【摘要】:空調(diào)系統(tǒng)能耗在建筑能耗中占據(jù)較大比重,隨著鐵路的快速發(fā)展,鐵路車站及辦公區(qū)的空調(diào)使用數(shù)量日益增加,其節(jié)能降耗潛力明顯?;谖锫?lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的深度融合開(kāi)展空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能管控平臺(tái)研究,實(shí)現(xiàn)空調(diào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、智能開(kāi)關(guān)機(jī)、人體感應(yīng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度及耗電量等功能,達(dá)到了智能互聯(lián)、智慧節(jié)能的目的。
【關(guān)鍵詞】:物聯(lián)網(wǎng);空調(diào)智能控制;大數(shù)據(jù)節(jié)能監(jiān)測(cè);節(jié)能
在“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)背景下,低碳綠色已逐漸成為未來(lái)全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主旋律,減少碳排放已成為國(guó)際社會(huì)共識(shí)[1-2]??照{(diào)系統(tǒng)是公共建筑中重要的基礎(chǔ)配套設(shè)施,其能源消耗在我國(guó)建筑能耗中占據(jù)較大比重[3],在節(jié)能降耗方面存在巨大潛力。近年來(lái),針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方面的研究越來(lái)越多,劉興成[4]研究了基于Transformer神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空調(diào)系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)模型構(gòu)建和參數(shù)優(yōu)化方法;趙植竹[5]對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗模型進(jìn)行了優(yōu)化研究;朱恩華[6]進(jìn)行了基于群智能的暖通空調(diào)系統(tǒng)調(diào)控方法與應(yīng)用策略研究,探析了中央空調(diào)系統(tǒng)群智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)要素和機(jī)電設(shè)備特征;范穎慧[7]研究了地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制策略;劉俊等[8]研究了典型車站能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并對(duì)車站進(jìn)行了能效分析。
隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,鐵路網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遍布大江南北,鐵路的快速發(fā)展不僅提高了交通運(yùn)輸效率,也促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的繁榮和人民生活水平的提升。伴隨著鐵路運(yùn)營(yíng)里程的增加,鐵路系統(tǒng)中空調(diào)的占有率和使用頻率越來(lái)越高,能耗也隨之加大,尤其是在實(shí)際工作中,空調(diào)管理在設(shè)備狀態(tài)更新、運(yùn)維統(tǒng)籌管理、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備使用壽命等方面較為粗放,鐵路空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的管理需求明顯增加。本文基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù),提出空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能管控平臺(tái)研究,助力推動(dòng)企業(yè)節(jié)能減排工作。
1、研究背景及支撐
根據(jù)調(diào)研,目前企業(yè)辦公場(chǎng)所夏季空調(diào)運(yùn)行溫度設(shè)置在22℃~24℃、冬季空調(diào)運(yùn)行溫度設(shè)置在26℃以上,超過(guò)國(guó)家關(guān)于辦公場(chǎng)所空調(diào)溫度夏季不低于26℃、冬季不高于20℃的規(guī)定[9],有研究表明,空調(diào)設(shè)定溫度夏季每降低1℃、冬季每升高1℃,可造成約6%~8%的電能消耗增長(zhǎng)[10]。雖然企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到合理控制空調(diào)溫度的重要意義,但由于空調(diào)設(shè)置溫度缺乏監(jiān)督控制技術(shù)手段,因而很難嚴(yán)格執(zhí)行空調(diào)運(yùn)行溫度標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),由于空調(diào)維護(hù)信息缺乏,管理人員無(wú)法及時(shí)獲取空調(diào)故障或不規(guī)范操控等信息,不能及時(shí)進(jìn)行維護(hù),也可能進(jìn)一步影響空調(diào)使用壽命,導(dǎo)致能效不高,造成能源資源浪費(fèi)。
目前鐵路行業(yè)建筑中分體式空調(diào)數(shù)量眾多、安裝分散,如果主要依靠人工管理,則存在效率低、成本高的現(xiàn)象,并且用能管控難度較大;此外,鐵路空調(diào)系統(tǒng)管理方面需要更為有效的技術(shù)手段,避免出現(xiàn)空調(diào)未在科學(xué)管理下合理使用而導(dǎo)致的用電浪費(fèi)現(xiàn)象。依據(jù)國(guó)家、北京市和鐵路行業(yè)的總體節(jié)能要求,同時(shí)結(jié)合國(guó)務(wù)院《綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)發(fā)〔2021〕4號(hào))、《國(guó)鐵集團(tuán)關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)用電管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》(鐵財(cái)函〔2022〕146號(hào))及《中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司關(guān)于下達(dá)2022年節(jié)能環(huán)保重點(diǎn)工作安排及指標(biāo)計(jì)劃的通知》(京鐵計(jì)函〔2022〕227號(hào))、《中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)用電管理的實(shí)施意見(jiàn)》(京鐵計(jì)函〔2022〕486號(hào))等文件有關(guān)節(jié)能要求,重點(diǎn)推動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)能源管理技術(shù)平臺(tái)建設(shè)工作。針對(duì)目前鐵路行業(yè)內(nèi)建筑空調(diào)設(shè)備狀態(tài)及用能現(xiàn)狀,通過(guò)深入分析現(xiàn)有系統(tǒng)的運(yùn)行效率與能耗水平,找到可以優(yōu)化的空間。在此基礎(chǔ)上,開(kāi)展基于物聯(lián)網(wǎng)搭配云計(jì)算技術(shù)下的空調(diào)節(jié)能管控平臺(tái)研究,以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)設(shè)備的精準(zhǔn)控制和高效管理。
2、空調(diào)節(jié)能管控平臺(tái)
2.1 系統(tǒng)架構(gòu)
空調(diào)節(jié)能管控平臺(tái)采用3層無(wú)線通訊架構(gòu),即應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層[11]。其中,應(yīng)用層基于物聯(lián)網(wǎng)搭配云計(jì)算技術(shù)下的空調(diào)運(yùn)用管理,提供給用戶實(shí)時(shí)的應(yīng)用服務(wù);網(wǎng)絡(luò)層智能網(wǎng)關(guān)上行采用專用網(wǎng)絡(luò)的方式上傳數(shù)據(jù)至云平臺(tái),接收平臺(tái)調(diào)控指令,下行無(wú)線Lora接收智能插座面板主機(jī)數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)調(diào)控指令[12];設(shè)備層智能插座面板采用Lora及2.4GHz雙向無(wú)線,無(wú)線Lora連接至網(wǎng)關(guān),2.4GHz接收無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)??照{(diào)節(jié)能管控平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

空調(diào)節(jié)能管控平臺(tái)主要包括無(wú)線傳感器、空調(diào)管家、智能網(wǎng)關(guān)、智慧平臺(tái)。其中,無(wú)線溫度傳感器通過(guò)2.4G或藍(lán)牙通訊將數(shù)據(jù)傳輸給空調(diào)管家,空調(diào)管家將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa通訊或RS485通訊將數(shù)據(jù)匯總到智能網(wǎng)關(guān),最終由智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街腔燮脚_(tái)。
2.1.1 平臺(tái)管理中心
管理平臺(tái)由數(shù)據(jù)服務(wù)器、控制管理系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)組成,是整個(gè)空調(diào)運(yùn)用節(jié)能技術(shù)管理平臺(tái)的管理中心,主要完成對(duì)整個(gè)空調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)的采集、分析、監(jiān)測(cè)和控制,用戶權(quán)限管理,設(shè)備管理劃分,節(jié)能控制管理,責(zé)任人接收?qǐng)?bào)警通知,空調(diào)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置,空調(diào)權(quán)限控制等功能[13]。
2.1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸
網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕δ苁桥c各空調(diào)管家進(jìn)行通訊,將各空調(diào)需采集的數(shù)據(jù)發(fā)回至控制中心,把控制中心的控制命令下發(fā)到各空調(diào),對(duì)各在線空調(diào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。
2.1.3 數(shù)據(jù)傳輸安全性
在數(shù)據(jù)傳輸安全方面,智能網(wǎng)關(guān)與空調(diào)智能控制器之間可選用物聯(lián)網(wǎng)最新技術(shù)LoRa。在LoRa技術(shù)架構(gòu)上,開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)組網(wǎng)協(xié)議,無(wú)需人工干預(yù)即可完成自動(dòng)組網(wǎng),并且設(shè)備未經(jīng)授權(quán)不會(huì)被允許加入,在極大簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)部署的同時(shí),保證了設(shè)備局域網(wǎng)的安全性。空調(diào)智能控制器與智能網(wǎng)關(guān)之間、智能網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)之間,均采用了數(shù)據(jù)加密,以確保通訊和數(shù)據(jù)安全。
2.1.4 數(shù)據(jù)管理技術(shù)
在數(shù)據(jù)管理方面,系統(tǒng)運(yùn)用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)MySQL主從切換技術(shù),通過(guò)使用MySQL+Kee‐palived來(lái)解決在1臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)生了宕機(jī)或意外中斷等故障,保證業(yè)務(wù)不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)的故障而中斷,盡可能減少停機(jī)時(shí)間。2臺(tái)MySQL服務(wù)器設(shè)為主從關(guān)系,用Keepalived實(shí)現(xiàn)虛擬IP,再通過(guò)Keepalived自帶的服務(wù)監(jiān)控功能來(lái)實(shí)現(xiàn)MySQL故障時(shí)自動(dòng)切換。如果作為Master(主數(shù)據(jù)庫(kù))的MySQL服務(wù)器停止服務(wù)的話,Keepalived將通過(guò)執(zhí)行keepalived_check_mysql.sh腳本,將MySQL的服務(wù)切換到Slave(從數(shù)據(jù)庫(kù))。針對(duì)數(shù)據(jù)的一致性問(wèn)題,系統(tǒng)利用MySQL主從復(fù)制來(lái)解決,確保用作備份、只讀副本等功能的Slave的數(shù)據(jù)和Master的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或最終保持一致。從庫(kù)開(kāi)啟一個(gè)I/O線程,向主庫(kù)請(qǐng)求Binlog日志。主庫(kù)開(kāi)啟一個(gè)binlogdump線程,檢查自己的二進(jìn)制日志,發(fā)送給從庫(kù),從庫(kù)將接收的數(shù)據(jù)保存到中繼日志(Relaylog)中,執(zhí)行Relay中的操作完成MySQL的主從復(fù)制,確保Slave的數(shù)據(jù)始終與Master保持一致。MySQL服務(wù)器主從模式如圖2所示。

2.2 主要功能
結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能要求及管控需求,空調(diào)節(jié)能管控平臺(tái)開(kāi)發(fā)功能如下。
(1)統(tǒng)計(jì)與分析功能。平臺(tái)可以對(duì)接入的空調(diào)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、耗電量等管理分析,實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)采集計(jì)量,根據(jù)功率因數(shù)、電流電壓、使用狀態(tài)等提供空調(diào)專項(xiàng)電量統(tǒng)計(jì),并通過(guò)云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行能耗分析和對(duì)標(biāo),為精細(xì)化管理提供數(shù)據(jù)支持[10]。
(2)智能運(yùn)行監(jiān)控功能。平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控空調(diào)運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)溫度智能設(shè)定,風(fēng)速控制和定制時(shí)間表模式。
(3)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄功能。平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)抄表、實(shí)時(shí)管理、定時(shí)管理、溫度感應(yīng)等功能,并對(duì)空調(diào)進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化,顯著降低能耗開(kāi)支。
(4)故障診斷與維保監(jiān)督功能。平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空調(diào)故障進(jìn)行及時(shí)診斷和報(bào)警功能,并自動(dòng)形成工單,實(shí)現(xiàn)維保全流程自動(dòng)管理。
(5)資產(chǎn)數(shù)字化管理功能。平臺(tái)可以完成空調(diào)設(shè)備固定資產(chǎn)的數(shù)字化管理,通過(guò)空調(diào)健康度評(píng)估、故障歷史記錄等參數(shù)的分析,為空調(diào)資產(chǎn)管理提供科學(xué)決策依據(jù)。
此外,空調(diào)運(yùn)用節(jié)能技術(shù)管理平臺(tái)及相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還具有自主學(xué)習(xí)、發(fā)送功能,能夠?qū)崿F(xiàn)能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,能耗數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)上傳、高低峰數(shù)據(jù)分析、用電量統(tǒng)計(jì)和在線管理等功能。
空調(diào)節(jié)能管控平臺(tái)主要功能如表1所示。

3、空調(diào)優(yōu)化控制策略
3.1 優(yōu)化控制策略模型
分體式空調(diào)應(yīng)用場(chǎng)景廣泛,按空調(diào)安裝場(chǎng)所可劃分為客房/宿舍、辦公室、會(huì)議室、教室/實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房/基站/變電站等。為了進(jìn)一步提升節(jié)能減排成效,本系統(tǒng)搭建了基于TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)下空調(diào)節(jié)能管控平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同場(chǎng)景下的分體式空調(diào)的集中管理工作[14]。各類應(yīng)用場(chǎng)景可選用適宜的控制策略。例如,辦公室、會(huì)議室、教室/實(shí)驗(yàn)室可選用定時(shí)控制、天氣聯(lián)動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制、溫度范圍限制、傳感器聯(lián)動(dòng)控制等策略;客房/宿舍可選用基于人體舒適性的節(jié)能控制、用電定額控制等;基站/機(jī)房/變電站則可采用以溫、濕度為控制指標(biāo)的空調(diào)優(yōu)化控制策略等。優(yōu)化控制策略模型如圖3所示。

3.2 優(yōu)化控制策略示例
以辦公室或宿舍場(chǎng)景為例進(jìn)行優(yōu)化控制策略說(shuō)明。
3.2.1 熱舒適PMV值確定
預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)(PredictedMeanVote,PMV)指數(shù)是以人體熱平衡的基本方程式及心理生理學(xué)主觀熱感覺(jué)的等級(jí)為出發(fā)點(diǎn),考慮了人體熱舒適感諸多有關(guān)因素的全面評(píng)價(jià)指標(biāo)。PMV指標(biāo)采用了7級(jí)分度[15],其分級(jí)如表2所示。
根據(jù)PMV值提出者的理念,空調(diào)節(jié)能和舒適性的理想狀態(tài)實(shí)質(zhì)是找到人群的舒適性與節(jié)能間一個(gè)相對(duì)合理的平衡點(diǎn)。理想狀態(tài)下,PMV值為0,此時(shí)人體感覺(jué)最舒適[16],但在實(shí)際中很難保持一個(gè)時(shí)間段內(nèi)PMV恒為0。因此,默認(rèn)設(shè)定熱舒適的PMV值區(qū)間為[-0.5,+0.5]。
3.2.2 舒適性節(jié)能控制調(diào)節(jié)
空調(diào)開(kāi)機(jī)后將經(jīng)歷以下階段??照{(diào)開(kāi)啟后室溫降低,當(dāng)用戶適應(yīng)了室溫后進(jìn)入舒適性節(jié)能控制階段,即根據(jù)默認(rèn)PMV區(qū)間調(diào)節(jié)空調(diào)運(yùn)行。例如,制冷季若實(shí)時(shí)PMV值大于0.5,表征人體感覺(jué)偏熱,空調(diào)智能控制器發(fā)送紅外指令控制空調(diào)進(jìn)入制冷模式降溫;若PMV值小于0.5,表征人體感覺(jué)舒適,則空調(diào)智能控制器發(fā)送紅外指令控制空調(diào)進(jìn)入節(jié)能停機(jī)模式,在調(diào)節(jié)過(guò)程中,平臺(tái)根據(jù)用戶調(diào)整行為及時(shí)調(diào)整室內(nèi)溫濕度等修正PMV區(qū)間。
4、節(jié)能效果分析
根據(jù)國(guó)家發(fā)布的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[17],以國(guó)家規(guī)定夏天空調(diào)溫度設(shè)定不低于26℃為準(zhǔn)[9],夏季空調(diào)溫度每提高1℃,可節(jié)省6%左右的電能,通過(guò)對(duì)分體空調(diào)在使用過(guò)程中溫度范圍的規(guī)定,以及在不同場(chǎng)景下對(duì)分體式空調(diào)控制策略的動(dòng)態(tài)優(yōu)化,相較于傳統(tǒng)的空調(diào)使用方法,其在使用過(guò)程中的節(jié)能率可達(dá)12%~18%。結(jié)合平臺(tái)對(duì)空調(diào)使用時(shí)間進(jìn)行集中管理的功能,按照辦公區(qū)每臺(tái)空調(diào)每天8h的使用時(shí)間計(jì)算,假定1臺(tái)1.5P空調(diào),每日減少1h的使用時(shí)長(zhǎng),預(yù)計(jì)每日將節(jié)約10%的電能。二者綜合可得,應(yīng)用空調(diào)節(jié)能技術(shù)管理平臺(tái)后,每臺(tái)空調(diào)每日將實(shí)現(xiàn)約20%的節(jié)能效果。
5、結(jié)論與展望
空調(diào)節(jié)能管控平臺(tái)利用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù),將傳統(tǒng)方式難以管控的分體空調(diào)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)集成,實(shí)現(xiàn)了分體式空調(diào)集中管理。平臺(tái)可以對(duì)房間內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析;采用硬件和管理平臺(tái)結(jié)合,適用于分體空調(diào)多種應(yīng)用場(chǎng)景;平臺(tái)可以集監(jiān)測(cè)遙控、優(yōu)化節(jié)能、資產(chǎn)管理等功能為一體,實(shí)現(xiàn)空調(diào)的節(jié)能優(yōu)化及對(duì)空調(diào)的統(tǒng)一管理;通過(guò)對(duì)使用過(guò)程中電流波形的監(jiān)測(cè)和診斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的故障判別和預(yù)警;通過(guò)建立空調(diào)設(shè)備臺(tái)賬,實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的資產(chǎn)管理。應(yīng)用空調(diào)節(jié)能管控平臺(tái)后,空調(diào)節(jié)能效果明顯,可以為建筑行業(yè)碳減排綜合策略提供參考。
在后續(xù)的研究中,可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)平臺(tái)的功能。例如,可以在系統(tǒng)中嘗試增加門磁傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的感知與管理;通過(guò)對(duì)人體探測(cè)器的使用,為空調(diào)集中管理策略提供判斷依據(jù)等。此外,隨著未來(lái)對(duì)傳感器類型及策略應(yīng)用的進(jìn)一步豐富,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)節(jié)能管控平臺(tái)在統(tǒng)一管理決策方面的多維度數(shù)據(jù)支撐,以此進(jìn)一步拓展如傳感器聯(lián)動(dòng)控制、AI舒適節(jié)能控制等更加豐富的云端功能,進(jìn)而達(dá)成對(duì)空調(diào)等用能設(shè)備的全計(jì)量、全感知、全控制及全管理的多維度節(jié)能減排效果。
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