時監控，大數據和云技術提供全面準確的信息和管理手段。系統采用 B/S 架構，用戶無需安裝客戶端軟件，即可在電腦、手機或平板上登陸管理系統，查看歷史和實時的用電、節電數據和故障信息，實現空調用能和運維的精細化管理。多種控制策略實現集中遙控，包括分區一鍵開關機、定時開關機、溫度范圍限制、強制禁用、授權額度控制等。
實時優化空調運行，在滿足舒適度的前提下，實現節能效益。提供空調健康度評估，并對故障進行早期預警。對部分故障還可利用核心技術之一的“動態修復技術”，延長故障空調的壓縮機壽命，減小設備折舊費用。根據診斷的故障自動生成工單，對維保進行全流程督辦，并通過運行數據對實際維修效果進行確認，避免虛假維修及二次維修，極大提高維保管理效益，有效降低綜合維保成本。提供空調資產管理，建立包括空調型號參數、使用場所、健康度、歷史故障及維保記錄等詳實的信息，并通過大數據分析為設備更換和采購提供數據支持和科學建議。
1.4系統主要硬件組成
1.4.1 AC220V空調智能節能控制器
空調智能節能遠程控制器QTAC220S空調管家是以節能、管理、遠程集中控制為目的的一種新型壁掛式空調遠程控制器，適用于辦公室、宿舍、酒店等壁掛式空調應用場所，配置有萬能碼庫，紅外學習、控制模塊，強制電源控制模塊，遠程通訊模塊，電源管理模塊，自控模塊。QTAC220S采用純平面板設計且搭配了高清VA顯示屏使空調實時數據清晰直觀。QTAC220S配置的萬能碼庫，可實現一鍵自動匹配空調紅外遙控指令，適用于市場上99%的分體空調。對于特殊空調QTAC220S還配置有紅外學習模塊能學習所有帶遙控器的空調及其他設備的紅外碼值，模擬遙控器發送控制指令。控制器控制空調不需要改裝或拆裝空調(不影響空調原保修服務)，使空調遠程控制更智能，更簡單。QTAC220S適用于學校、醫院、辦公室、工廠，宿舍等有人環境下的分體空調節能集控應用。
QTAC220S
1.4.2 AC380V空調智能節能控制器
空調智能節能遠程控制器QTAC380S空調管家是以節能、管理、遠程集中控制為目的一種新型空調遠程控制器。配置有紅外控制模塊，強制電源控制模塊，遠程通訊模塊，電能管理模塊，自控模塊，QTAC380S的紅外控制模塊能學習所有帶有遙控器的空調及其它設備的紅外碼值。模擬遙控器發送控制指令，控制器控制空調不需要改裝或拆裝空調。使空調遠程控制更智能，更簡單。針對380V大功率分體空調，QTAC380S工業版380V空調控制器配置有大功率交流接觸器，可以安全有效的控制380V空調電路的斷開和閉合。QTAC380S適用于學校、醫院、辦公室、工廠等有人環境下的空調節能集控應用。
QTAC380S
二、中央空調節能控制方案
2.1 前端集中管理控制方案
以集中管理為手段，節能減排為方向，采用中央空調多聯機控制方案，通過RS485通訊、以太網方式對某大樓的35臺外機和466臺內機進行遠程控制與數據采集，實時查看各空調設備運行狀態，以及遠程實現遠程開關機、升降溫、制冷制熱等模式轉換功能，解決中央空調集中管控難，人為的能耗浪費等問題，進一步提升空調智能化管理水平，實現空調設備的節能管理，為管理方創造效益。
2.1.1 控制原理
智能采集器將所采集的空調數據統一發送至智能主機，智能主機將數據信息一并上傳至云端，也可以從云端頂層下發空調控制指令，先經過智能主機，通過智能主機再下發至相應的采集器模塊，最終由與空調實際連接的采集器實現對空調內機的智能控制。通過局域網服務器或電腦便可實現對多聯機空調系統的智能控制，可以根據所監測室內溫度、空調運行狀態等信息，對所監測房間的空調進行遠程智能節能化控制管理，合理地控制室內空調溫度，提供良好的室內空氣品質，從而使傳統空調更加節能、智能、舒適。基于分布式架構，管理員可以通過瀏覽器登錄該控制系統，可根據用戶的需求，對任意一臺機組或多臺機組的室內機實現開啟，溫度，模式等設置。
2.1.2 系統方案架構圖
智能采集器采集的空調運行數據和電表采集的能耗電量通過智能主機傳輸到系統管理平臺，平臺下發的控制命令通過智能主機下發給智能采集器控制空調狀態，承擔著數據匯聚、保存及控制指令下發的作用。
2.1.3系統功能
（1）實時監控
通過軟件平臺實現各個空調的遠程狀態實時監控，可遠程查看空調的狀態、運行風速、模式、定時情況、設定溫度和當前溫度。
（2）本地控制及遠程控制
該系統可通過平臺對各個空調進行遠程控制，實現風速、溫度、模式、定時等遠程設置。下班時，管理人員可以通過該功能關閉辦公人員忘記關閉的空調，實現管理節能的目的。上班時，管理人員可以遠程查看每個辦公室是否按照規定把空調調節在適當的溫度，如果不符合國家有關規定，可以遠程對其進行調節，進而達到節能的目的。
（3）溫度管理
1)開機運行節能溫度
定時/手動開機時，默認預設的溫度值，支持遠程設置節能溫度值；
2)限定運行溫度調節范圍
制冷/熱模式下的溫度僅在預設溫度范圍內調控，可遠程修改溫度調節范圍值；若出現用戶違規操作也將自動糾正溫度；
（4）時間管理
（5）權限設定
2.1.4 系統主要硬件組成
2.1.4.1 智能通訊網關機
QT290G是一款標準LoRaWAN™協議的室內網關。可連接標準的LoRaWAN終端并進行雙向通信，通過標準的以太網接口連接網關到公司的NS（網絡服務器），可擴展支持4G/LTE實現 數據上傳，本地支持 IP/WiFi-AP Web 配置網關的工作頻點和指向的網絡服務器等相關參數。基于工業級硬件平臺設計，全金屬外殼，支持 PoE/DC12V 供電，具備覆蓋距離遠、功耗 低、運維簡單的特點。允許接入各類 LoRa 應用節點。
2.1.4.2 空調面板溫控器
基于LoRaWAN的智能液晶數字恒溫控制器，適用于風機盤管、電動閥、電動風閥、電動風口、地暖、壁掛爐、熱水器及供熱設備的溫度控制。采用大屏幕液晶顯示，自動調節冷暖氣的進氣量和開啟或關閉管道電動閥，達到保持室內恒溫的目的。空調面板可以直連內機，不需要外部供電，也不需要加任何轉接設備，可以替換原廠線控器，也可以與原廠線控器并用，控制會互相同步狀態。
2.2 空調機組節能控制
（1）空調系統調控
中央空調系統主要由冷熱源主機系統（又稱“制冷劑循環系統”）、冷凍水循環系統、冷卻水循環系統以及多個空氣調節系統（又稱“末端空調箱系統”）組成。
主要控制組件包含五部分：
①制冷主機 ②冷凍水泵 ③冷卻水泵 ④冷卻塔 ⑤末端空調箱
空調主機接入。每臺冷水機組對應一個具備標準化需求響應通信功能的通信控制板，每個通信控制板統一安裝在冷水機組操作面板箱內。根據冷水機組操作面板箱內的空間，合理安裝通信控制板，根據箱體和通信板的各自的大小和固定方式進行靈活安裝。如果原有操作面板箱內沒有剩余空間，則需要定制通信控制板安裝柜，用于通信控制板的安裝。冷凍水系統監測調控。在冷凍水出、回水管道分別安裝溫度傳感器，實現冷凍水出回水溫差采集。在冷凍水系統安裝邊緣控制器柜，采集傳感器上送的水溫等數據，冷凍水泵和冷水主機的運行狀態參數，通過控制柜內置的本地策略對主機和冷凍水泵進行優化控制，實現冷凍水泵追蹤冷凍水出回水溫差自動變頻運行。調控方式：根據冷凍水系統的供回水溫差，匹配系統需冷量，調節冷凍水泵頻率；匹配冷水機組最佳運行效率曲線，調節冷水機組運行數量。冷卻水系統監測調控。在冷卻水出、回水管道安裝溫度傳感器，實現冷卻水出回水溫差采集；選取合適地點，安裝室外溫濕度傳感器，實現室外溫濕度采集；在冷卻水系統安裝邊緣控制器柜，采集冷卻水泵和冷卻塔風機的運行狀態信息，通過邏輯控制程序對冷卻塔風機進行精細控制，實現冷卻水泵的啟停和冷卻塔冷卻風機的智能分組控制。調控方式：根據冷卻水系統供水溫度、回水溫度和室外溫濕度等參數變化，匹配系統所需冷量，調節冷卻塔風機的運行數量，從而降低冷卻系統的能耗。末端空調箱系統監測調控。末端空調箱回風管加裝溫度傳感器實現對所在區域環境溫度的實時采集并計算末端需冷量。安裝末端空調箱的邊緣控制器柜，通過邏輯控制程序調控末端空調箱電磁閥開啟度，實現末端冷量的匹配調節，降低能耗。調控方式：結合末端空調箱對應區域風口溫度，識別末端冷需量，通過控制電磁閥開度來調節不同區域冷量，實現區域冷量化匹配，從而減少不必要的冷量浪費。
表1——中央空調系統改造措施匯總表
子系統 | 改造前 | 改造措施 |
制冷劑循環子系統 | 根據出回水溫差自動優化運行，與其他子系統缺乏聯動。 | 納入節能系統，實現與其他子系統聯調優化控制。 |
冷凍水循環子系統 | 不能根據冷凍出回水溫度進行變頻運行。 | 1.納入節能系統，實現與其他子系統聯調優化控制； |
2.完成冷凍水循環管網出回水溫度采集改造； |
3.完成冷凍水泵運行狀態監測改造； |
4.完成冷凍水泵實時變頻運行改造。 |
冷卻水循環子系統 | 不能根據冷卻水出回水溫差進行冷卻塔風機運行數量控制。 | 1.納入節能系統，實現與其他子系統聯調優化控制； |
2.完成冷卻水循環管網出回水溫度采集改造； |
3.完成室外溫濕度采集改造； |
4.完成冷卻塔風機運行狀態監測改造； |
5.完成冷卻塔風機數量優化控制改造。 |
末端空調箱子系統 | 不能匹配末端空調箱對應區域的溫度進行精準調控。 | 1.納入節能系統，實現與其他子系統聯調優化控制； |
2.完成末端空調箱對應區域溫度采集改造； |
3.完成末端空調箱運行狀態監測改造； |
4.完成末端空調箱冷量控制改造； |
5.識別末端需冷量，調節主機制冷量出力，實現整體系統動態尋優運行。 |
（2）電量信息分項測量
中央空調側需要增設一定數量的計量器具，獲取相關用電系統和用電設備的電量和負荷信息。所需數據主要包括：用戶的總用電量及負荷、中央空調系統總電量及負荷、中央空調系統設備分電量及負荷。為了確保能夠實現對用戶總電量、中央空調系統總電量、照明系統總電量、中央空調系統設備分電量計量的采集要求，用電信息的采集按照三級計量方式進行。一級計量。一級計量主要是為獲取用戶總用電信息，包括：用戶總用電量和用戶總用電負荷，如用戶樓控系統已覆蓋其所有變壓器，一級計量的數據可直接通過系統對接方式獲取。二級計量。二級計量主要獲取用戶中央空調系統總用電信息。中央空調系統總電量、總負荷主要通過空調主機、冷凍水泵、冷卻水泵冷卻塔和末端設備的用電信息之和得到。如用戶樓控系統已覆蓋中央空調系統的所有設備，可直接通過系統對接方式獲取相關數據。如沒有覆蓋，則完善設備分項計量并求和。三級計量。三級計量主要獲取用戶中央空調系統下的設備級用電信息，計量實施內容如下表。
表2——中央空調系統設備級分項計量匯總表
計量范圍 | 約束條件 | 計量一般要求 |
主機 | 所有（常用和備用都裝） | 每臺主機（冷水機組、風冷熱泵機組等）都安裝1塊獨立計量智能電表 |
循環水泵 | 有總出線時 | 每條總出線安裝1塊計量表計 |
無總出線時 | 有多個冷源站的用戶，循環水泵不計量 |
只有1個冷原站用戶，每臺水泵安裝1塊智能電表進行計量。 |
冷卻塔 | 所有 | 同一配電室內并且冷卻塔為單獨供電，在冷卻塔總出線處安裝，每1條出線安裝1塊智能電表 |
末端設備 | 風機盤管 | 不安裝智能電表 |
供電分散、復雜 | 如果末端設備分布于多個變配電室內，不需安裝智能電表 |
同一個配電室且獨立供電 | 每個末端設備的低壓配電柜上安裝1塊智能電表 |
三、系統界面
可遠程控制空調，具有展示當前空調運行狀態及遠程開關、調節溫度、風速、切換運行模式等功能。
3.1運行狀態
3.2空調控制
3.3實時詳情
3.4用電參數
3.5電量分析
3.6電量報表
3.7歷史報警
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