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淺析物聯網技術在公共建筑能源管理系統中的應用

發布時間： 2023-07-12　　點擊次數： 543次

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的建設逐漸受到重視，以物聯網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。系統闡述了結合物聯網技術的建筑能源管理構建方法，對物聯網體系結構與建筑能源管理系統的相關性進行了分析，并從能耗數據收集、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的升級與優化提供了一定的思路。

關鍵詞:物聯網，公共建筑，能耗監測，建筑能源管理

0引言

隨著我國經濟的快速發展，城市化進程不斷加快，能源的使用量也出現快速上漲的趨勢。而建筑能耗、工業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了總能耗的30%。

黨的shi八大提出了建設資源節約型和環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化是當前節能工作的趨勢所在。當前，我國信息科技的快速發展，互聯網技術成為國家各產業結構轉型改革的切入點和帶動者，基于互聯技術發展的物聯網研究逐漸成為各領域關注的焦點。物聯網技術是信息科技技術非常重要的部分，利用物聯網技術進行建筑能源管理平臺的研究，結合物聯網技術對建筑耗能設備的能源數據進行實時采集和管理，可以更加有效的實現建筑能源精細化管理，為大型公共建筑節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測和統計，高效的能源管理要建立在充分的能耗監測和準確的能源統計之上。這就包括了對建筑用能系統，包括暖通空調系統、給排水系統、電氣系統等的全面監測，以及對各類設備分類分項的能耗數據的采集、整理與分析。而過往采用傳統方法進行能耗統計與分析，由于公共建筑設備數量和種類多樣，設備數量、規格、型號、功率等各不相同(見表1，表2)，因此能源統計獲取的數據量龐大、數據類型多種多樣，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，傳統的建筑能耗統計無法滿足多棟建筑同時展開的綜合能源管理。

表1暖通空調系統主要設備清單

表2電氣系統主要設備清單

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，同時可以實現大規模建筑集群能源消耗的實時監測與能耗數據收集的新型技術。隨著現代網絡技術的快速發展，物聯網成為解決這一問題的重要選擇，物聯網技術可以對建筑中各類設備的大量能耗數據進行實時監測和收集，并整合到統一的能源管理平臺，對其進行數據處理與分析，從而幫助管理者對區域化的建筑集群能源消耗展開統籌管理。

2物聯網技術的概念

物聯網的概念在1985年由PeterT．Lewis提出后，經過多年的發展已經日趨成熟。物聯網，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絡，它是互聯網的一部分，同時還可以與互聯網進行并網的處理。物聯網技術可以通過多種不同的傳感器模塊，對需要的監控、連接、互動的設備的各項數據進行實時采集，它主要用于企業之間的緊密聯系，可以實現供應鏈中各個節點，包括物與物、物與人等的網絡連接和信息共享，從而實現高效快捷的管理。

物聯網在本質上是通過局域網進行設備識別和數據交互的，這也就意味著物聯網必然是以互聯網網絡為基礎的，同時它也是在互聯網網絡基礎上的延伸，此外，物聯網的用戶擴張到了互聯網中的設備和設備之間，這些在同一個網絡下的設備也可以進行數據交互。物聯網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，它的體系結構在技術上包含三層，傳感層、傳輸網絡層和應

用網絡層。傳感層是基層，包含各類傳感器設備并提供泛在的感知網絡;傳輸網絡層在物聯網層次中處在中間層，它由信息和管理中心組成;應用網絡層則是物聯網的頂層，它是用戶終端，通過用戶的操作可以進行網絡中相關設備的信息交互。

3物聯網技術在建筑能源管理中的應用

公共建筑能源管理系統包含了設置在建筑中不同位置的物聯網終端、物聯網能源管理平臺以及通信設施，而物聯網的體系結構剛好可以對應滿足建筑能源管理系統的多層需求(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據，它也是物聯網能源管理的前提和基礎，通過傳感器完成能耗數據信息的采集。對于建筑能源管理系統來說，傳感層數據實現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，需進一步根據耗能設備等進行細分，也可以根據實際運行情況進行分時段計量等［2］。

目前建筑智能化系統設計中一般沒有分項計量功能，難以實現能耗精細化管理，因而實現能耗分項計量是搭建物聯網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網等相關技術首先安裝分項計量裝置，按電、水、油、氣等能源形態分類后，再根據不同的能源用途和用能區域進行分項計量，也可以根據實際需要對能耗情況進行分時段的計量。分項數據傳輸到能源管理平臺后，可以實現對能耗設備運行狀況實時監測;根據分項數據不同辦公區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的能源消費結構，對建筑存在的節能潛力做出診斷;在此基礎上，提出節能改造方案。

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

在物聯網應用網絡層，對接收到的分項能耗數據進行處理和分析，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，對建筑的節能潛力做出評估。此外，還可以在完成能耗數據的綜合計量與分析的基礎上，利用應用層完成物聯網平臺能源管理系統應用的開發，包括建筑耗能設備遠程管理、能耗數據管理等。

4融入物聯網的建筑能源管理系統發展方向

從目前的研究來看，物聯網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測與能源管理系統還存在著很多問題。

1)從技術角度來說，當前的建筑能耗監測系統主要覆蓋的是建筑物電器設備系統對于建筑耗能數據的采集，所采集到的數據也只能實現從終端設備到數據平臺的單向傳輸，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)當前基于物聯網技術的建筑物能耗監測系統依然具有海量數據的特征，如何對海量數據進行進一步的分析挖掘和利用是建筑能源管理系統的重要研究方向。

5 Acrel-EIOT能源物聯網云平臺

（1）概述

電腦得到所需的行業數據服務。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、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、多終端數據訪問。

（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、樓管系統集成商、小型物業、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業能耗、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對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環境友好。在智能化方面實現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，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，并根據實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

◆能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現從能源數據采集、過程監控、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、能源生產以及使用的全過程有機結合起來，運用先進的數據處理與分析技術，進行離線生產分析與管理，實現全廠能源系統的統一調度，優化能源介質平衡、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，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執行開戶、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

通過物聯網技術，對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，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、變壓器監控、運營分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

◆智能照明

智能照明通過物聯網技術對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態進行不間斷地數據監測，也可以實現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，并達到一定節能減掛的效果。

監控頁面

◆安全用電

安全用電采用自主研發的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員，指導企業實現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“防患于未然"的目的。

◆智慧消防

通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。tian補了原先針對“九小場所"和危化品生產企業無法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統化"、用電管理“精細化"的實際需求。

（5）系統硬件配置

分類

產品型號

外觀

產品功能

無線測溫

ARTM-Pn

可監測電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、電能，可接收60個無線溫度傳感器溫度

ATC600

ATC600有2種工作模式：終端(-C)、中繼(-Z)，可根據項目布局選擇配置。可接收240個無線溫度傳感器溫度

光伏監控

AGF

光伏電池串開路報警，可以配合組串電壓進行綜合判斷；帶3路開關量狀態監測，用于采集直流斷路器、防雷器等輸出空接點狀態；一次電流采用穿孔方式接入，安裝方便，安全性高；測量元件采用霍爾傳感器，隔離測量最大電流20A；電壓測量功能可測量母線電壓最高DC 1500V

電力監控

AEM96

三相電力參數測量、電壓和電流的相角、四象限電能計量、復費率、最大需量、歷史電能統計、開關量事件記錄、歷史極值記錄、31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）、開關量、報警輸出

APM系列

全電量測量，四象限電能，復費率電能，儀表內部溫度測量，總有功、總無功、總視在電能脈沖輸出、秒脈沖等可選。三相電流、有功功率、無功功率、視在功率實時需量及最大需量(包含時間戳)。電流、線電壓、相電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、電流總諧波、電壓總諧波的本月極值和上月極值(包含時間戳)。中文顯示，有功電能0.2s級。

預付費

DDSY

單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。有功電能計量（正、反向），A、B、C分相正向有功電能，支持4個時區、2個時段表、14個日時段、4個費率最大需量及發生時間，實時需量，歷史凍結數據購電記錄；8位段式LCD顯示、背光顯示；有功電能脈沖輸出；有功電能精度1級，無功電能0.5s級。

DTSY

三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。有功電能計量（正、反向），A、B、C分相正向有功電能，支持4個時區、2個時段表、14個日時段、4個費率最大需量及發生時間，實時需量，歷史凍結數據購電記錄；8位段式LCD顯示、背光顯示；有功電能脈沖輸出；有功電能精度1級，無功電能0.5s級。

智能抄表

ADL200

單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。總電能計量（反向計入正向），3個月歷史電能數據凍結存儲；8位段式LCD顯示；有功電能脈沖輸出；有功電能精度1級，無功電能2級。

ADL400

三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量。（正、反向）有功、無功電能計量；A、B、C 分相正向有功電能計量；2-31次諧波電壓電流；12位段式LCD顯示、背光顯示，電能精度0.5s級。

ADW210

4路三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量；電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量；電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量；當月及上三月的電壓、電流、功率極值記錄；最大需量及上十二月歷史需量記錄；事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄；支持12路開關量輸入4路開關量輸出；支持12路測溫4路剩余電流測量；有功電能精度1級。

ADW300

三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率測量；電壓電流相角、電壓電流不平衡度測量；電壓電流2-31次分次諧波及總畸變測量；當月及上三月的電壓、電流、功率極值記錄；最大需量及上十二月歷史需量記錄；事件記錄、復費率、四象限電能及歷史電能記錄；支持4路開關量輸入、2路開關量輸出；支持4路測溫；支持1路剩余電流測量；支持本地顯示及按鍵設置；有功電能精度1級。

通訊方式：支持RS485通訊、Lora無線通訊、4G通訊；WIFI通訊

直流電能表

DJSF1352