浅析物联网技术在公共建筑能源管理系统中的应用
- 发布时间：2023/1/18 9:32:30
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摘要：在能源形势紧张的大趋势下，高能耗的大型公共建筑能源管理系统的建设逐渐受到重视，以物联网技术及基础的建筑能源管理平台可以提供即时、准确、高效的能源管理策略。系统阐述了结合物联网技术的建筑能源管理构建方法，对物联网体系结构与建筑能源管理系统的相关性进行了分析，并从能耗数据收集、能源审计、能源管理这三个层级探讨了这两者的应用结合方法，为公共建筑能源管理系统的升级与优化提供了一定的思路。
关键词:物联网，公共建筑，能耗监测，建筑能源管理
0引言
随着我国经济的快速发展，城市化进程不断加快，能源的使用量也出现快速上涨的趋势。而建筑能耗、工业能耗和交通运输能耗是我国能源消耗的三大主力，其中建筑能耗大约占据了总能耗的30%。
党提出了建设资源节约型和环境友好型社会的目标，在这样的背景下，寻找新的建筑能源管理方法和技术，对建筑耗能设备进行整体管理优化是当前节能工作的趋势所在。当前，我国信息科技的快速发展，互联网技术成为国家各产业结构转型改革的切入点和带动者，基于互联技术发展的物联网研究逐渐成为各领域关注的焦点。物联网技术是信息科技技术非常重要的部分，利用物联网技术进行建筑能源管理平台的研究，结合物联网技术对建筑耗能设备的能源数据进行实时采集和管理，可以更加有效的实现建筑能源精细化管理，为大型公共建筑节能减排提供技术支撑。
1新时代背景下的建筑能源管理需求
多项研究表明，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，尤其是运行能耗的控制水平整体偏低，已经逐渐成为我国目前能源问题的关键。建筑能源管理指的是，通过系统化的控制建筑物能源消耗及能源消耗模式的策略，在满足建筑内舒适度等各方面要求的前提下，使得能耗量和能耗费用最小化［1］。
建筑能源管理的前提是对建筑能源消耗的监测和统计，高效的能源管理要建立在充分的能耗监测和准确的能源统计之上。这就包括了对建筑用能系统，包括暖通空调系统、给排水系统、电气系统等的全面监测，以及对各类设备分类分项的能耗数据的采集、整理与分析。而过往采用传统方法进行能耗统计与分析，由于公共建筑设备数量和种类多样，设备数量、规格、型号、功率等各不相同(见表1，表2)，因此能源统计获取的数据量庞大、数据类型多种多样，进行能源审计的工作量和工作难度都较高，这在一定程度上阻碍了相关能源管理工作的开展。尤其是对于建筑集群来说，传统的建筑能耗统计无法满足多栋建筑同时展开的综合能源管理。
表1暖通空调系统主要设备清单
表2电气系统主要设备清单
因此，随着公共建筑的类型和体量的不断增加，在建筑能源管理的体系中，亟需引入一种高效率、低成本，同时可以实现大规模建筑集群能源消耗的实时监测与能耗数据收集的新型技术。随着现代网络技术的快速发展，物联网成为解决这一问题的重要选择，物联网技术可以对建筑中各类设备的大量能耗数据进行实时监测和收集，并整合到统一的能源管理平台，对其进行数据处理与分析，从而帮助管理者对区域化的建筑集群能源消耗展开统筹管理。
2物联网技术的概念
物联网的概念在1985年由petert．lewis提出后，经过多年的发展已经日趋成熟。物联网，即internetofthings，它的本质是物体和物体之间相互进行连接所建立的网络，它是互联网的一部分，同时还可以与互联网进行并网的处理。物联网技术可以通过多种不同的传感器模块，对需要的监控、连接、互动的设备的各项数据进行实时采集，它主要用于企业之间的紧密联系，可以实现供应链中各个节点，包括物与物、物与人等的网络连接和信息共享，从而实现高效快捷的管理。
物联网在本质上是通过局域网进行设备识别和数据交互的，这也就意味着物联网必然是以互联网网络为基础的，同时它也是在互联网网络基础上的延伸，此外，物联网的用户扩张到了互联网中的设备和设备之间，这些在同一个网络下的设备也可以进行数据交互。物联网实际上是一种将物与物相连，并将多种感知设备和传输设备相融合的聚合性复杂系统，它的体系结构在技术上包含三层，传感层、传输网络层和应用网络层。传感层是基层，包含各类传感器设备并提供泛在的感知网络;传输网络层在物联网层次中处在中间层，它由信息和管理中心组成;应用网络层则是物联网的顶层，它是用户终端，通过用户的操作可以进行网络中相关设备的信息交互。
3物联网技术在建筑能源管理中的应用
公共建筑能源管理系统包含了设置在建筑中不同位置的物联网终端、物联网能源管理平台以及通信设施，而物联网的体系结构刚好可以对应满足建筑能源管理系统的多层需求(见图1)。
其中，传感层主要是通过各终端设备实时采集建筑能源消耗数据，它也是物联网能源管理的前提和基础，通过传感器完成能耗数据信息的采集。对于建筑能源管理系统来说，传感层数据实现高效收集和精细化管理的前提是能耗分项计量，因此，需要在能源管理系统建立之初就完成能耗分项计量的相关设备。计量对象包括:耗电量、耗水量、耗热量，耗冷量，耗煤气量等，其中，电能消耗是公共建筑主要能耗，需进一步根据耗能设备等进行细分，也可以根据实际运行情况进行分时段计量等［2］。
目前建筑智能化系统设计中一般没有分项计量功能，难以实现能耗精细化管理，因而实现能耗分项计量是搭建物联网智能建筑能源管理平台很重要的需求。分项计量需要利用物联网等相关技术首先安装分项计量装置，按电、水、油、气等能源形态分类后，再根据不同的能源用途和用能区域进行分项计量，也可以根据实际需要对能耗情况进行分时段的计量。分项数据传输到能源管理平台后，可以实现对能耗设备运行状况实时监测;根据分项数据不同办公区域或者不同时段的能耗比较，可以准确详细地掌握一个单位或系统的能源消费结构，对建筑存在的节能潜力做出诊断;在此基础上，提出节能改造方案。
能耗分项计量为开展能源审计工作提供了前提，能源管理系统可以实时监测各个耗能设备的状况。同时，通过物联网传输网络层将建筑能耗数据传输至物联网平台，这一数据传输途径主要是通过汇聚网的短距离通信技术获取传感层信息，通过接入网完成数据接入，最后由承载网将能耗数据传输至应用网络层［3］。
在物联网应用网络层，对接收到的分项能耗数据进行处理和分析，获取建筑用能特点、重点耗能单位，以及建筑能源消耗结构等，并对建筑能源利用效率进行评价，对建筑的节能潜力做出评估。此外，还可以在完成能耗数据的综合计量与分析的基础上，利用应用层完成物联网平台能源管理系统应用的开发，包括建筑耗能设备远程管理、能耗数据管理等。
4融入物联网的建筑能源管理系统发展方向
从目前的研究来看，物联网技术在我国建筑能源管理体系中的应用并不算普遍，而目前的建筑能耗监测与能源管理系统还存在着很多问题。
1)从技术角度来说，当前的建筑能耗监测系统主要覆盖的是建筑物电器设备系统对于建筑耗能数据的采集，所采集到的数据也只能实现从终端设备到数据平台的单向传输，具有信息反馈和控制功能的双向对接还需要进一步的研究;
2)当前基于物联网技术的建筑物能耗监测系统依然具有海量数据的特征，如何对海量数据进行进一步的分析挖掘和利用是建筑能源管理系统的重要研究方向。
5 acrel-eiot能源物联网云平台
（1）概述
电脑得到所需的行业数据服务。
该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能，并支持多平台、多语言、多终端数据访问。
（2）应用场所
本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。
（3）平台结构
（4）平台功能
◆电力集抄
电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示，以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制，对系统进行综合检测和统一管理；在数据资源管理方面，可以显示或查询供配电室内各设备运行（包括历史和实时参数，并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印，提高工作效率，节约人力资源。
变压器监控
配电图
◆能耗分析
能耗分析模块采用自动化、信息化技术，实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动化、科学化管理，使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来，运用先进的数据处理与分析技术，进行离线生产分析与管理，实现全厂能源系统的统一调度，优化能源介质平衡、有效利用能源，提高能源质量、降低能源消耗，达到节能降耗和提升整体能源管理水平的目的。
能耗概况
◆预付费管理
1）登陆管理：管理操作员账户及权限分配，查看系统日志等功能；
2）系统配置：对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置；
3）用户管理：对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作；
4）售电管理：对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作；
5）售水管理：对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作；
6）报表中心：提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询，本系统所有的报表及记录查询，都支持excel格式导出。
预付费看板
◆充电桩管理
通过物联网技术，对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。
充电桩看板
◆智能照明
智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测，也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等，降低路灯设施的维护难度和成本，提升管理水平，并达到一定节能减挂的效果。
监控页面
◆安全用电
安全用电采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流和剩余电流）进行不间断的数据跟踪与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现第一时间的排查和治理，达到消除潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然”的目的。
◆智慧消防
通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。原先针对“九小场所”和危化品生产企业无法有效监控的空白，适应于所有公建和民建，实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”、用电管理“精细化”的实际需求。
（5）系统硬件配置
6结论
在我国城市化进程不断推进的大背景下，建筑能耗监测系统和建筑能源管理系统都在不断的发展和完善，将物联网技术引入到建筑能耗监测体系中，对现有建筑能源管理系统的技术升级和智能化发展具有非常重要的意义，与此相关的各项研究具有广阔的应用前景，随着物联网技术的不断进步，建筑能源管理体系也会变得更加完善。
参考文献
［1］赵明强．基于物联网技术的公共建筑能耗监控系统优化研究［d］．西安:西安建筑科技大学硕士学位论文，2016．
［2］张建涛.基于物联网技术的公共建筑能源管理系统研究
［3］企业微电网设计与应用手册2022.05版.