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空调节能管控系统解决方案

发布时间： 2024-07-17　　点击次数： 2364次

背景介绍

随着城市节能改造与绿色建筑的实施，实现建筑节能减排已成为当务之急，空调作为公共建筑能耗的主要设备，其能耗约占建筑能耗的60%，超过了照明、电梯、办公设备的总能耗。因此建筑的节能减排的重点在空调系统。

空调长期在重负荷运行，在增加空调故障率同时，寿命也将大大缩短。合理设置空调温度，科学管理空调的运行，既能提供比较健康、舒适的室内环境，满足正常的工作、生活需要，又能节约能源，保护生态环境，是一件利国利民的好事。据测算，在正确使用空调的前提下，制冷空调温度每提高1℃，可节电8%；热空调温度每降低2℃，可节电10%。可见，制冷温度调得过低或者制热温度过高导致的电能浪费是惊人的。对于楼宇管理者而言，无法实时管理、监测、控制所有的空调运行状态，造成能源损耗的巨大浪费。

空调系统现状

空调无法进行统一的用能、使用习惯、空调效率等大数据分析，从而无法衡量各个空调的工作情况，一些较复杂的优化控制策略无法实施。
分散控制，无法进行集中的节能管理(包括室温管控)，容易出现使用人员离开而空调仍照常开启运行的浪费能源。
人们进入房间后为了快速制冷或快速制热，总是将空调的调定值调得很低或很高，但当温度达到过低或过高后又不去把调定值恢复到正常设定值，造成了大量能耗。如果人员节能意识淡薄，过冷或过热时开窗散热的话，能耗更会惊人。
在不需要使用空调的季节及下班、周末、节假日等特殊时间段，可设置空调为禁止开机模式。
个别人员过度追求舒适度，在夏天空调运行在制冷16℃，冬天运行在制热30℃，导致过高的空调能耗及舒适度的损失。
责任主体量化节能问题。无计量，无量化指标，责任主体不明确，节能手段欠缺。
因为空调的过度使用，导致空调寿命降低。

空调节能改造效益分析

1.经济效益

1)时段管控，通过设置允许开机时段及禁止开机时段，即可以解决下班忘记关空调的情况，也可以解决在某些季节（春秋季）、周末特殊时段，直接不允许开机。

2)温度限制的管控；在人们使用空调时，常常因为刚进入房间为了急用达到所需要的舒适温度而在制冷时设置温度为16℃，制热时制热温度为最高的30℃，之后因为疏于注意而使空调长时间处于高负荷下运行。而温度管控的目的就是设置制冷、制热的一个温度限制，比如设置制冷温度为24℃，制热温度为20℃，通过这种方式实现节能。

2.管理效益

1)系统运行数据实时远传、实时监控，全面监控空调系统运行情况，对异常开启及故障空调及时处理。

2)实行能源数据及能耗指标的统计、分析、管理，实现能耗曲线。

3)设定自动启停计划任务、开机模式，实现定时自动启停。

3.社会效益

1)积极响应国家节能减排号召，完成国家节能减排目标，建立节约型社会。

2)降低建筑单位面积能耗，减少CO2排放量，改善气候环境。

3)通过空调管控，响应国家对公共建筑空调温度不低于26℃的规定，把国家政策落实到实处。

一、分体式空调节能控制方案

以某个校园分体式空调改造为例：分体式空调数量为 1396 台，其中挂机空调管家 788 台、单相柜机空调管家 448 台、三相柜机空调管家 160 台。智慧空调节能监控实现方式：空调运行信息通过每台空调的空调管家控制器上传至云平台系统服务器，系统平台通过空调管家控制器一键开关、定时控制/课程表控制、温度范围限制、强制禁用。

空调管家控制器安装示意图：

1.1系统方案架构

1.2系统功能

1）监控数据：空调开关机状态、运行模式、设置温度等各种状态的数据；可远程遥控每台空调开关机或调节模式、温度、风力；各房间的实时温湿度采集和显示；空调用电的统计。

2）报警功能：空调缺氟、冷凝器堵塞、室内风机故障、室外风扇异常、室内滤网脏堵、毛细管或过滤器堵塞等报警和预警。通过故障报警和预警，可以从容安排集中维保，避免零散的分次维修造成整体费用上升。

3）数据分析：利用空调管家上报的各类数据，可以做到对空调运行信息的实时分析与故障报警。通过大数据和云技术提供了全面准确的信息和管理手段。根据故障紧急情况，自动划分维修优先级，将非紧急故障集中批量生成维修工单，避免零散报修推高维修的人工成本对报修工单的执行过程提供全流程督办；对维修效果进行确认，避免二次维修；通过故障早期预警，可以从容安排集中维保，避免零散的分次维修造成整体费用上升，也能最大限度减少紧急维修的概率，从总体上显著降低维保成本。

1.3方案优势

空调管家采用全无线部署，就地安装，无需对空调设备做任何改造，不影响空调保修，不影响空调遥控器的正常使用，实现精确到每台的分体式空调的专项计量。系统采用了物联网LoRa 无线通讯，一个智能网关可以覆盖一层楼宇，接入节点可达 60 个。空调管家与智能网关之间采用数据加密的无线通讯。系统通过物联网技术产品做到随时监控，大数据和云技术提供全面准确的信息和管理手段。系统采用 B/S 架构，用户无需安装客户端软件，即可在电脑、手机或平板上登陆管理系统，查看历史和实时的用电、节电数据和故障信息，实现空调用能和运维的精细化管理。多种控制策略实现集中遥控，包括分区一键开关机、定时开关机、温度范围限制、强制禁用、授权额度控制等。

实时优化空调运行，在满足舒适度的前提下，实现节能效益。提供空调健康度评估，并对故障进行早期预警。对部分故障还可利用核心技术之一的“动态修复技术"，延长故障空调的压缩机寿命，减小设备折旧费用。根据诊断的故障自动生成工单，对维保进行全流程督办，并通过运行数据对实际维修效果进行确认，避免虚假维修及二次维修，极大提高维保管理效益，有效降低综合维保成本。提供空调资产管理，建立包括空调型号参数、使用场所、健康度、历史故障及维保记录等详实的信息，并通过大数据分析为设备更换和采购提供数据支持和科学建议。

1.4系统主要硬件组成

1.4.1 AC220V空调智能节能控制器

空调智能节能远程控制器QTAC220S空调管家是以节能、管理、远程集中控制为目的的一种新型壁挂式空调远程控制器，适用于办公室、宿舍、酒店等壁挂式空调应用场所，配置有万能码库，红外学习、控制模块，强制电源控制模块，远程通讯模块，电源管理模块，自控模块。QTAC220S采用纯平面板设计且搭配了高清VA显示屏使空调实时数据清晰直观。QTAC220S配置的万能码库，可实现一键自动匹配空调红外遥控指令，适用于市场上99%的分体空调。对于特殊空调QTAC220S还配置有红外学习模块能学习所有带遥控器的空调及其他设备的红外码值，模拟遥控器发送控制指令。控制器控制空调不需要改装或拆装空调(不影响空调原保修服务)，使空调远程控制更智能，更简单。

QTAC220S适用于学校、医院、办公室、工厂，宿舍等有人环境下的分体空调节能集控应用。

QTAC220S

1.4.2 AC380V空调智能节能控制器

空调智能节能远程控制器QTAC380S空调管家是以节能、管理、远程集中控制为目的一种新型空调远程控制器。配置有红外控制模块，强制电源控制模块，远程通讯模块，电能管理模块，自控模块，QTAC380S的红外控制模块能学习所有带有遥控器的空调及其它设备的红外码值。模拟遥控器发送控制指令，控制器控制空调不需要改装或拆装空调。使空调远程控制更智能，更简单。

针对380V大功率分体空调，QTAC380S工业版380V空调控制器配置有大功率交流接触器，可以安全有效的控制380V空调电路的断开和闭合。

QTAC380S适用于学校、医院、办公室、工厂等有人环境下的空调节能集控应用。

QTAC380S

二、中央空调节能控制方案

2.1 前端集中管理控制方案

以集中管理为手段，节能减排为方向，采用中央空调多联机控制方案，通过RS485通讯、以太网方式对某大楼的35台外机和466台内机进行远程控制与数据采集，实时查看各空调设备运行状态，以及远程实现远程开关机、升降温、制冷制热等模式转换功能，解决中央空调集中管控难，人为的能耗浪费等问题，进一步提升空调智能化管理水平，实现空调设备的节能管理，为管理方创造效益。

2.1.1 控制原理

智能采集器将所采集的空调数据统一发送至智能主机，智能主机将数据信息一并上传至云端，也可以从云端顶层下发空调控制指令，先经过智能主机，通过智能主机再下发至相应的采集器模块，最终由与空调实际连接的采集器实现对空调内机的智能控制。

通过局域网服务器或电脑便可实现对多联机空调系统的智能控制，可以根据所监测室内温度、空调运行状态等信息，对所监测房间的空调进行远程智能节能化控制管理，合理地控制室内空调温度，提供良好的室内空气品质，从而使传统空调更加节能、智能、舒适。

基于分布式架构，管理员可以通过浏览器登录该控制系统，可根据用户的需求，对任意一台机组或多台机组的室内机实现开启，温度，模式等设置。

2.1.2 系统方案架构图

智能采集器采集的空调运行数据和电表采集的能耗电量通过智能主机传输到系统管理平台，平台下发的控制命令通过智能主机下发给智能采集器控制空调状态，承担着数据汇聚、保存及控制指令下发的作用。

2.1.3系统功能

（1）实时监控

通过软件平台实现各个空调的远程状态实时监控，可远程查看空调的状态、运行风速、模式、定时情况、设定温度和当前温度。

（2）本地控制及远程控制

该系统可通过平台对各个空调进行远程控制，实现风速、温度、模式、定时等远程设置。下班时，管理人员可以通过该功能关闭办公人员忘记关闭的空调，实现管理节能的目的。上班时，管理人员可以远程查看每个办公室是否按照规定把空调调节在适当的温度，如果不符合国家有关规定，可以远程对其进行调节，进而达到节能的目的。

（3）温度管理

1)开机运行节能温度

定时/手动开机时，默认预设的温度值，支持远程设置节能温度值；

2)限定运行温度调节范围

制冷/热模式下的温度仅在预设温度范围内调控，可远程修改温度调节范围值；若出现用户违规操作也将自动纠正温度；

（4）时间管理

定时自动关机，每天可设置多个关机时间点；

远程开关机；

特殊情况下，支持后台远程控制空调开关机状态；

日程管理，查看历史开关机记录；

（5）权限设定

可分组对特定群组进行权限设定；

对空调面板/线控器进行锁定，即禁用线控器；

设定空调来电后自动开启或手动开启两种模式；

2.1.4 系统主要硬件组成

2.1.4.1 智能通讯网关机

QT290G是一款标准LoRaWAN™协议的室内网关。可连接标准的LoRaWAN终端并进行双向通信，通过标准的以太网接口连接网关到公司的NS（网络服务器），可扩展支持4G/LTE实现数据上传，本地支持 IP/WiFi-AP Web 配置网关的工作频点和指向的网络服务器等相关参数。

基于工业级硬件平台设计，全金属外壳，支持 PoE/DC12V 供电，具备覆盖距离远、功耗低、运维简单的特点。允许接入各类 LoRa 应用节点。

2.1.4.2 空调面板温控器

基于LoRaWAN的智能液晶数字恒温控制器，适用于风机盘管、电动阀、电动风阀、电动风口、地暖、壁挂炉、热水器及供热设备的温度控制。采用大屏幕液晶显示，自动调节冷暖气的进气量和开启或关闭管道电动阀，达到保持室内恒温的目的。空调面板可以直连内机，不需要外部供电，也不需要加任何转接设备，可以替换原厂线控器，也可以与原厂线控器并用，控制会互相同步状态。

2.2 空调机组节能控制

（1）空调系统调控

中央空调系统主要由冷热源主机系统（又称“制冷剂循环系统"）、冷冻水循环系统、冷却水循环系统以及多个空气调节系统（又称“末端空调箱系统"）组成。

主要控制组件包含五部分：

①制冷主机 ②冷冻水泵 ③冷却水泵 ④冷却塔 ⑤末端空调箱

空调主机接入。每台冷水机组对应一个具备标准化需求响应通信功能的通信控制板，每个通信控制板统一安装在冷水机组操作面板箱内。根据冷水机组操作面板箱内的空间，合理安装通信控制板，根据箱体和通信板的各自的大小和固定方式进行灵活安装。如果原有操作面板箱内没有剩余空间，则需要定制通信控制板安装柜，用于通信控制板的安装。

冷冻水系统监测调控。在冷冻水出、回水管道分别安装温度传感器，实现冷冻水出回水温差采集。在冷冻水系统安装边缘控制器柜，采集传感器上送的水温等数据，冷冻水泵和冷水主机的运行状态参数，通过控制柜内置的本地策略对主机和冷冻水泵进行优化控制，实现冷冻水泵追踪冷冻水出回水温差自动变频运行。调控方式：根据冷冻水系统的供回水温差，匹配系统需冷量，调节冷冻水泵频率；匹配冷水机组最佳运行效率曲线，调节冷水机组运行数量。

冷却水系统监测调控。在冷却水出、回水管道安装温度传感器，实现冷却水出回水温差采集；选取合适地点，安装室外温湿度传感器，实现室外温湿度采集；在冷却水系统安装边缘控制器柜，采集冷却水泵和冷却塔风机的运行状态信息，通过逻辑控制程序对冷却塔风机进行精细控制，实现冷却水泵的启停和冷却塔冷却风机的智能分组控制。调控方式：根据冷却水系统供水温度、回水温度和室外温湿度等参数变化，匹配系统所需冷量，调节冷却塔风机的运行数量，从而降低冷却系统的能耗。

末端空调箱系统监测调控。末端空调箱回风管加装温度传感器实现对所在区域环境温度的实时采集并计算末端需冷量。安装末端空调箱的边缘控制器柜，通过逻辑控制程序调控末端空调箱电磁阀开启度，实现末端冷量的匹配调节，降低能耗。调控方式：结合末端空调箱对应区域风口温度，识别末端冷需量，通过控制电磁阀开度来调节不同区域冷量，实现区域冷量化匹配，从而减少不必要的冷量浪费。

表1——中央空调系统改造措施汇总表

子系统	改造前	改造措施
制冷剂循环子系统	根据出回水温差自动优化运行，与其他子系统缺乏联动。	纳入节能系统，实现与其他子系统联调优化控制。
冷冻水循环子系统	不能根据冷冻出回水温度进行变频运行。	1.纳入节能系统，实现与其他子系统联调优化控制；
		2.完成冷冻水循环管网出回水温度采集改造；
		3.完成冷冻水泵运行状态监测改造；
		4.完成冷冻水泵实时变频运行改造。
冷却水循环子系统	不能根据冷却水出回水温差进行冷却塔风机运行数量控制。	1.纳入节能系统，实现与其他子系统联调优化控制；
		2.完成冷却水循环管网出回水温度采集改造；
		3.完成室外温湿度采集改造；
		4.完成冷却塔风机运行状态监测改造；
		5.完成冷却塔风机数量优化控制改造。
末端空调箱子系统	不能匹配末端空调箱对应区域的温度进行精准调控。	1.纳入节能系统，实现与其他子系统联调优化控制；
		2.完成末端空调箱对应区域温度采集改造；
		3.完成末端空调箱运行状态监测改造；
		4.完成末端空调箱冷量控制改造；
		5.识别末端需冷量，调节主机制冷量出力，实现整体系统动态寻优运行。

（2）电量信息分项测量

中央空调侧需要增设一定数量的计量器具，获取相关用电系统和用电设备的电量和负荷信息。所需数据主要包括：用户的总用电量及负荷、中央空调系统总电量及负荷、中央空调系统设备分电量及负荷。为了确保能够实现对用户总电量、中央空调系统总电量、照明系统总电量、中央空调系统设备分电量计量的采集要求，用电信息的采集按照三级计量方式进行。

一级计量。一级计量主要是为获取用户总用电信息，包括：用户总用电量和用户总用电负荷，如用户楼控系统已覆盖其所有变压器，一级计量的数据可直接通过系统对接方式获取。

二级计量。二级计量主要获取用户中央空调系统总用电信息。中央空调系统总电量、总负荷主要通过空调主机、冷冻水泵、冷却水泵冷却塔和末端设备的用电信息之和得到。如用户楼控系统已覆盖中央空调系统的所有设备，可直接通过系统对接方式获取相关数据。如没有覆盖，则完善设备分项计量并求和。

三级计量。三级计量主要获取用户中央空调系统下的设备级用电信息，计量实施内容如下表。

表2——中央空调系统设备级分项计量汇总表

计量范围	约束条件	计量一般要求
主机	所有（常用和备用都装）	每台主机（冷水机组、风冷热泵机组等）都安装1块独立计量智能电表
循环水泵	有总出线时	每条总出线安装1块计量表计
	无总出线时	有多个冷源站的用户，循环水泵不计量
	无总出线时	只有1个冷原站用户，每台水泵安装1块智能电表进行计量。
冷却塔	所有	同一配电室内并且冷却塔为单独供电，在冷却塔总出线处安装，每1条出线安装1块智能电表
末端设备	风机盘管	不安装智能电表
	供电分散、复杂	如果末端设备分布于多个变配电室内，不需安装智能电表
	同一个配电室且独立供电	每个末端设备的低压配电柜上安装1块智能电表