智能空调结合云计算技术的节能环保前景

翁轶能　李斌　裴艳霞　杨吓逢　刘辉　朱紫燕　李雯　祝梦燕　谢红丽　唐天明　楚晓晨　余婉　梁世佳　沈涛　朱雨蓉　陈婷婷　周密　张升强　吕承谦　吴伊静　袁承凤　楼佳乐

摘要：指出了自改革开放以来，中国经济建设取得了巨大成就，但以牺牲自然资源为代价换取物质产出不断增长的传统发展模式尚未根本转变。由于环境紊乱和生态恶化长期累积效应，显现主要污染物排放超过环境承载能力、生态系统功能退化、能源保障能力不足等问题。为改善国家能源安全状况及解决环境问题，从日常生活中常见的空调节能入手，并结合云计算技术分析了一个应用实例，为可持续发展社会提供数据基础。

关键词：能源短缺；空调节能；云计算技术；空调节能效益

中图分类号：TP3

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）20015905

1引言

能源、水和粮食是人类赖以生存不可或缺的三大要素，其中的“能源”通俗意义上讲就是能量的来源，它是能为人类提供某种形式能量的自然资源或者其转化物质。能源作为国民经济发展和人民生活所必需的物质基础，对提高人民生活水平和促进社会发展有着重要的作用。能源在现代工业生产中的地位极其重要，生产机械设备的运作离不开能源；现代化的交通运输依赖于能源；海上、陆地、空中的各种交通工具需使用各种能源；能源在国防建设中也起着重要的作用——现代化的国防必须依靠能源工业；人们的日常生活和办公事业也消耗着大量的能源。由此可见，能源在生活中非常重要，为了使人们加深对能源的了解，将能源进行了基本分类。

一次能源和二次能源。由自然界提供的能源叫做一次能源，如化石能源、水能、风能、太阳能等；由自然界提供的能源转换而来的能源是二次能源，如电能等。

可再生能源和不可再生能源。如化石能源（煤、石油、天然气）、核能等会越用越少且不可能在短时间从自然界得到补充的能源称不可再生能源；而水能、风能、太阳能、生物质能等可在自然界源源不断得到的属于可再生能源[1]。

目前应用较广泛的能源并不是取之不尽用之不竭的。随着科技水平的发展，人类对能源的需求与日俱增，随之而来的环境问题也愈演愈烈。

根据IEA①的估计，2006年全球城市能耗达到79亿t油当量，约占全球总能耗的2/3；而2030年这一比例将上升到3/4。我国正处于快速城市化发展阶段，城市化率每年以将近1%的速度增长，2008年城市化率达到45.7%，2020年预期将达到60.0%以上。根据2010中国新型城市化报告，2007年全国国内生产总值（Gross Domestic Product， GDP）排名前100位的地级及以上城市能源消耗惊人，仅有1个城市能源消耗未过100万t标准煤，有近一半数量的城市能源消耗超过了1000万t标准煤。百强城市用仅占全国2.7%的土地面积，承载着全国17.6%的人口，同时贡献了全国一半以上（高达52.5%）的GDP，但也消耗了53.0%的总能耗[2]。这些数据有力地支撑证实了城市不仅是经济、技术、人才集聚的高地，也是国家能源消耗的主体。

发展低碳城市是中国发展低碳经济、应对气候变化、面向“后京都时代”的必然选择。中国政府近期也提出了4个领域的能源革命战略，“推动能源消费革命，抑制不合理能源消费”、“推动能源供给革命，建立多元供应体系”、“推动能源技术革命，带动产业升级”、“推动能源体制革命，打通能源发展快车道”。

2空调在我国的发展

节能是我国国策，而建筑节能是节能工作的重中之重。城市建筑的能量转换系统，特别是加热、通风和空调系统，是今天主要的能源消费单位。以北京中关村国家自主创新示范区展示中心的东区展示中心为例，该项目空调系统能耗最大，占整个展示中心能耗的50%[3]。建筑能耗在我国整个能耗中的地比重越来越大，有97%属于高能耗建筑[4]。因而，落实城市节能减排工作

①国际能源署（International Energy Agency， IEA）是石油消费国政府间的经济联合组织。

对全球能耗降低将有极大的推动作用。相比传统建筑的高能耗，低能耗建筑的能耗可在此基础上降低70%～75%，发达国家甚至能达到零能源、零排放、零污染[5]。可见，建筑的节能潜力是巨大的。

30多年来，空调在我国的发展经历了4个阶段，即1985～1992年的空调认识期、1993～1999年的空调节能期、2000～2006年的健康空调认识期、在2007年开始全面进入健康空调普及期，与国际空调潮流完全接轨[6]。40年间，中国的空调产品从无到有，外形从简陋到精美，功能从单一到多样，而现阶段中国空调行业发展的艰难在于以奢侈品开场，以廉价品发展，同时还要接受健康、节能、环保的种种挑战。

在中国空调工业协会成立之初，空调行业在全国各类产品生产企业不足300家，到如今空调品牌、性能复杂繁多，发达地区几乎每家每户都安装起数台空调，在我国空调行业的发展也经历了4个阶段，即“行业基础建设阶段”、“行业快速發展阶段”、“行业技术实力逐步提升阶段”以及“行业技术实力大幅提升阶段”。

3空调使用中的不足

空调行业的发展固然是乐观稳健的，但在我国民用、公用及商用建筑中被使用的空调普遍存在着能耗过高的问题，一般的中央空调的能耗占整个建筑能耗的50%，而商场和综合大厦更是高达60%以上[7]。

空调作为人们日常生活中的耗电大户，其能源消耗是大家关心的一个重要课题，据初步计算，如果全国人民都使用一级能耗的空调，一年可节省约421 kW·h的电，两年即可省出一个三峡水电站[8]。然而事实并非如此理想，由于一级空调价格较高，群众更多地是选择使用二级或二级以上能效的空调。这些可以从空调能级相关的能效比定义进行进一步的分析。根据《房间空气调节器能效限定值及能效等级》（GB 12021.3-2010），能效比是指制冷量与电动机输入功率之比，简单来说就是制冷量与耗电量（输入功率）的比值；定频与变频有所差别。

以下为相关在4个城市的5个案例分析。endprint

以深圳市为例，深圳市的电力增长速度很快。据有关部门统计，2001年深圳市用电最大负荷为4178 MW，2002年深圳市用电最大负荷为4800 MW，较前一年增长了14.9%，2003年深圳市用电最大负荷达到5800 MW，该年增长了35.7%。而2004年以后，深圳用电最大负荷每年以1000 MW的速度增长，到2012年8月中旬达到了14265 MW，深圳市平时的用电负荷为6000～9800 MW，这些尖峰用电负荷是用来满足空调系统要求的[9]。

而在2006年对北京某栋普通住宅楼进行空调能耗调查的分析中显示，北京市住宅区空调装得多、用得少，平均能耗水平较低，但存在着各住户空调能耗差异很大、集中度很高的情况，20%的空调消耗大户消耗了全楼的70%空调能量[10]，若能控制该20%用户的空调使用量，则对住宅空调进行节能控制的作用巨大。

再如于2012年在对福州市某小区的用电调查中显示，夏季空调总耗电量占夏季总耗电量的比例为40.6%，空调是该地区夏季第一用电大户[11]。

2013年，在对武汉市采用分体空调和户式集中空调的住宅楼不同住户之间空调使用状况调查显示空调能耗存在很大的差异。32个采用分体空调的住户（均位于住宅楼D楼且为中户型和热工状况完全相同）中，空调能耗最大值为2180 kW·h，最小为92 kW·h，最大值约为最小值的24倍。18个采用户式集中式空的住户（均位于F楼且为中户型和热工状况完全相同）中，空调能耗最大值为2434 kW·h，最小值为356 kW·h，因而最大值约为最小值的7倍[12]。在客观条件相同的情况下，使用分体式空调和户式集中式空调的能耗存在很大差异，使用相同空调的不同用户间的能耗也存在很大差异，一定程度上可说明空调行为节能空间很大。

据相关调查结果显示，如将夏季的空调房设定的温度提高2℃，就可以削减北京空调峰值电力负荷10%～15%，即削减大约50～70万kW的电力高峰期容量需求。经测算，如果夏季空调温度提高1℃，空调能耗可降低8%，仅北京400万户家庭就可节省1.08亿kW·h的电[13]。

作为空调使用中的不良健康效应，由于人们长期待在空调房、在空调的使用的过程中，“空调病”也越发影响人体机能，如“干眼”症与颈椎不适。“干眼”症是因为人眼睛中泪液的量或质发生改变而对眼球表面造成损害从而导致眼部不适的一系列症状，现由于人们久居空调房，而房内空气不仅因为水分被空调抽干而干燥，而且空气混浊，这使得原本在秋冬季常见的干眼症变成了一年四季都可发生的病症[14]。夏季人们因贪凉而长时间待在空调房，则会使阳气内郁而热化，经络因此不能畅行从而导致感冒、颈椎不适等常见症状[15]。

4空调节能技术的现状与创新

一方面由于能源的紧缺，在建筑能耗上占极大比重的空调成为大众关注的对象；另一方面随着人们生活水平的不断提高，对身体健康也越来越重视。这迫使空调制造商在空调的节能技术上不断地寻找制高点，目前我国已获得一些传统技术上的成就，如制冷型空调节能新工艺中针对“节流型手段”及“开源”型策略的热能再利用技术和变频技术[16]；用于减少废气排放的空调蓄冷技术和以蒸发冷却式冷泵机组而降低能耗的核心技术[17]；提高一次能源利用率的空调燃气技术[18]；利用自然冷源的节能技术[19]等。

据以往的调查统计，曾针对若干名家中无空调的人员进行问卷调查。在“省电、不会忽冷忽热、安静、环保、其他”5个选项中，在被问及“您最看重节能空调的好处是以下哪项”的问题时，排在前两位的是省电和环保。可见未来空调的购买大军将空调的节能环保放在了首位。早在2012年2月，志高就推出了全球空调业智能化产品的代表作——云空调。据了解云空调具备的“使节能成为永恒”，符合制造业低碳需求，而云空调的精准制定使得能源不作无谓消耗也是节能的重要方面[20]，其为国家节能事业做出不小的贡献。

目前应用较广泛的有中央空调和分体式空调，中央空调系统由冷热源系统和空气调节系统组成。采用液体气化制冷的原理为空气调节系统提高所需冷量，用以抵消室内环境的冷负荷；治理热系统为空气调节系统提供以抵消室内环境热负荷的热量。制冷系统是中央空调系统至关重要的部分，其采用种类、运行方式、结构形式等直接影响了中央空调系统运行中的经济学、高效性、合理性。分体式空调由室内机和室外机组成，分别安装在室内和室外，中间通过管路和电线连接。它是一台内机对应一台外机，它与整体式空调器是相对的，整体式空调器是一体机，无内、外机之分；分体式空调室内机有壁挂式、立柜式、吊顶式、嵌入式、落地式。

基于现代科学技术，如果能将智能空调节能控制器安装在空调上，结合智能空调与云计算技术，空调使用者通过手机、平板电脑等移动设备在特定的应用程序（Application， APP）实现对空调进行便捷的智能化控制，以此实现降低空调能耗和保护人体的目的。

4.1智能化与云计算技术相结合的趋势

云计算的基本概念是透过网络将庞大的计算处理程序自动拆分成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。云概念的基本原理是通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将更与互联网相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统[21，22]。

智能空调节能控制器为一独立辅助控制器，适用于市场上绝大多数类型的空调。通过智能空调节能控制器，人们可以实时监测空调的工作状态，利用云计算技术，使用者或管理者可以在手机、平板电脑等移动设备上通过互联网在特定APP上远程调控空调的运行状态。智能空调节能控制器的性能参数包括定时开关机、智能温度锁定、智能感应温度开关机、智能人体感应开关设置、空调状态查询与设置[23]。在大型的建筑物中，能量消耗最大的就是空調系统[24]，而智能技术的应用是空调系统节能发展的必然趋势[25]。endprint

4.2智能化与云计算技术相结合应用实例

与某环保公司合作，在广州某外国语学校进行测试。

4.2.1测试场所概况

测试场所为该外国语学校两间教室，教室空间较大，安装了两台1.5匹挂式分体空调，两间教室数字电表已坏、不能使用。

4.2.2测试方案

由于现场条件的限制，数字电表不能使用，故节能模块的对比测试在一间教室进行。因为空调已经安装我们的节能控制器，某年七月十八日下午四点半至下午七点2 h内关闭节能模块节能功能进行对比测试，下午七点至晚上九点半2 h开启节能模块节能功能进行测试，通过对两段时间内的空调用电量及舒适度数据进行对比得出节能率（见表1）。

2017年10月绿色科技第20期

4.2.3测试依据及分析

地址：广州某外国语学校。

日期：2016.8.18。

房间大小及朝向描述：均为70 m2，南北朝向。

节省电量：0.8 kW·h。

节电率：（对比房间空调用电量-测试房间空调用电量）/对比房间空调用电量=（6.8-6.0）/6.8=11.0%。

注：对比房间是没有安装节能产品的房间，测试房间是已安装节能产品的房间。

4.2.4测试结果

测试结果进行对比得出的节能率为11.0%，舒适度相差不大，没有感觉到不适。

4.2.5结果分析

节能率偏低，舒适度适宜。综合以上所述分析得出以下结论。

（1）由于教室空调较大，空调匹数与室内面积不匹配，故空调开启之后降温时间过长，由于测试时间又较短，节能器启动时间过长，节能器工作时间太短，所以数据对比得出的节能率偏低。

（2）由于教室空调较大，空调匹数与室内面积不匹配。在温度适宜、舒适度相差不大的情况下，节能器启动之后，为了维持室内适宜温度，空调压缩机停止运行的时间较短，故节能率偏低。

（3）空调与空间不匹配的情况下，室内温度下降有限，根据现场测试情况，在有人及空调设置为17℃的情况下，室内温度最低只能降到25～26 ℃之间。而安装了节能模块的教室，节能模块启动之后的室温设置为26～27 ℃，此时安装模块与未安装模块教室温度差别不大，舒适度适宜的情况下，节能率肯定偏低。

（4）如果把模块的标准温度设置的高一点，节能率肯定会增加，因为在制冷的条件下，设置温度每升高1 ℃，空调节能5%～10%。但是这样会降低舒适度，得不偿失，不建议调高温度，推荐使用温度锁定功能！锁定温度设置为27 ℃。

（5）在空调匹数与空间相匹配的条件下，节能率不会低于20%，因为测试时安装节能模块与未安装节能模块的教室温度相差2 ℃左右，而大功率空调的节能效果更明显。所以节能率能够保证在20%以上。

4.3技术节能方案

4.3.1YH酒店客房用电现状

（1）YH酒店客房用电情况，以某年7～10月份为例，表2和表3是YH酒店提供的相关用电及开房数。

表27～10月电费

（2）从表2可以看出7～10月份的平均每间客房的所用电费是逐渐下降的，而且相对于8月中至9月底来看，9月底至10月底的电费降的幅度尤其大；而同样观察表3的7～10月份天气分析表，这几个月内的气温是逐渐下降的，尤其是9月底至10月底的温度比上月期间内总体平均温度下降了3.6 ℃，平均最高温度和平均最低温度也分别下降了2.9 ℃和4.2 ℃。从上述两个表的分析来看，房间所用电费与气温下降是成正比的；从期间内总体平均温度也可以看出，7、8、9月份平均气温比25 ℃均高出许多，而10月份的平均温度接近于人体最舒适的温度25 ℃。

（3）小結。从以上分析得知7、8、9月份气温较高，正是用空调制冷的时期，所以客房平均耗电量比10月份多很多，而10月份正是不冷不热的好天气，一般不怎么用空调。可以说，用空调的多少决定了客房的总用电量，空调用电量占了总用电量的很大比重。

4.3.2节能器的使用效益预测

酒店使用本节能器后，空调的用电浪费将得到有效控制，节能器可节约的电费分析如下。

（1）限制制冷最低温度及制热最高温度，节约用电。对于制冷节能，由于客人有不同的使用偏好，开空调盖棉被的现象普遍存在，宾馆行业不必要的制冷供热用电浪费现象十分严重。而据YH酒店工程部介绍，酒店客人大部是将空调调至17 ℃，而经验数据表明，26 ℃室温时，人体感觉最舒适，因此，可把这一温度作为空调系统自动调节的参考点。拿7～8月的天气来分析，客房空调设置26 ℃要比设置17 ℃要节能30%～50%，这里以保守30%为基数，从表2可以得知7月15日至8月14日客房所用的电费是201471元，客房中除了空调用电外还有照明、电视等用电，但空调用电估计会超过70%以上，保守以70%计算，则7月份每开一间房的节能约电费为：

28.8元×70%空调用电比例×30%空调节能率=6.0元。

其它月份由于气候的差别，节能率会有所差别，但每年是5～9月份的天气不会差别太大，因此，节能率也不会与7月份相差太大。

在有关制热节能方面，人体的最舒适温度是26 ℃，不管是太高还是太低都会影响舒适度，据相关数据总结，室温低于15 ℃时，人体会有冷的感觉，也是空调制热时期，而制热的耗电同样与设置温度有很大的关联，设置温度越高，空调耗电越多，空调制热设置30 ℃要比设置24 ℃耗能会多一倍。

在冬季将空调设置在22 ℃时人体已经有较好的舒适感，因为相对室外温度有7 ℃以上的温差，而酒店客人一般会将空调制热温度设置为28 ℃，甚至设置到30 ℃，显然是很浪费电的，如果拿制热26 ℃与制热22 ℃比较的话，耗电要多20%～40%，广州市有三个月的平均温度低于15 ℃（分别为1、2、12月），以保守20%的节能率省电也有非常可观的经济效益，因没有确切的制热季节用电相关数据，故在此暂不做更详细的分析。endprint

（2）延长空调使用寿命、减少维修费用节约的金额。不间断地使用，空调压缩机、散热风扇的电机等主要部件长期处于高温状态，很容易烧坏。每天停止运行一段时间后，空调机的使用寿命将得到延长，维修费用将会降低，按使用寿命延长20%来计算，原使用寿命为6年。

假设每台空调的价格为3000元，使用节能器前每年的折旧费为：

3000元/台÷6年=500元/台年。

使用节能器后每年的折旧费为：

3000元/台÷（6年×1.2延长寿命）=416元/台年。 每年每台的折旧费节约为：500-416=84元。

4.3.3投资回报周期

按上述计算200个房间，每个房间空调每晚节约6.0元电费计算，而200台空调节能器的造价为295元/台 ×200台=59000元，投资回报期为：59000÷200÷6.0=49.2 d。

也就是说只要制冷季节的49 d所节约电费即可收回投资的全部成本。

5结论

进入21世纪之后，国内科技水平不断提高，空调行业中各项技术不断得到改进，空调在生活中给人们带来的舒适以及日渐亲民的价格，已经成为人们生活中必不可少的电器。但对于使用空调带来的能源及健康问题，不得不敲响节能环保及身体健康影响的警钟。在大型的建筑物中，能量消耗最大的就是空调系统，然而由于设计、施工、使用等因素的影响，使得空调系统在使用上具有较大的能耗，造成不少的能源浪费现象。因此，在当前的建筑空调系统中，应积极地创新发展，依靠技术的改进，使得空调更为节能环保，若实现智能空调与云计算结合技术，空调使用者能便捷地对空调进行调控，节能的同时也保护了人体健康。

若有关部门能够大力宣传智能空调结合云计算技术的效益，使得消费者对此技术有更明确的了解，那么对消费者来说，使用智能空调节能控制器也将是既省时又节能环保的选择。“互联网+”、智能技术的应用是空调系统节能发展的必然趋势，具有信息化融合特征的智能系统应用能够极大程度地提升空调系统的节能效率。目前市场上的空调设计参数虽不同，但结合云计算技术，该问题便迎刃而解了。

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Energy|saving and Environmental Protection Prospect of Smart Air|condition With a Cloud Computing Technology

Weng Yineng4， Li Bin1， Pei Yanxia2， Yang Xiafeng1， Liu Hui1， Zhu Ziyan1， Li Wen1，Zhu Mengyan1， Xie Hongli1，

TangTianming1， Chu Xiaochen1， Yu Wan2， Liang Shijia3， Shen Tao1， Zhu Yurong4， Chen Tingting2， Zhou Mi5，

Zhang Shenqiang1， Lü Chengqian1， Wu Yijing1， Yuan Chengfeng1， Lou Jiale1

（1. College of Biology and Chemical Engineering， Jiaxing University， Jiangxing， Zhejiang， 314000， China；

2. College of Foreign Languages， Jiaxing University， Jiangxing， Zhejiang， 314000， China；

3. College of Mechanical and Electrical Engineering， Jiaxing University， Jiangxing， Zhejiang， 314000， China；

4. School of Business， Jiaxing University， Jiangxing， Zhejiang， 314000， China；

5.Jiaxing College， Jiaxing， Zhejiang， 314000， China）

Abstract： Since reform and opening in 1978， Chinas economic construction has made great achievements. But Chinese traditional model of sacrificing natural resources for material output continuing to grow hasnt yet been changed radically. Due to long-term accumulated effect caused by environmental disturbance and ecological deterioration， a series of problems have emerged， such as major pollutants emissions excelling environmental carrying capacity， degeneration of ecosystem service function and scarce capacity of energy security. In order to improve our national energy security condition and to solve environmental issues， we strive for sustainable development to provide basic data basefrom the perspective of daily life of common smart air condition energy conservationwith a cloud computing.

Key words： energy shortages； air condition energy conservation；cloud computing technology；air condition energy conservation benefitendprint