淺談基于無線物聯(lián)網的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)探討

李明君

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:文章分析了智能建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設和應用現(xiàn)狀，并對存在的問題和原因進行簡要分析，在此基礎上探討一種基于物聯(lián)網的智能建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構參考模型，以期實現(xiàn)樓字中電力能源需求側和供求側的智能聯(lián)動運行。

關鍵詞:智能建筑；能耗監(jiān)測；物聯(lián)網

0引言

智能建筑，主要指以建筑物為平臺，基于對各類智能化信息的綜合應用，集架構、系統(tǒng)、應用、管理及優(yōu)化組合為一體，具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策的綜合智慧能力，形成以人、建筑、環(huán)境互為協(xié)調的整合體為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的建筑,智能建筑從具體建設實施方面，主要分為建筑安全與安防綠色和節(jié)能、高效和便捷三大類應用。

本文主要從綠色和節(jié)能角度出發(fā)，分析智能建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀及存在的不足，并給出一種基于物聯(lián)網技術建設建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)建設思路，以期探討實現(xiàn)樓宇中電力能源需求側和供求側的智能聯(lián)動運行，推動智能電網廣泛應用發(fā)展。

1智能建筑能耗監(jiān)測現(xiàn)狀及問題分析

1.1智能建筑能耗監(jiān)測現(xiàn)狀分析

在人類生產活動中，各種資源的消耗，如水、電、煤石油、天然氣等，其中一個重要場所就是樓宇建筑內，包括居民小區(qū)、寫字樓、超市、旅館、餐廳食堂、醫(yī)院等，其能源消耗在整個社會能耗占有很大的比例，并且隨著城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，比例逐年上升。

在我國，現(xiàn)階段樓宇建筑能耗管理系統(tǒng)通常由BAS(建筑自動化系統(tǒng))系統(tǒng)來實現(xiàn)的。BAS系統(tǒng)可以根據設置好的程序對電力、照明、空調等動力設備進行智能化的運行調節(jié)從而達到高效節(jié)能的目的。目前國內大中型公共及商業(yè)建筑基本配置了BAS系統(tǒng)，然而實際應用中大部分建筑BAS系統(tǒng)僅僅作為設備狀態(tài)監(jiān)視和自動控制使用，較少真正能夠達到節(jié)能目標的系統(tǒng)，樓宇能效智能化監(jiān)測管理不足。

1.2所存在的問題及原因分析

目前智能建筑的能耗監(jiān)測及管理，主要存在以下三個問題。

1.2.1缺乏建筑大規(guī)模聯(lián)網監(jiān)測

早在2008年，機關和大型公共建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)作了具體規(guī)范。目前，全國不少城市也建立了大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺，對重點建筑能耗進行實時監(jiān)測，并通過能耗統(tǒng)計能源審計、能效公示、用能定額和超定額加價等制度，促使辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)能運行管理水平。但目前的建筑能耗監(jiān)測平臺所覆蓋的范圍遠遠不夠，尤其一此大型的寫字樓、商業(yè)綜合體等商業(yè)建筑，其BAS系統(tǒng)往往服務于單個大樓和物業(yè)，由于設備接口不統(tǒng)一、缺乏統(tǒng)一數(shù)據規(guī)范等技術或經濟原因，無法接入統(tǒng)一的建筑能耗監(jiān)測平臺。

1.2.2缺乏建筑能耗大數(shù)據的統(tǒng)計分析

由于缺乏建筑能耗的大規(guī)模聯(lián)網監(jiān)測，無法形成有效的區(qū)域建筑能耗大數(shù)據采集和分析;建筑運行系統(tǒng)復雜而龐大，建筑能源數(shù)據管理混亂，不同系統(tǒng)數(shù)據之間缺乏有效溝通與對比。*****，只有當數(shù)據積累到一定量后，才可以從中進行大數(shù)據分析，找出海量數(shù)據中隱藏的有價值信息和運行規(guī)律，進而為建筑設備的節(jié)能優(yōu)化運行提供模型和數(shù)據參考。

1.2.3缺少與智能電網輸電、配電側的聯(lián)動

統(tǒng)一的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，由于覆蓋范圍大，通常是以一個城市為主體，使得系統(tǒng)的建設成本高，投資大。目前在我國具有一定區(qū)域規(guī)模的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)主要由**部門對重要公共建筑用能進行監(jiān)督。建筑用電側與電力供應側的發(fā)電、配電等環(huán)節(jié)缺乏有效的數(shù)據和系統(tǒng)聯(lián)動在目前智能電網及能源互聯(lián)網的建設背景下，建筑能耗作為需求側管理的重要一環(huán)，需要納入智能電網的系統(tǒng)建設中進行統(tǒng)一規(guī)劃和建設。

2基于物聯(lián)網的智能建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網、大數(shù)據和云計算等新興技術的發(fā)展，使得建筑能耗的大規(guī)模設備聯(lián)網運行、海量數(shù)據采集、傳輸和分析從技術上戀得可能，無論從數(shù)據的存儲設備還是高性能計算服務，使得系統(tǒng)部署的成本越來越低。本文正是探討一種基于物聯(lián)網的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構模型，以期為相關研發(fā)建設與智能電網應用提供助力。

2.1系統(tǒng)參考模型

物聯(lián)網是通過多個具備感知能力的傳感設備，按約定的協(xié)議形成自組織、智能化的傳感器網絡，再通過智能化的計算和互聯(lián)技術的支撐，實現(xiàn)信息的匯聚、整合、共享與智能處理。鑒于目前智能樓宇的感知、傳輸和記憶技術已經相對完善，在物聯(lián)網三層模型(感知層、傳輸層、應用層)基礎上，建議引入接入層和平臺層概念，形成基于物聯(lián)網的智能建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)五層模型架構。系統(tǒng)架構初步設想如圖1所示。

2.2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)自下而上由設備層、接入層、傳輸層、平臺層和應用層五個層次組成。其中:

設備層:由水、電、氣等各種智能能量采集設備組成主要完成建筑能耗數(shù)據的采集和上傳。同時智能設備還可以具備一定的控制功能，可以實現(xiàn)對用能設備運行的控制和調節(jié)。設備層設備通常是不同廠家采用不同的協(xié)議，主流的協(xié)議包括kNX、Modbus、BACnet、PLC、Zigbee等有線及無線協(xié)議。

接入層:接入層主要是智能建筑物聯(lián)網網關設備，該設備主要完成底層各種通信協(xié)議設備數(shù)據的集中接入、協(xié)議統(tǒng)一轉換，實現(xiàn)能耗數(shù)據的規(guī)范化。接入層網關作為邊緣計算設備，具備一定的數(shù)據存儲和計算能力。

傳輸層:傳輸層包括有線通信和無線通信。其中有線通信技術包括中長距離的廣域網終(如各種寬帶網終)和短距離的現(xiàn)場總線:無線通信層分為長距離的無線網絡(如LORA、NBIOT、3G/4G/5G)、中短距離的無線局城網(WiFi)、超短距離的無線局域網(如Zigbee)。通過有線及無線方式，完成數(shù)據到存儲中心的傳輸。

平臺層:平臺層主要提供智能建筑能耗數(shù)據的統(tǒng)一處理、分析，為上層應用程序以及其他業(yè)務系統(tǒng)提供數(shù)據調用訪問的接口。平臺除具備設備接入、設備管理、規(guī)則引擎權限及安全管理等基礎功能外，還可提供大數(shù)據分析、人工智能等服務組件，為上層應用提供大數(shù)據分析挖掘等高性能海量數(shù)據處理服務。

應用層:應用層調用平臺層提供的數(shù)據、邏輯等元素通過圖像、表格、視頻等方式對建筑能耗數(shù)據進行可視化管理。通過采集到的樓宇環(huán)境溫濕度和水、電、空氣、空調等能耗數(shù)據，準確地掌握樓寧能耗的分布情況、具體特點及通過能耗數(shù)據的分析，及時地掌握能耗浪費、能源流失情況建立大樓能效模型，為提高樓宇的節(jié)能提供決策依據。同時，對樓宇中的高功率電器材如空調、電視、電腦微波爐等進行電量能耗采集，準確實時地了解用戶的能耗數(shù)據，發(fā)現(xiàn)用戶的用能習慣，制定供能方案，調整供能策略減少不必要的能源浪費，實現(xiàn)因地制宜的節(jié)能降耗措施。應用層應對上提供開放接口，支持同能源供應企業(yè)綜合能源服務商側的調度系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)開展建筑用能評估優(yōu)化等服務和系統(tǒng)對接，更大程度發(fā)揮數(shù)據價值，創(chuàng)造經濟效益。

2.3其他建議

國家工業(yè)互聯(lián)網解析節(jié)點以便于系統(tǒng)及設備間的互聯(lián)互通;同時制定扶持獎勵政策鼓勵各商業(yè)建筑樓宇積極接入能耗監(jiān)測平臺，開展建筑能耗數(shù)據的開放共享，充分挖掘建筑能耗數(shù)據的經濟價值和社會效益。

3安科瑞建筑能耗分析系統(tǒng)

3.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據支撐。用戶可按照國家有關規(guī)定實施能源計算，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計算報告。

3.2應用場所

適用于公共建筑、集團公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測與管理的系統(tǒng)設計、施工和運行維護。

3.3系統(tǒng)功能

3.3.1系統(tǒng)概況

平臺運行狀態(tài)，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時、逐月曲線，當日，當月能耗同比分析滾動顯示。

3.3.2用能概況

對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項等用能進行對比，支持當日逐時趨勢、當月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計對比、總能耗同環(huán)比對比。

3.3.3用能統(tǒng)計

對建筑、區(qū)域、分項、支路等結構按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進行統(tǒng)計，支持報表數(shù)據導出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據進行生成柱狀圖。

3.3.4復費率統(tǒng)計

復費率報表按日、月、年統(tǒng)計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析。支持數(shù)據導出到EXCEL。

3.3.5同比分析

對建筑、分項、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結合的方式進行用能數(shù)據同比分析。

3.3.6能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑**時段內各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標值查看。

3.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在**時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，支持導出報表。

3.3.8設備管理

設備管理包括，設備類型、設備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設備，確保設備的運行。

3.3.9用戶報告

用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結果，針對用電提供單獨的復費率用能分析，報告可編輯。

4.系統(tǒng)硬件配置

5結語

樓宇建筑作為智能電網與能源需求側，樓宇建筑用能占據整個能源消耗很大部分。在物聯(lián)網技術迅猛發(fā)展的今天，利用物聯(lián)網技術改造傳統(tǒng)樓宇能效管理，建立基于物聯(lián)網的樓宇能耗監(jiān)測系統(tǒng)，分析樓宇能量消耗的客觀規(guī)律以及可能影響因素，實現(xiàn)能耗降低、節(jié)約成本，實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的保護和提高生活舒適度;同時加強對建筑能效的統(tǒng)一監(jiān)測管理，對減少需求側電力能源浪費、實現(xiàn)電力供需平衡充分挖掘建筑能耗數(shù)據的經濟價值和社會效益，有著非常重要的作用和意義。

參考文獻

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[8]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版.

作者介紹

李明君，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為建筑能耗系統(tǒng)的設計與應用