淺析物聯(lián)網(wǎng)技術在公共建筑能源管理系統(tǒng)中的應用

摘要：在能源形勢緊張的大趨勢下，高能耗的大型公共建筑能源管理系統(tǒng)的建設逐漸受到重視，以物聯(lián)網(wǎng)技術及基礎的建筑能源管理平臺可以提供即時、準確、高效的能源管理策略。系統(tǒng)闡述了結合物聯(lián)網(wǎng)技術的建筑能源管理構建方法，對物聯(lián)網(wǎng)體系結構與建筑能源管理系統(tǒng)的相關性進行了分析，并從能耗數(shù)據(jù)收集、能源審計、能源管理這三個層級探討了這兩者的應用結合方法，為公共建筑能源管理系統(tǒng)的升級與優(yōu)化提供了一定的思路。

關鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)，公共建筑，能耗監(jiān)測，建筑能源管理

0引言

       隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程不斷加快，能源的使用量也出現(xiàn)快速上漲的趨勢。而建筑能耗、工業(yè)能耗和交通運輸能耗是我國能源消耗的三大主力，其中建筑能耗大約占據(jù)了總能耗的30%。

       提出了建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的目標，在這樣的背景下，尋找新的建筑能源管理方法和技術，對建筑耗能設備進行整體管理優(yōu)化是當前節(jié)能工作的趨勢所在。當前，我國信息科技的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術成為各產(chǎn)業(yè)結構轉型改革的切入點和帶動者，基于互聯(lián)技術發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)研究逐漸成為各領域關注的焦點。物聯(lián)網(wǎng)技術是信息科技技術非常重要的部分，利用物聯(lián)網(wǎng)技術進行建筑能源管理平臺的研究，結合物聯(lián)網(wǎng)技術對建筑耗能設備的能源數(shù)據(jù)進行實時采集和管理，可以更加有效的實現(xiàn)建筑能源精細化管理，為大型公共建筑節(jié)能減排提供技術支撐。

1新時代背景下的建筑能源管理需求

       多項研究表明，在所有的建筑能耗中，大型公共建筑的能源消耗大、能源利用率低，尤其是運行能耗的控制水平整體偏低，已經(jīng)逐漸成為我國目前能源問題的關鍵。建筑能源管理指的是，通過系統(tǒng)化的控制建筑物能源消耗及能源消耗模式的策略，在滿足建筑內舒適度等各方面要求的前提下，使得能耗量和能耗費用最小化［1］。

       建筑能源管理的前提是對建筑能源消耗的監(jiān)測和統(tǒng)計，高效的能源管理要建立在充分的能耗監(jiān)測和準確的能源統(tǒng)計之上。這就包括了對建筑用能系統(tǒng)，包括暖通空調系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等的全面監(jiān)測，以及對各類設備分類分項的能耗數(shù)據(jù)的采集、整理與分析。而過往采用傳統(tǒng)方法進行能耗統(tǒng)計與分析，由于公共建筑設備數(shù)量和種類多樣，設備數(shù)量、規(guī)格、型號、功率等各不相同(見表1，表2)，因此能源統(tǒng)計獲取的數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)類型多種多樣，進行能源審計的工作量和工作難度都較高，這在一定程度上阻礙了相關能源管理工作的開展。尤其是對于建筑集群來說，傳統(tǒng)的建筑能耗統(tǒng)計無法滿足多棟建筑同時展開的綜合能源管理。

表1暖通空調系統(tǒng)主要設備清單

表2電氣系統(tǒng)主要設備清單

   因此，隨著公共建筑的類型和體量的不斷增加，在建筑能源管理的體系中，亟需引入一種高效率、低成本，同時可以實現(xiàn)大規(guī)模建筑集群能源消耗的實時監(jiān)測與能耗數(shù)據(jù)收集的新型技術。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)成為解決這一問題的重要選擇，物聯(lián)網(wǎng)技術可以對建筑中各類設備的大量能耗數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和收集，并整合到統(tǒng)一的能源管理平臺，對其進行數(shù)據(jù)處理與分析，從而幫助管理者對區(qū)域化的建筑集群能源消耗展開統(tǒng)籌管理。

2物聯(lián)網(wǎng)技術的概念

       物聯(lián)網(wǎng)的概念在1985年由PeterT．Lewis提出后，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟。物聯(lián)網(wǎng)，即InternetofThings，它的本質是物體和物體之間相互進行連接所建立的網(wǎng)絡，它是互聯(lián)網(wǎng)的一部分，同時還可以與互聯(lián)網(wǎng)進行并網(wǎng)的處理。物聯(lián)網(wǎng)技術可以通過多種不同的傳感器模塊，對需要的監(jiān)控、連接、互動的設備的各項數(shù)據(jù)進行實時采集，它主要用于企業(yè)之間的緊密聯(lián)系，可以實現(xiàn)供應鏈中各個節(jié)點，包括物與物、物與人等的網(wǎng)絡連接和信息共享，從而實現(xiàn)高效快捷的管理。

       物聯(lián)網(wǎng)在本質上是通過局域網(wǎng)進行設備識別和數(shù)據(jù)交互的，這也就意味著物聯(lián)網(wǎng)必然是以互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡為基礎的，同時它也是在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡基礎上的延伸，此外，物聯(lián)網(wǎng)的用戶擴張到了互聯(lián)網(wǎng)中的設備和設備之間，這些在同一個網(wǎng)絡下的設備也可以進行數(shù)據(jù)交互。物聯(lián)網(wǎng)實際上是一種將物與物相連，并將多種感知設備和傳輸設備相融合的聚合性復雜系統(tǒng)，它的體系結構在技術上包含三層，傳感層、傳輸網(wǎng)絡層和應用網(wǎng)絡層。傳感層是基層，包含各類傳感器設備并提供泛在的感知網(wǎng)絡;傳輸網(wǎng)絡層在物聯(lián)網(wǎng)層次中處在中間層，它由信息和管理中心組成;應用網(wǎng)絡層則是物聯(lián)網(wǎng)的頂層，它是用戶終端，通過用戶的操作可以進行網(wǎng)絡中相關設備的信息交互。

3物聯(lián)網(wǎng)技術在建筑能源管理中的應用

       公共建筑能源管理系統(tǒng)包含了設置在建筑中不同位置的物聯(lián)網(wǎng)終端、物聯(lián)網(wǎng)能源管理平臺以及通信設施，而物聯(lián)網(wǎng)的體系結構剛好可以對應滿足建筑能源管理系統(tǒng)的多層需求(見圖1)。

       其中，傳感層主要是通過各終端設備實時采集建筑能源消耗數(shù)據(jù)，它也是物聯(lián)網(wǎng)能源管理的前提和基礎，通過傳感器完成能耗數(shù)據(jù)信息的采集。對于建筑能源管理系統(tǒng)來說，傳感層數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效收集和精細化管理的前提是能耗分項計量，因此，需要在能源管理系統(tǒng)建立之初就完成能耗分項計量的相關設備。計量對象包括:耗電量、耗水量、耗熱量，耗冷量，耗煤氣量等，其中，電能消耗是公共建筑主要能耗，需進一步根據(jù)耗能設備等進行細分，也可以根據(jù)實際運行情況進行分時段計量等［2］。

       目前建筑智能化系統(tǒng)設計中一般沒有分項計量功能，難以實現(xiàn)能耗精細化管理，因而實現(xiàn)能耗分項計量是搭建物聯(lián)網(wǎng)智能建筑能源管理平臺很重要的需求。分項計量需要利用物聯(lián)網(wǎng)等相關技術首先安裝分項計量裝置，按電、水、油、氣等能源形態(tài)分類后，再根據(jù)不同的能源用途和用能區(qū)域進行分項計量，也可以根據(jù)實際需要對能耗情況進行分時段的計量。分項數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥茉垂芾砥脚_后，可以實現(xiàn)對能耗設備運行狀況實時監(jiān)測;根據(jù)分項數(shù)據(jù)不同辦公區(qū)域或者不同時段的能耗比較，可以準確詳細地掌握一個單位或系統(tǒng)的能源消費結構，對建筑存在的節(jié)能潛力做出診斷;在此基礎上，提出節(jié)能改造方案。

       能耗分項計量為開展能源審計工作提供了前提，能源管理系統(tǒng)可以實時監(jiān)測各個耗能設備的狀況。同時，通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡層將建筑能耗數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺，這一數(shù)據(jù)傳輸途徑主要是通過匯聚網(wǎng)的短距離通信技術獲取傳感層信息，通過接入網(wǎng)完成數(shù)據(jù)接入，最后由承載網(wǎng)將能耗數(shù)據(jù)傳輸至應用網(wǎng)絡層［3］。

       在物聯(lián)網(wǎng)應用網(wǎng)絡層，對接收到的分項能耗數(shù)據(jù)進行處理和分析，獲取建筑用能特點、重點耗能單位，以及建筑能源消耗結構等，并對建筑能源利用效率進行評價，對建筑的節(jié)能潛力做出評估。此外，還可以在完成能耗數(shù)據(jù)的綜合計量與分析的基礎上，利用應用層完成物聯(lián)網(wǎng)平臺能源管理系統(tǒng)應用的開發(fā)，包括建筑耗能設備遠程管理、能耗數(shù)據(jù)管理等。

4融入物聯(lián)網(wǎng)的建筑能源管理系統(tǒng)發(fā)展方向

        從目前的研究來看，物聯(lián)網(wǎng)技術在我國建筑能源管理體系中的應用并不算普遍，而目前的建筑能耗監(jiān)測與能源管理系統(tǒng)還存在著很多問題。

1)從技術角度來說，當前的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)主要覆蓋的是建筑物電器設備系統(tǒng)對于建筑耗能數(shù)據(jù)的采集，所采集到的數(shù)據(jù)也只能實現(xiàn)從終端設備到數(shù)據(jù)平臺的單向傳輸，具有信息反饋和控制功能的雙向對接還需要進一步的研究;

2)當前基于物聯(lián)網(wǎng)技術的建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)依然具有海量數(shù)據(jù)的特征，如何對海量數(shù)據(jù)進行進一步的分析挖掘和利用是建筑能源管理系統(tǒng)的重要研究方向。

5 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

（1）概述

       電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務。

       該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應用場所

       本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運維等領域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

◆電力集抄

       電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設備運行（包括歷史和實時參數(shù)，并根據(jù)實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

                                                                                                                     變壓器監(jiān)控

配電圖

◆能耗分析

       能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機結合起來，運用先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術，進行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調度，優(yōu)化能源介質平衡、有效利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

                                                                                                                  能耗概況

◆預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數(shù)進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表中心：提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導出。

預付費看板

◆充電樁管理

      通過物聯(lián)網(wǎng)技術，對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能。

充電樁看板

◆智能照明

       智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術對安裝在城市各區(qū)域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實現(xiàn)定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

◆安全用電

       安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發(fā)電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實現(xiàn)第一時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然”的目的。

◆智慧消防

       通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。原先針對“九小場所”和?；飞a(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應于所有公建和民建，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”、用電管理“精細化”的實際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

6結論

       在我國城市化進程不斷推進的大背景下，建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)和建筑能源管理系統(tǒng)都在不斷的發(fā)展和完善，將物聯(lián)網(wǎng)技術引入到建筑能耗監(jiān)測體系中，對現(xiàn)有建筑能源管理系統(tǒng)的技術升級和智能化發(fā)展具有非常重要的意義，與此相關的各項研究具有廣闊的應用前景，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷進步，建筑能源管理體系也會變得更加完善。

參考文獻

［1］趙明強．基于物聯(lián)網(wǎng)技術的公共建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化研究［D］．西安:西安建筑科技大學碩士學位論文，2016．

［2］張建濤.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的公共建筑能源管理系統(tǒng)研究

［3］企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.