基于物聯(lián)網(wǎng)技術的能源管理系統(tǒng)設計

時間：2022-06-02

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

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%。

黨的*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)技術成為國家各產(chǎn)業(yè)結構轉型改革的切入點和帶動者,基于互聯(lián)網(wǎng)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,可以較加有效的實現(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減少。

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,高效的能源管理須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。

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 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**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)*特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。

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,然后由承載網(wǎng)將能耗數(shù)據(jù)傳輸至應用網(wǎng)絡層。

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 安科瑞能耗監(jiān)控系統(tǒng)介紹

Acrel-5000能耗在線監(jiān)測系統(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(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(jù)支撐。用戶可按照國家有關規(guī)定實施能源審計，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，并向縣級以上人民公司管理節(jié)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(jiān)測系統(tǒng)以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用現(xiàn)場總線、光纖環(huán)網(wǎng)或無線通訊中的一種或多種結合的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實時數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)。開放性、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)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(tǒng)可按使用年份統(tǒng)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(tǒng)以餅圖形式展示建筑4大用電分項能耗的占比情況。系統(tǒng)以曲線圖形展現(xiàn)各類能耗的消耗的消耗趨勢，便于業(yè)主方實時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(tǒng)依據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)可以覆蓋整個建筑物。系統(tǒng)使用者可通過相關界面調取該建筑物各能耗節(jié)點的能耗統(tǒng)計報表，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計量誤差。

（4）系統(tǒng)依據(jù)住建部分類分項能耗數(shù)據(jù)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(qū)域或功能區(qū)域等劃分并進行統(tǒng)計，以報表和同、環(huán)比棒圖形式展現(xiàn)該區(qū)域的能源消耗。

（5）系統(tǒng)可針對能源消耗量大的設備或區(qū)域進行準確定位，便于管理層制定節(jié)能績效考核制度，推動節(jié)能降耗的有效執(zhí)行。為用能重點設備建立運行記錄檔案，長期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(yǎng)記錄，為設備的運行維護提供依據(jù)。

（6）系統(tǒng)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(tǒng)監(jiān)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(shù)量等。系統(tǒng)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(shù)據(jù)上傳

安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)按照重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范定義的系統(tǒng)平臺接口協(xié)議規(guī)范的要求，將用能企業(yè)的基礎信息、計量器具信息、用能數(shù)據(jù)及能效數(shù)據(jù)上傳至省級或國家平臺，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**時（網(wǎng)絡故障），將重發(fā)數(shù)據(jù)，直至接收成功反饋消息。

5.4 能源計量表具選型

5.5通訊網(wǎng)關參數(shù)

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(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較加完善。

【參考文獻】

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[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版

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