一、项目背景与需求分析

（一）学校概况与现状挑战

• 能耗居高不下：教室数量多、使用时段长，空调长期处于低效运行状态。夏季高温期空调全天开启，温度设置随意（部分教室长期低于 24℃），导致压缩机频繁启停，据初步估算年均空调电费占学校公用事业支出比例超过 30%，远超同类规模学校水平。
• 管理效率低下：人工巡检耗时耗力，后勤人员需逐间教室开关空调、调节温度，无法及时响应师生反馈，且存在设备漏关导致通宵空转现象。例如晚自习结束后常出现空调未关闭情况，单台空调夜间待机能耗约为 0.5 度 / 小时，全校夜间无效耗电损失显著。
• 舒适性不足：风管机送风模式单一，部分教室存在温度分布不均（温差可达 3-5℃）、噪音干扰教学（运行噪音超 50 分贝影响课堂）等问题，师生满意度较低。
• 维护成本高企：缺乏实时设备状态监测，滤网堵塞、制冷剂泄漏等故障难以及时发现，维修响应滞后加剧设备损耗，年均维护费用占设备采购成本的 5% 以上。
• 绿色校园建设要求：作为珠海市教育系统标杆单位，学校需贯彻落实 “双碳” 政策目标，迫切需要通过智能化改造降低碳排放强度，提升能源利用效率，打造可持续发展的绿色校园示范工程。

（二）改造目标与技术选型

1. 实现空调系统的远程集中管理，降低运维人力成本，提升响应速度；
2. 通过精细化智能控制策略，实现节能降耗（目标年节能率≥30%）；
3. 优化室内温湿度环境，提升师生舒适度；
4. 延长设备使用寿命，降低维护频率与成本；
5. 构建智慧能源管理平台，支撑绿色校园信息化建设。

• 有线方案（RS485 / 以太网）：需破墙敷设线缆，施工周期长（预估 3 个月），改造成本高（全校综合布线成本超 10 万元），且难以适配老教学楼复杂墙体结构。
• 4G/WiFi 方案：依赖运营商网络覆盖稳定性及校园 WiFi 带宽，存在信号盲区风险，且需持续支付流量费用，长期经济性不足。
• LoRa 无线方案：基于 433MHz 频段的远距离、低功耗通信技术，穿透能力强（可覆盖多层墙体），无需重新布线，部署便捷高效；支持自组网与中继功能，单网关管理能力达 83 台设备，扩展性优异；成本优势显著（单台控制器及网关综合成本低于有线方案 30%）。

二、改造方案设计与实施路径

（一）系统架构设计

1. 终端感知层：为每台教室风管机部署RACC-LoRa 控制器，内置大功率红外发射模块（控制距离 10 米，支持延长线扩展至 100 米）、高精度温湿度传感器及人体存在感应接口（可外挂传感器实现 “人走关机” 联动）。控制器通过学习空调遥控器指令码值，实现非侵入式接管设备操作，实时采集运行状态（开关机、模式、风速、电流电压等）、能耗数据及室内环境参数。
2. 网络传输层：配置 LoRa 中继网关，按教学楼分区部署（每栋楼 1-2 台网关），构建星型 + 网状自组织网络拓扑。RACC-LoRa 控制器自动接入网关，通过多跳中继确保信号覆盖无死角，实现设备数据秒级上传至云端平台。网络支持 AES 加密传输，保障数据安全性。
3. 平台应用层：部署广州派谷空调集中远程控制系统（软著登记号：2020SR0101017），采用 B/S 架构兼容 PC 端及移动端访问。平台集成四大核心功能模块：
   • 实时监控：电子地图可视化所有空调状态，支持单台 / 批量远程控制（开关机、温度调节等）；
   • 策略引擎：预设定时启停（工作日 8:30 开机 / 18:00 关机）、温度阈值锁定（夏季≥26℃，冬季≤20℃）、环境联动（门窗开启联动关机、无人超时断电）等智能策略；
   • 能耗分析：生成日报 / 月报 / 年报，智能识别高能耗设备及异常行为；
   • 运维管理：故障自动诊断预警、工单闭环流转、历史数据追溯等。

（二）关键技术实现

1. LoRa 无线组网优化：针对教学楼钢筋混凝土墙体密集导致的信号衰减问题，采用 “网关位置科学测算 + 中继节点动态配置” 方案：
   • 通过实地勘测与仿真模拟，将网关部署于建筑弱电井等信号汇聚点，确保单网关覆盖半径达 300 米（典型教室间隔 30 米，可覆盖 10 层教学楼）；
   • 控制器具备自动中继路由能力，新增设备可动态加入现有网络拓扑，确保通信稳定性。实测结果显示，在考试期间开启信号屏蔽器场景下仍能保持 99% 指令响应成功率。
2. 精细化节能策略开发：结合学校教学日程与环境特性定制多维度控制逻辑：
   • 分时分区管理：基于课程表模板设置空调启停时段，如小学部实验室课间短暂离室保持低功率运行（避免频繁启停耗能），而公共区域无人时彻底断电；
   • 动态温度优化：夏季制冷温度随室外气温梯度调节（26℃为基准值，每升高 1℃节能 8-10%），冬季制热温度限制于 20℃以内，结合人体感应自动调整功率输出；
   • 智能联动控制：通过与学校门禁系统对接，教室刷卡解锁时自动提前 10 分钟启动空调预冷 / 预热；门窗传感器监测到开启状态即刻关停空调，杜绝无效冷量流失；
   • 本地自治能力：控制器内置微处理器支持离线执行策略，网络中断时仍维持温度稳定控制，避免舒适性中断。
3. 设备兼容性与安装创新：针对风管机安装位置高、遥控器操作不便问题：
   • 采用暗藏式壁挂设计（控制器尺寸 170×110×28mm），将红外发射头延长至空调回风口附近，确保信号穿透性；
   • 支持空调原配遥控器本地应急操作权限保留（不影响正常使用习惯），同时实现平台对关键参数的强制约束（如温度下限锁定）。

（三）项目实施流程

1. 需求调研与方案设计（2 周）：
   • 后勤部门协同信息技术团队完成教室空调设备普查（品牌型号、安装位置、使用年限等）；
   • 与派谷技术团队联合制定分楼栋部署图纸及通信拓扑方案，明确网关数量及控制器选型配置。
2. 设备采购与施工准备（1 周）：
   • 完成 120 台 RACC-LoRa 控制器及配套网关采购，准备红外码学习遥控器、温湿度传感器等辅材；
   • 制定施工安全方案，协调校方安排施工时段（优先暑期及周末以减少教学干扰）。
3. 现场安装与调试（4 周）：
   • 技术人员分组实施控制器安装：断电接线（220V 电源接入及空调线路并联）→ 红外码学习（对码成功率 100%）→ 传感器部署（温度探头置于教室中央避免阳光直射）→ 网关通电入网；
   • 逐栋楼进行网络压力测试（模拟多指令并发传输），优化中继路径配置；
   • 在平台端录入教室基础信息（所属班级、面积、朝向等），关联控制器设备 ID。
4. 策略配置与系统联调（2 周）：
   • 依据教学日历模板设定全校统一作息策略（如小学部午休时段空调切换低风速运行）；
   • 针对特殊功能教室创建独立温控预案；
   • 模拟典型场景测试（如门窗开启自动关机、人体存在检测延时断电），验证策略执行逻辑；
   • 进行能耗计量校准，确保平台统计精度（误差率 < 2%）。
5. 人员培训与验收交付（1 周）：
   • 开展后勤运维团队操作培训（平台界面使用、策略调整、故障排查等）；
   • 组织师生代表参与系统体验反馈，优化移动端 APP 交互设计；
   • 通过第三方机构能效检测及用户满意度验收，正式投入运行。

三、运行管理与效益分析

（一）空调智能化管理提升运维效能

• 空调远程集中管控：后勤人员通过 PC 端或手机小程序实时掌握所有空调状态，一键批量操作大幅节省人力成本。改造前需 3 人每日巡检 1.5 小时完成开关调节，现仅需 1 人线上管理即可覆盖全校，年人力成本降低 57% 以上。
• 故障主动预警：平台内置压缩机过载、传感器故障等诊断算法，实时推送异常报警（短信 + 邮件通知），工单自动生成并关联维修备件库存。设备故障率下降 40%，平均故障响应时间从 4 小时压缩至 30 分钟，减少非计划停机损失。
• 数据驱动决策：详细能耗报表提供科学依据，例如通过分析发现初中部顶层教室因西晒导致能耗偏高，针对性调整该区域温度补偿策略；基于历史数据优化设备更新计划，2025 年上半年完成 12 台高能耗空调替换，进一步提升整体能效。

（二）显著节能降耗与成本节约

1. 能耗下降超预期：
   • 通过温度限制（制冷季温度稳定 26-28℃）、分时启停及无人断电策略，有效减少压缩机无效运行时间。经第三方机构专业检测，改造后空调日均运行时长较改造前减少 2.3 小时，全校年均节电量达40 万度以上，节能率超 35%（目标 30%），远超同类项目水平。
   • 结合珠海市峰谷电价政策（高峰 0.9 元 / 度，低谷 0.3 元 / 度），通过平台自动错峰运行优化（低谷时段制冰蓄冷），进一步降低用电成本。
2. 环境效益突出：年减少二氧化碳排放量超300 吨（按 0.6kg CO₂/ 度折算），助力学校提前达成绿色校园碳减排目标，为珠海市公共机构节能树立标杆案例。
    

（三）舒适性与满意度双提升

• 精准温控优化环境：高精度传感器实时反馈温湿度数据，空调依据动态算法自动调整制冷 / 制热强度，教室温差控制在 ±1℃以内，彻底解决温度不均问题。夏季室温稳定在 26-27℃舒适区间，冬季维持 20℃人体最佳体感温度，师生满意度显著提升。
• 噪音与气流改善：通过智能策略减少频繁启停及高风速运行时间，运行噪音降低至 50 分贝以下标准限值，送风均匀性优化显著改善学习环境质量。
• 智能交互增强体验：移动端 APP 支持师生提交温度调节申请（如体育课教室临时调高风速），管理员快速响应实现个性化服务，兼顾节能与灵活性需求。

四、创新价值与经验总结

（一）技术创新亮点

1. LoRa 技术深度适配教育场景：突破传统布线限制，实现老旧教学楼快速智能化改造。RACC-LoRa 控制器集无线通信、红外控制、本地计算于一体，在复杂电磁环境（实验室仪器设备、考试屏蔽器等）下保持通信稳定性，为同类改造项目提供可复制的轻量级部署范式。
2. 多策略协同节能算法：整合定时、阈值、联动及预测性控制（基于天气数据与课程表动态寻优），形成 “需求响应 + 行为引导” 的双闭环节能机制，较单一温度限制策略节能效率提升 20% 以上。专利《一种空调动态寻优的节能控制方法》（2024115577532）等技术的应用确保方案先进性。
3. 模块化可扩展架构：平台预留 MODBUS-RTU 协议接口，支持未来与楼宇自控系统（BAS）、能源管理平台深度集成，实现照明、安防等多系统联动优化，为智慧校园整体建设奠定基础。
    

（二）实施经验沉淀

1. 前期调研至关重要：详尽的设备普查与环境评估是方案设计的基础，需特别关注老旧设备通信兼容性及墙体结构对信号传输的影响。
2. 分阶段测试验证策略：通过模拟教室实际使用场景（满课 / 空课 / 极端天气）逐步调整控制参数，避免一刀切策略导致舒适性下降。例如初期发现午休时段人体感应误触发频繁断电，通过延长延迟时间至 15 分钟优化解决。
3. 用户参与驱动持续改进：开放师生反馈渠道，收集实际使用痛点（如艺术教室特殊温湿度需求），持续迭代策略库，实现技术节能与行为节能的良性互动。
4. 安全冗余设计保障可靠：控制器支持本地离线自治与远程策略备份双模式，防止网络故障导致失控风险；强切电源控制模块确保极端情况下（如学生误操作温度过低）系统强制执行节能策略。
   
    
    

（三）未来发展方向

1. 深化数据分析应用：引入机器学习算法构建能耗预测模型，结合室外气象数据、教室人数密度等变量动态优化控制参数，进一步挖掘节能潜力。
2. 多能协同智慧能源管理：整合光伏发电、储能系统等新能源设施，实现空调系统与可再生能源的协同调度，推动校园综合能效再上新台阶。
3. 扩展智能化覆盖范围：将改造经验推广至行政办公楼、宿舍等区域，完成全校空调设备统一物联管理，形成完整的绿色校园能源图谱。
   
    

五、结语