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基于物聯網技術的能源管理系統設計

更新時間：2020-10-13

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霍麗麗

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

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

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%。

政府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,基于互聯網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減少。

建筑能源管理的前提是對建筑能源消耗的監測和統計,高效的能源管理須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。

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 Peter T. Lewis 提出后,經過多年的發展已經日趨成熟。物聯網,即 Internet of Things,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接,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。

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,然后由承載網將能耗數據傳輸至應用網絡層。

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 安科瑞能耗監控系統介紹

Acrel-5000能耗在線監測系統是用戶端能源管理分析系統，在電能管理系統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計，以直觀的數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，有效節約能源，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶可按照國家有關規定實施能源審計，分析現狀，查找問題，挖掘節能潛力，提出切實可行的節能措施，并向縣級以上人民政府管理節能工作的部門報送能源審計報告。

5.1平臺結構

Acrel-5000能耗在線監測系統以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，根據現場實際情況采用現場總線、光纖環網或無線通訊中的一種或多種結合的組網方式，為大型公共建筑的實時數據采集及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測設備構成任意復雜的監控系統。開放性、網絡化、單元化、組態化的采用面向對象的分層、分級、分布式智能一體化結構。建立如下層次結構：

5.2 平臺功能

（1）系統可按使用年份統計建筑物各分類能耗——電、水、氣、集中供熱、集中供冷以及其它能源消耗量，自動折算成相應的標準煤消耗量，從而反映建筑物當年各分類能耗用能和綜合能耗。系統以餅圖形式展示建筑4大用電分項能耗的占比情況。系統以曲線圖形展現各類能耗的消耗的消耗趨勢，便于業主方實時直觀掌握能源消耗情況。

（2）系統可以根據分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當日和當月的用能峰值。顯示當日用能、當月用能、當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、31天、12個月、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）系統依據建筑物能源消耗的分布情況進行能耗計量點的選取和設置，使得能耗監測系統可以覆蓋整個建筑物。系統使用者可通過相關界面調取該建筑物各能耗節點的能耗統計報表，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計量。

（4）系統依據*分類分項能耗數據采集導則，將建筑物耗電分為照明插座、空調、動力和特殊用電進行計量裝置選型和設置，并按用能區域或功能區域等劃分并進行統計，以報表和同、環比棒圖形式展現該區域的能源消耗。

（5）系統可針對能源消耗量大的設備或區域進行準確定位，便于管理層制定節能績效考核制度，推動節能降耗的有效執行。為用能重點設備建立運行記錄檔案，*跟蹤記錄設備運行過程中的能效分析評估結果，結合設備維護保養記錄，為設備的運行維護提供依據。

（6）系統提供分級權限管理功能，對具備權限用戶提供開放的信息維護接口，用戶可自行對建筑和系統監測范圍內計量點的信息進行增、刪、改和查詢，建筑物信息包括建筑類型、建設年代、建筑面積、建筑物人員數量等。系統還對無法自動采集的計量信息提供手動錄入功能，便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。

5.3 數據上傳

安科瑞能耗在線監測系統按照重點用能單位能耗在線監測系統技術規范定義的系統平臺接口協議規范的要求，將用能企業的基礎信息、計量器具信息、用能數據及能效數據上傳至省級或國家平臺，上傳數據經過HTTPS協議加密傳輸。如果數據傳輸失敗或超時（網絡故障），將重發數據，直至接收成功反饋消息。

5.4 能源計量表具選型

5.5通訊網關參數

6 結語

在我國城市化進程不斷推進的大背景下,建筑能耗監測系統和建筑能源管理系統都在不斷的發展和完善,將物聯網技術引入到建筑能耗監測體系中,對現有建筑能源管理系統的技術升級和智能化發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,隨著物聯網技術的不斷進步,建筑能源管理體系也會變得更加完善。

【參考文獻】

[1] 中華人民共和國*.智能建筑行業發展綱要[Z].2008.

[2] 張建濤.基于物聯網技術的公共建筑能源管理系統研究[J]山西建筑.2020.

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版

作者簡介：霍麗麗，女，現就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為能耗在線監測系統。

上一條淺談高校能源管理平臺的功能實現
下一條淺析應急照明和疏散指示系統在工程中的應用