基于物聯網的空調節能技術在通信企業的應用實踐

楊 超

中國電信股份有限公司徐州分公司

0 背景和現狀

當前,運營商在通信基站和辦公室大量使用舒適型空調，因該類型空調智能化程度低，監控和節能管理手段不足，主要依靠人工檢查，效率低、效果差，隨著網絡規模擴大，空調維護人員不足和管理手段缺失的問題更加突出，部分基站空調和辦公空調溫度設置不合理、長期開機等情況時有發生，造成嚴重的電能浪費。

運用自動化手段實現空調的監控與節能成為當務之急。傳統的空調監控方法需要采購空調專用通信板，安裝底端采集器、進行通訊協議解析、設置IP地址、安裝服務器和監控終端等，成本高昂，方法復雜，維護難度大，占用資源多。

安裝便捷，操作簡單，適應性強，管理功能強大的物聯網空調節能技術可有效解決以上問題。

1 物聯網技術在空調控制中的應用

物聯網是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯網的主要特征，其主要技術包括射頻識別技術、無線傳感網、M2M、二維碼、衛星定位等。

寬帶業務的普及和物聯網技術發展，人們消費需求逐漸升級和現代化，用戶已經可以通過手機和家庭無線網絡遠程操作家庭空調，調節室溫，遙控開機、關機，甚者實現全自動的溫控操作。在中央空調控制方面，已經可以通過局域網實現中央空調集群的遠程實時監控，能夠應對中央空調復雜的運行工況，大幅降低空調能耗，提升運行可靠性。

上述遠程控制功能的實現都要依靠互聯網或局域網作為承載，對于缺少網絡支撐的場景，可以采用LoRa（Long Range）、窄帶物聯網 NB-IOT(Narrow Band Internet of Things)等長距離無線通信技術得以實現，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用。

2 技術方案

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

技術方案如圖1，由控制器實現對空調的無線數據采集和控制，并通過物聯網實現與后臺的無線通信，后臺軟件經計算和判斷后調整空調運行參數和狀態，實現空調的經濟運行。

該技術方案重點包括兩個方面：

1）利用控制器實現底端數據采集、控制、通信。控制器通過模擬遙控器紅外功能實現對空調的溫度調整、開關機控制，同時控制器內置溫度采集和電能采集功能可實時采集環境數據和空調運行數據以及用戶行為，實現普通空調的智能升級。該控制器采用中國電信物聯網M2M 模組，可通過中國電信物聯網實現數據的無線傳輸。

2）利用后臺智能算法找到空調運行的最佳參數并通過控制器優化空調運行時間、溫度，在保證需求的同時，降低空調能耗。后臺軟件系統通過構建虛擬模型對運行數據和空調狀態進行優化調節，不僅能夠對同一個房間的歷史數據進行對比，而且可與同類型房間的數據進行智能比較分析。

圖1 方案架構

空調溫度控制策略。空調通過控制器集成的環境溫度傳感器識別房間實際溫度并與空調設置溫度比較，當房間實際溫度低于設置溫度到一定數值和時間時，自動提升空調設置溫度，當房間實際溫度高于設置溫度達到一定數值和時間時，自動降低空調設置溫度到原始值，從而達到按需供冷的目的，節省空調無效能耗。當監測到通信基站的環境溫度低于一定值時，自動關閉對應空調，高于一定值時自動開啟。

3 應用實踐

3.1 應用情況

某運營商在通信基站和辦公場景使用安裝該控制系統，包括舒適型柜式空調和壁掛式空調，功率范圍從1.5匹至5匹，連續穩定運行1年未發生因控制系統引起的設備故障或報警。

該系統安裝便捷，現場僅需將物聯網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綁定；將控制器插在電源插座并將空調插頭插上；使用空調遙控器調整空調參數并查看后臺數據上報無誤。經測試，系統主要可實現以下功能：

1）普通非智能空調升級為智能設備，實現普通舒適型空調的遠程監控，可通過PC 端或手機APP遠程查看空調運行狀態和設置溫度、遠程控制開關機、遠程查看實時運行功耗、遠程調整空調設定溫度。空調的使用必須遵循設定好的使用規則，降低了人工管控成本。

2）后臺溫度控制算法可實現遠程控制空調節能，秋冬季節機房空調根據環境溫度適時自動關閉或開啟，空調在線運行時間減少明顯，辦公空調通過溫度控制策略電費效能明顯提升。同時，空調運行時間縮短，使用壽命得到提升，節約投資和維護成本。

3）儲存歷史數據進行比對分析，根據空調運行數據的跟蹤分析，提供故障預警，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據、查詢統計每臺空調耗電量和運行時長。

3.2 系統特點

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網模組，無線上報數據，組網便捷，安裝方便，自動運行，無需人工干預。

3）基于大數據的人工智能算法，通過對全國各地不同環境下的空調運行數據抓取，不同的用戶行為提煉，將以上數據作為分析基礎，對算法模型進行修正優化，形成穩定高效的人工智能算法模式，實現對空調遠程控制節能。

4）具有基于冷量預測的空氣處理末端控制策略、空調冷凝器換熱效率尋優控制策略、負荷預測技術、基于數學模型計算下的補償尋優控制策略。

5）適用范圍廣，可涵蓋所有舒適型掛機和柜機。

3.3 節能測試分析

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

截取部分測試數據如表1，未使用該控制系統時每日耗電量約5.4 kWh，使用該控制系統時每日耗電量約4 kWh，經過測算空調節電率約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。

3.4 解決的痛點

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

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

4 效益分析

1）經濟效益分析

按照每臺空調平均節電25%的實際測試結果測算，空調不關機和設置溫度不合理節省的電費不進行計算。

按每臺辦公空調的全年平均功率3 KW，則每小時節電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，全年可節電0.75×9×22×8=1 188 kWh，按電費0.7 元/kWh，每臺每年可節電831元。

表1 空調耗電量測試數據

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

2）社會效益

該項目可節省電能，減少碳排放。每年每臺機房空調可減少粉塵排放323 kg，減少CO2排放1 184 kg,相當于節約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，相當于節約237 tce。

5 結束語

基于物聯網的空調管理技術能夠實現普通舒適型空調的遠程智能監控，解決基站生產空調和辦公空調集中管理手段缺失和電能浪費兩大痛點，節電率達25%～30%，具有成本低廉、靈活便捷、組網簡單、節能效果突出等特點，便于復制推廣，可以在各類場景中推廣應用。