基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801 

摘 要:在能源形勢(shì)緊張的大趨勢(shì)下,高能耗的大型公共建筑能源管理系統(tǒng)的建設(shè)逐漸受到重視,以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及基礎(chǔ)的建筑能源管理平臺(tái)可以提供即時(shí)、準(zhǔn)確、高效的能源管理策略。 系統(tǒng)闡述了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能源管理構(gòu)建方法,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與建筑能源管理系統(tǒng)的相關(guān)性進(jìn)行了分析,并從能耗數(shù)據(jù)收集、能源審計(jì)、能源管理這三個(gè)層級(jí)探討了這兩者的應(yīng)用結(jié)合方法,為公共建筑能源管理系統(tǒng)的升級(jí)與優(yōu)化提供了一定的思路。

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

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市化進(jìn)程不斷加快,能源的使用量也出現(xiàn)快速上漲的趨勢(shì)。 而建筑能耗、工業(yè)能耗和交通運(yùn)輸能耗是我國(guó)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%。

黨的十八大提出了建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的目標(biāo),在這樣的背景下,尋找新的建筑能源管理方法和技術(shù),對(duì)建筑耗能設(shè)備進(jìn)行整體管理優(yōu)化是當(dāng)前節(jié)能工作的趨勢(shì)所在。 當(dāng)前,我國(guó)信息科技的快速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為國(guó)家各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型改革的切入點(diǎn)和帶動(dòng)者,基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)研究逐漸成為各領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息科技技術(shù)非常重要的部分,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行建筑能源管理平臺(tái)的研究,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)建筑耗能設(shè)備的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和管理,可以更加有效的實(shí)現(xiàn)建筑能源精細(xì)化管理,為大型公共建筑節(jié)能減排提供技術(shù)支撐。

1 新時(shí)代背景下的建筑能源管理需求

多項(xiàng)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(yùn)行能耗的控制水平整體偏低,已經(jīng)逐漸成為我國(guó)目前能源問題的關(guān)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(nèi)舒適度等各方面要求的前提下,使得能耗量和能耗費(fèi)用減少。

建筑能源管理的前提是對(duì)建筑能源消耗的監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì),高效的能源管理須建立在充分的能耗監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確的能源統(tǒng)計(jì)之上。這就包括了對(duì)建筑用能系統(tǒng),包括暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等的全面監(jiān)測(cè),以及對(duì)各類設(shè)備分類分項(xiàng)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(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)與分析,由于公共建筑設(shè)備數(shù)量和種類多樣,設(shè)備數(shù)量、規(guī)格、型號(hào)、功率等各不相同（見表1,表 2）,因此能源統(tǒng)計(jì)獲取的數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)類型多種多樣,進(jìn)行能源審計(jì)的工作量和工作難度都較高,這在一定程度上阻礙了相關(guān)能源管理工作的開展。尤其是對(duì)于建筑集群來說,傳統(tǒng)的建筑能耗統(tǒng)計(jì)無(wú)法滿足多棟建筑同時(shí)展開的綜合能源管理。

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(shí)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模建筑集群能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與能耗數(shù)據(jù)收集的新型技術(shù)。 隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)可以對(duì)建筑中各類設(shè)備的大量能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集,并整合到統(tǒng)一的能源管理平臺(tái),對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,從而幫助管理者對(duì)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(shù)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的概念在 1985 年由 Peter T. 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 Internet of Things,它的本質(zhì)是物體和物體之間相互進(jìn)行連接所建立的網(wǎng)絡(luò),它是互聯(lián)網(wǎng)的一部分,同時(shí)還可以與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)的處理。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過多種不同的傳感器模塊,對(duì)需要的監(jiān)控、連接、互動(dòng)的設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,它主要用于企業(yè)之間的緊密聯(lián)系,可以實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈中各個(gè)節(jié)點(diǎn),包括物與物、物與人等的網(wǎng)絡(luò)連接和信息共享,從而實(shí)現(xiàn)高效快捷的管理。

物聯(lián)網(wǎng)在本質(zhì)上是通過局域網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備識(shí)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(luò)為基礎(chǔ)的,同時(shí)它也是在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的延伸,此外,物聯(lián)網(wǎng)的用戶擴(kuò)張到了互聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備和設(shè)備之間,這些在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上是一種將物與物相連,并將多種感知設(shè)備和傳輸設(shè)備相融合的聚合性復(fù)雜系統(tǒng),它的體系結(jié)構(gòu)在技術(shù)上包含三層,傳感層、傳輸網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。 傳感層是基層,包含各類傳感器

設(shè)備并提供泛在的感知網(wǎng)絡(luò);傳輸網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)設(shè)備的信息交互。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑能源管理中的應(yīng)用

公共建筑能源管理系統(tǒng)包含了設(shè)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(tái)以及通信設(shè)施,而物聯(lián)網(wǎng)*的體系結(jié)構(gòu)剛好可以對(duì)應(yīng)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(shè)備實(shí)時(shí)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(chǔ),通過傳感器完成能耗數(shù)據(jù)信息的采集。 對(duì)于建筑能源管理系統(tǒng)來說,傳感層數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高效收集和精細(xì)化管理的前提是能耗分項(xiàng)計(jì)量,因此,需要在能源管理系統(tǒng)建立之初就完成能耗分項(xiàng)計(jì)量的相關(guān)設(shè)備。 計(jì)量對(duì)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(jìn)一步根據(jù)耗能設(shè)備等進(jìn)行細(xì)分,也可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分時(shí)段計(jì)量等。

目前建筑智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般沒有分項(xiàng)計(jì)量功能,難以實(shí)現(xiàn)能耗精細(xì)化管理,因而實(shí)現(xiàn)能耗分項(xiàng)計(jì)量是搭建物聯(lián)網(wǎng)智能建筑能源管理平臺(tái)很重要的需求。 分項(xiàng)計(jì)量需要利用物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)首先安裝分項(xiàng)計(jì)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(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量,也可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)能耗情況進(jìn)行分時(shí)段的計(jì)量。 分項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥茉垂芾砥脚_(tái)后,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);根據(jù)分項(xiàng)數(shù)據(jù)不同辦公區(qū)域或者不同時(shí)段的能耗比較,可以準(zhǔn)確詳細(xì)地掌握一個(gè)單位或系統(tǒng)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),對(duì)建筑存在的節(jié)能潛力做出診斷;在此基礎(chǔ)上,提出節(jié)能改造方案。

能耗分項(xiàng)計(jì)量為開展能源審計(jì)工作提供了前提,能源管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)耗能設(shè)備的狀況。 同時(shí),通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)層將建筑能耗數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),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(shù)獲取傳感層信息,通過接入網(wǎng)完成數(shù)據(jù)接入,然后由承載網(wǎng)將能耗數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層,對(duì)接收到的分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,獲取建筑用能特點(diǎn)、重點(diǎn)耗能單位,以及建筑能源消耗結(jié)構(gòu)等,并對(duì)建筑能源利用效率進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)建筑的節(jié)能潛力做出評(píng)估。 此外,還可以在完成能耗數(shù)據(jù)的綜合計(jì)量與分析的基礎(chǔ)上,利用應(yīng)用層完成物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能源管理系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā),包括建筑耗能設(shè)備遠(yuǎn)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(shù)在我國(guó)建筑能源管理體系中的應(yīng)用并不算普遍,而目前的建筑能耗監(jiān)測(cè)與能源管理系統(tǒng)還存在著很多問題。

1）從技術(shù)角度來說,當(dāng)前的建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要覆蓋的是建筑物電器設(shè)備系統(tǒng)對(duì)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(shí)現(xiàn)從終端設(shè)備到數(shù)據(jù)平臺(tái)的單向傳輸,具有信息反饋和控制功能的雙向?qū)舆€需要進(jìn)一步的研究;

2）當(dāng)前基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依然具有海量數(shù)據(jù)的特征,如何對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)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 安科瑞能耗監(jiān)控系統(tǒng)介紹

Acrel-5000能耗在線監(jiān)測(cè)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(chǔ)上增加了對(duì)水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對(duì)用戶端所有能耗進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)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(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定實(shí)施能源審計(jì)，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實(shí)可行的節(jié)能措施，并向縣級(jí)以上人民管理節(jié)能工作的部門報(bào)送能源審計(jì)報(bào)告。

5.1平臺(tái)結(jié)構(gòu)

Acrel-5000能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、測(cè)控單元為基本工具，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用現(xiàn)場(chǎng)總線、光纖環(huán)網(wǎng)或無(wú)線通訊中的一種或多種結(jié)合的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，它可以和檢測(cè)設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。開放性、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的采用面向?qū)ο蟮姆謱?、分?jí)、分布式智能一體化結(jié)構(gòu)。建立如下層次結(jié)構(gòu)：

5.2 平臺(tái)功能

（1）系統(tǒng)可按使用年份統(tǒng)計(jì)建筑物各分類能耗——電、水、氣、集中供熱、集中供冷以及其它能源消耗量，自動(dòng)折算成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，從而反映建筑物當(dāng)年各分類能耗用能和綜合能耗。系統(tǒng)以餅圖形式展示建筑4大用電分項(xiàng)能耗的占比情況。系統(tǒng)以曲線圖形展現(xiàn)各類能耗的消耗的消耗趨勢(shì)，便于業(yè)主方實(shí)時(shí)直觀掌握能源消耗情況。

（2）系統(tǒng)可以根據(jù)分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當(dāng)日和當(dāng)月的用能峰值。顯示當(dāng)日用能、當(dāng)月用能、當(dāng)年用能與昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。以條形顯示過去48小時(shí)、31天、12個(gè)月、3年的能耗情況。右上角顯示過去15分鐘曲線（電表顯示功率曲線，流量表顯示流速曲線）。

（3）系統(tǒng)依據(jù)建筑物能源消耗的分布情況進(jìn)行能耗計(jì)量點(diǎn)的選取和設(shè)置，使得能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以覆蓋整個(gè)建筑物。系統(tǒng)使用者可通過相關(guān)界面調(diào)取該建筑物各能耗節(jié)點(diǎn)的能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計(jì)量誤差。

（4）系統(tǒng)依據(jù)住建部分類分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集導(dǎo)則，將建筑物耗電分為照明插座、空調(diào)、動(dòng)力和特殊用電進(jìn)行計(jì)量裝置選型和設(shè)置，并按用能區(qū)域或功能區(qū)域等劃分并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以報(bào)表和同、環(huán)比棒圖形式展現(xiàn)該區(qū)域的能源消耗。

（5）系統(tǒng)可針對(duì)能源消耗量大的設(shè)備或區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確定位，便于管理層制定節(jié)能績(jī)效考核制度，推動(dòng)節(jié)能降耗的有效執(zhí)行。為用能重點(diǎn)設(shè)備建立運(yùn)行記錄檔案，長(zhǎng)期跟蹤記錄設(shè)備運(yùn)行過程中的能效分析評(píng)估結(jié)果，結(jié)合設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)記錄，為設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。

（6）系統(tǒng)提供分級(jí)權(quán)限管理功能，對(duì)具備權(quán)限用戶提供開放的信息維護(hù)接口，用戶可自行對(duì)建筑和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)計(jì)量點(diǎn)的信息進(jìn)行增、刪、改和查詢，建筑物信息包括建筑類型、建設(shè)年代、建筑面積、建筑物人員數(shù)量等。系統(tǒng)還對(duì)無(wú)法自動(dòng)采集的計(jì)量信息提供手動(dòng)錄入功能，便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。

5.3 數(shù)據(jù)上傳

安科瑞能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照重點(diǎn)用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范定義的系統(tǒng)平臺(tái)接口協(xié)議規(guī)范的要求，將用能企業(yè)的基礎(chǔ)信息、計(jì)量器具信息、用能數(shù)據(jù)及能效數(shù)據(jù)上傳至省級(jí)或國(guó)家平臺(tái)，上傳數(shù)據(jù)經(jīng)過HTTPS協(xié)議加密傳輸。如果數(shù)據(jù)傳輸失敗或超時(shí)（網(wǎng)絡(luò)故障），將重發(fā)數(shù)據(jù)，直至接收成功反饋消息。

5.4 能源計(jì)量表具選型

5.5通訊網(wǎng)關(guān)參數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的大背景下,建筑能耗監(jiān)測(cè)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(shù)引入到建筑能耗監(jiān)測(cè)體系中,對(duì)現(xiàn)有建筑能源管理系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)和智能化發(fā)展具有非常重要的意義,與此相關(guān)的各項(xiàng)研究具有廣闊的應(yīng)用前景,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步,建筑能源管理體系也會(huì)變得更加完善。

【參考文獻(xiàn)】

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