【摘要】：空调系统能耗在建筑能耗中占据较大比重，随着铁路的快速发展，铁路车站及办公区的空调使用数量日益增加，其节能降耗潜力明显。基于物联网和云计算技术的深度融合开展空调系统节能管控平台研究，实现空调的实时监测、远程控制、智能开关机、人体感应、实时监测温湿度及耗电量等功能，达到了智能互联、智慧节能的目的。
【关键词】：物联网；空调智能控制；大数据节能监测；节能
在“碳达峰”“碳中和”的目标背景下，低碳绿色已逐渐成为未来全球产业发展的主旋律，减少碳排放已成为国际社会共识[1-2]。空调系统是公共建筑中重要的基础配套设施，其能源消耗在我国建筑能耗中占据较大比重[3]，在节能降耗方面存在巨大潜力。近年来，针对空调系统节能方面的研究越来越多，刘兴成[4]研究了基于Transformer神经网络的空调系统能耗预测模型构建和参数优化方法；赵植竹[5]对机场航站楼空调系统运行能耗模型进行了优化研究；朱恩华[6]进行了基于群智能的暖通空调系统调控方法与应用策略研究，探析了中央空调系统群智能控制系统的基础要素和机电设备特征；范颖慧[7]研究了地铁车站空调系统的节能控制策略；刘俊等[8]研究了典型车站能耗监测系统，并对车站进行了能效分析。
随着科技的进步和经济的快速发展，铁路网络已经遍布大江南北，铁路的快速发展不仅提高了交通运输效率，也促进了区域经济的繁荣和人民生活水平的提升。伴随着铁路运营里程的增加，铁路系统中空调的占有率和使用频率越来越高，能耗也随之加大，尤其是在实际工作中，空调管理在设备状态更新、运维统筹管理、运行状态监控、设备使用寿命等方面较为粗放，铁路空调系统节能的管理需求明显增加。本文基于物联网和云计算技术，提出空调系统的节能管控平台研究，助力推动企业节能减排工作。
1、研究背景及支撑
根据调研，目前企业办公场所夏季空调运行温度设置在22℃~24℃、冬季空调运行温度设置在26℃以上，超过国家关于办公场所空调温度夏季不低于26℃、冬季不高于20℃的规定[9]，有研究表明，空调设定温度夏季每降低1℃、冬季每升高1℃，可造成约6%~8%的电能消耗增长[10]。虽然企业已经认识到合理控制空调温度的重要意义，但由于空调设置温度缺乏监督控制技术手段，因而很难严格执行空调运行温度标准。同时，由于空调维护信息缺乏，管理人员无法及时获取空调故障或不规范操控等信息，不能及时进行维护，也可能进一步影响空调使用寿命，导致能效不高，造成能源资源浪费。
目前铁路行业建筑中分体式空调数量众多、安装分散，如果主要依靠人工管理，则存在效率低、成本高的现象，并且用能管控难度较大；此外，铁路空调系统管理方面需要更为有效的技术手段，避免出现空调未在科学管理下合理使用而导致的用电浪费现象。依据国家、北京市和铁路行业的总体节能要求，同时结合国务院《绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》(国发〔2021〕4号)、《国铁集团关于进一步加强用电管理的指导意见》(铁财函〔2022〕146号)及《中国铁路北京局集团有限公司关于下达2022年节能环保重点工作安排及指标计划的通知》(京铁计函〔2022〕227号)、《中国铁路北京局集团有限公司关于进一步加强用电管理的实施意见》(京铁计函〔2022〕486号)等文件有关节能要求，重点推动空调系统能源管理技术平台建设工作。针对目前铁路行业内建筑空调设备状态及用能现状，通过深入分析现有系统的运行效率与能耗水平，找到可以优化的空间。在此基础上，开展基于物联网搭配云计算技术下的空调节能管控平台研究，以实现对空调设备的精准控制和高效管理。
2、空调节能管控平台
2.1 系统架构
空调节能管控平台采用3层无线通讯架构，即应用层、网络层和设备层[11]。其中，应用层基于物联网搭配云计算技术下的空调运用管理，提供给用户实时的应用服务；网络层智能网关上行采用专用网络的方式上传数据至云平台，接收平台调控指令，下行无线Lora接收智能插座面板主机数据，转发平台调控指令[12]；设备层智能插座面板采用Lora及2.4GHz双向无线，无线Lora连接至网关，2.4GHz接收无线传感器数据。空调节能管控平台系统架构如图1所示。
空调节能管控平台主要包括无线传感器、空调管家、智能网关、智慧平台。其中，无线温度传感器通过2.4G或蓝牙通讯将数据传输给空调管家，空调管家将采集的数据通过LoRa通讯或RS485通讯将数据汇总到智能网关，最终由智能网关通过专用网络将数据传输到智慧平台。
2.1.1 平台管理中心
管理平台由数据服务器、控制管理系统、网关组成，是整个空调运用节能技术管理平台的管理中心，主要完成对整个空调控制网络中各空调运行状态的采集、分析、监测和控制，用户权限管理，设备管理划分，节能控制管理，责任人接收报警通知，空调运行参数设置，空调权限控制等功能[13]。
2.1.2 网络传输
网络传输的主要功能是与各空调管家进行通讯，将各空调需采集的数据发回至控制中心，把控制中心的控制命令下发到各空调，对各在线空调实现远程实时监控和控制。
2.1.3 数据传输安全性
在数据传输安全方面，智能网关与空调智能控制器之间可选用物联网最新技术LoRa。在LoRa技术架构上，开发了一套自动组网协议，无需人工干预即可完成自动组网，并且设备未经授权不会被允许加入，在极大简化现场部署的同时，保证了设备局域网的安全性。空调智能控制器与智能网关之间、智能网关与云平台之间，均采用了数据加密，以确保通讯和数据安全。
2.1.4 数据管理技术
在数据管理方面，系统运用了关系型数据库管理系统MySQL主从切换技术，通过使用MySQL+Kee‐palived来解决在1台数据库发生了宕机或意外中断等故障，保证业务不会因为数据库的故障而中断，尽可能减少停机时间。2台MySQL服务器设为主从关系，用Keepalived实现虚拟IP，再通过Keepalived自带的服务监控功能来实现MySQL故障时自动切换。如果作为Master(主数据库)的MySQL服务器停止服务的话，Keepalived将通过执行keepalived_check_mysql.sh脚本，将MySQL的服务切换到Slave(从数据库)。针对数据的一致性问题，系统利用MySQL主从复制来解决，确保用作备份、只读副本等功能的Slave的数据和Master的数据实时或最终保持一致。从库开启一个I/O线程，向主库请求Binlog日志。主库开启一个binlogdump线程，检查自己的二进制日志，发送给从库，从库将接收的数据保存到中继日志(Relaylog)中，执行Relay中的操作完成MySQL的主从复制，确保Slave的数据始终与Master保持一致。MySQL服务器主从模式如图2所示。
2.2 主要功能
结合空调系统节能要求及管控需求，空调节能管控平台开发功能如下。
（1）统计与分析功能。平台可以对接入的空调设备进行运行状态、运行时长、耗电量等管理分析，实现电能数据采集计量，根据功率因数、电流电压、使用状态等提供空调专项电量统计，并通过云计算技术进行能耗分析和对标，为精细化管理提供数据支持[10]。
（2）智能运行监控功能。平台可以实时监控空调运行状态，实现温度智能设定，风速控制和定制时间表模式。
（3）实时数据记录功能。平台可以实现实时抄表、实时管理、定时管理、温度感应等功能，并对空调进行节能运行优化，显著降低能耗开支。
（4）故障诊断与维保监督功能。平台能够实现对空调故障进行及时诊断和报警功能，并自动形成工单，实现维保全流程自动管理。
（5）资产数字化管理功能。平台可以完成空调设备固定资产的数字化管理，通过空调健康度评估、故障历史记录等参数的分析，为空调资产管理提供科学决策依据。
此外，空调运用节能技术管理平台及相关物联网设备还具有自主学习、发送功能，能够实现能耗数据统计分析，能耗数据采集实时上传、高低峰数据分析、用电量统计和在线管理等功能。
空调节能管控平台主要功能如表1所示。
3、空调优化控制策略
3.1 优化控制策略模型
分体式空调应用场景广泛，按空调安装场所可划分为客房/宿舍、办公室、会议室、教室/实验室、机房/基站/变电站等。为了进一步提升节能减排成效，本系统搭建了基于TCP/IP协议网络下空调节能管控平台以实现对不同场景下的分体式空调的集中管理工作[14]。各类应用场景可选用适宜的控制策略。例如，办公室、会议室、教室/实验室可选用定时控制、天气联动控制、远程控制、温度范围限制、传感器联动控制等策略；客房/宿舍可选用基于人体舒适性的节能控制、用电定额控制等；基站/机房/变电站则可采用以温、湿度为控制指标的空调优化控制策略等。优化控制策略模型如图3所示。
3.2 优化控制策略示例
以办公室或宿舍场景为例进行优化控制策略说明。
3.2.1 热舒适PMV值确定
预测平均评价(PredictedMeanVote，PMV)指数是以人体热平衡的基本方程式及心理生理学主观热感觉的等级为出发点，考虑了人体热舒适感诸多有关因素的全面评价指标。PMV指标采用了7级分度[15]，其分级如表2所示。
根据PMV值提出者的理念，空调节能和舒适性的理想状态实质是找到人群的舒适性与节能间一个相对合理的平衡点。理想状态下，PMV值为0，此时人体感觉最舒适[16]，但在实际中很难保持一个时间段内PMV恒为0。因此，默认设定热舒适的PMV值区间为[-0.5，+0.5]。
3.2.2 舒适性节能控制调节
空调开机后将经历以下阶段。空调开启后室温降低，当用户适应了室温后进入舒适性节能控制阶段，即根据默认PMV区间调节空调运行。例如，制冷季若实时PMV值大于0.5，表征人体感觉偏热，空调智能控制器发送红外指令控制空调进入制冷模式降温；若PMV值小于0.5，表征人体感觉舒适，则空调智能控制器发送红外指令控制空调进入节能停机模式，在调节过程中，平台根据用户调整行为及时调整室内温湿度等修正PMV区间。
4、节能效果分析
根据国家发布的《公共建筑节能设计标准》[17]，以国家规定夏天空调温度设定不低于26℃为准[9]，夏季空调温度每提高1℃，可节省6%左右的电能，通过对分体空调在使用过程中温度范围的规定，以及在不同场景下对分体式空调控制策略的动态优化，相较于传统的空调使用方法，其在使用过程中的节能率可达12%~18%。结合平台对空调使用时间进行集中管理的功能，按照办公区每台空调每天8h的使用时间计算，假定1台1.5P空调，每日减少1h的使用时长，预计每日将节约10%的电能。二者综合可得，应用空调节能技术管理平台后，每台空调每日将实现约20%的节能效果。
5、结论与展望
空调节能管控平台利用物联网和云计算技术，将传统方式难以管控的分体空调进行联网集成，实现了分体式空调集中管理。平台可以对房间内的温度、湿度进行实时监测与分析；采用硬件和管理平台结合，适用于分体空调多种应用场景；平台可以集监测遥控、优化节能、资产管理等功能为一体，实现空调的节能优化及对空调的统一管理；通过对使用过程中电流波形的监测和诊断，实现对空调的故障判别和预警；通过建立空调设备台账，实现对空调的资产管理。应用空调节能管控平台后，空调节能效果明显，可以为建筑行业碳减排综合策略提供参考。
在后续的研究中，可以进一步开发平台的功能。例如，可以在系统中尝试增加门磁传感器，实现对室内环境状态的感知与管理；通过对人体探测器的使用，为空调集中管理策略提供判断依据等。此外，随着未来对传感器类型及策略应用的进一步丰富，可以实现对空调节能管控平台在统一管理决策方面的多维度数据支撑，以此进一步拓展如传感器联动控制、AI舒适节能控制等更加丰富的云端功能，进而达成对空调等用能设备的全计量、全感知、全控制及全管理的多维度节能减排效果。
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