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淺談基于無線物聯(lián)網(wǎng)的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)探討
任運(yùn)業(yè)
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:文章分析了智能建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對存在的問題和原因進(jìn)行簡要分析，在此基礎(chǔ)上探討一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)參考模型，以期實(shí)現(xiàn)樓字中電力能源需求側(cè)和供求側(cè)的智能聯(lián)動運(yùn)行。
關(guān)鍵詞:智能建筑；能耗監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)
0引言
智能建筑，主要指以建筑物為平臺，基于對各類智能化信息的綜合應(yīng)用，集架構(gòu)、系統(tǒng)、應(yīng)用、管理及優(yōu)化組合為一體，具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策的綜合智慧能力，形成以人、建筑、環(huán)境互為協(xié)調(diào)的整合體為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的建筑,智能建筑從具體建設(shè)實(shí)施方面，主要分為建筑安全與安防綠色和節(jié)能、高效和便捷三大類應(yīng)用。
本文主要從綠色和節(jié)能角度出發(fā)，分析智能建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的不足，并給出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)建設(shè)思路，以期探討實(shí)現(xiàn)樓宇中電力能源需求側(cè)和供求側(cè)的智能聯(lián)動運(yùn)行，推動智能電網(wǎng)廣泛應(yīng)用發(fā)展。
1智能建筑能耗監(jiān)測現(xiàn)狀及問題分析
1.1智能建筑能耗監(jiān)測現(xiàn)狀分析
在人類生產(chǎn)活動中，各種資源的消耗，如水、電、煤石油、天然氣等，其中一個重要場所就是樓宇建筑內(nèi)，包括居民小區(qū)、寫字樓、超市、旅館、餐廳食堂、醫(yī)院等，其能源消耗在整個社會能耗占有很大的比例，并且隨著城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，比例逐年上升。
在我國，現(xiàn)階段樓宇建筑能耗管理系統(tǒng)通常由BAS(建筑自動化系統(tǒng))系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。BAS系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)置好的程序?qū)﹄娏Α⒄彰?、空調(diào)等動力設(shè)備進(jìn)行智能化的運(yùn)行調(diào)節(jié)從而達(dá)到高效節(jié)能的目的。目前國內(nèi)大中型公共及商業(yè)建筑基本配置了BAS系統(tǒng)，然而實(shí)際應(yīng)用中大部分建筑BAS系統(tǒng)僅僅作為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和自動控制使用，較少真正能夠達(dá)到節(jié)能目標(biāo)的系統(tǒng)，樓宇能效智能化監(jiān)測管理不足。
1.2所存在的問題及原因分析
目前智能建筑的能耗監(jiān)測及管理，主要存在以下三個問題。
1.2.1缺乏建筑大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測
早在2008年，機(jī)關(guān)和大型公共建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)作了具體規(guī)范。目前，全國不少城市也建立了大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺，對重點(diǎn)建筑能耗進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并通過能耗統(tǒng)計(jì)能源審計(jì)、能效公示、用能定額和超定額加價等制度，促使辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)能運(yùn)行管理水平。但目前的建筑能耗監(jiān)測平臺所覆蓋的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尤其一此大型的寫字樓、商業(yè)綜合體等商業(yè)建筑，其BAS系統(tǒng)往往服務(wù)于單個大樓和物業(yè)，由于設(shè)備接口不統(tǒng)一、缺乏統(tǒng)一數(shù)據(jù)規(guī)范等技術(shù)或經(jīng)濟(jì)原因，無法接入統(tǒng)一的建筑能耗監(jiān)測平臺。
1.2.2缺乏建筑能耗大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析
由于缺乏建筑能耗的大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，無法形成有效的區(qū)域建筑能耗大數(shù)據(jù)采集和分析;建筑運(yùn)行系統(tǒng)復(fù)雜而龐大，建筑能源數(shù)據(jù)管理混亂，不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間缺乏有效溝通與對比。眾suo周知，只有當(dāng)數(shù)據(jù)積累到一定量后，才可以從中進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，找出海量數(shù)據(jù)中隱藏的有價值信息和運(yùn)行規(guī)律，進(jìn)而為建筑設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行提供模型和數(shù)據(jù)參考。
1.2.3缺少與智能電網(wǎng)輸電、配電側(cè)的聯(lián)動
統(tǒng)一的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，由于覆蓋范圍大，通常是以一個城市為主體，使得系統(tǒng)的建設(shè)成本高，投資大。目前在我國具有一定區(qū)域規(guī)模的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)主要由**部門對重要公共建筑用能進(jìn)行監(jiān)督。建筑用電側(cè)與電力供應(yīng)側(cè)的發(fā)電、配電等環(huán)節(jié)缺乏有效的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)聯(lián)動在目前智能電網(wǎng)及能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)背景下，建筑能耗作為需求側(cè)管理的重要一環(huán)，需要納入智能電網(wǎng)的系統(tǒng)建設(shè)中進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和建設(shè)。
2基于物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)
隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新興技術(shù)的發(fā)展，使得建筑能耗的大規(guī)模設(shè)備聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行、海量數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析從技術(shù)上戀得可能，無論從數(shù)據(jù)的存儲設(shè)備還是高性能計(jì)算服務(wù)，使得系統(tǒng)部署的成本越來越低。本文正是探討一種基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)模型，以期為相關(guān)研發(fā)建設(shè)與智能電網(wǎng)應(yīng)用提供助力。
2.1系統(tǒng)參考模型
物聯(lián)網(wǎng)是通過多個具備感知能力的傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議形成自組織、智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)，再通過智能化的計(jì)算和互聯(lián)技術(shù)的支撐，實(shí)現(xiàn)信息的匯聚、整合、共享與智能處理。鑒于目前智能樓宇的感知、傳輸和記憶技術(shù)已經(jīng)相對完善，在物聯(lián)網(wǎng)三層模型(感知層、傳輸層、應(yīng)用層)基礎(chǔ)上，建議引入接入層和平臺層概念，形成基于物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)五層模型架構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)初步設(shè)想如圖1所示。
2.2系統(tǒng)組成
系統(tǒng)自下而上由設(shè)備層、接入層、傳輸層、平臺層和應(yīng)用層五個層次組成。其中:
設(shè)備層:由水、電、氣等各種智能能量采集設(shè)備組成主要完成建筑能耗數(shù)據(jù)的采集和上傳。同時智能設(shè)備還可以具備一定的控制功能，可以實(shí)現(xiàn)對用能設(shè)備運(yùn)行的控制和調(diào)節(jié)。設(shè)備層設(shè)備通常是不同廠家采用不同的協(xié)議，主流的協(xié)議包括kNX、Modbus、BACnet、PLC、Zigbee等有線及無線協(xié)議。
接入層:接入層主要是智能建筑物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該設(shè)備主要完成底層各種通信協(xié)議設(shè)備數(shù)據(jù)的集中接入、協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的規(guī)范化。接入層網(wǎng)關(guān)作為邊緣計(jì)算設(shè)備，具備一定的數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算能力。
傳輸層:傳輸層包括有線通信和無線通信。其中有線通信技術(shù)包括中長距離的廣域網(wǎng)終(如各種寬帶網(wǎng)終)和短距離的現(xiàn)場總線:無線通信層分為長距離的無線網(wǎng)絡(luò)(如LORA、NBIOT、3G/4G/5G)、中短距離的無線局城網(wǎng)(WiFi)、超短距離的無線局域網(wǎng)(如Zigbee)。通過有線及無線方式，完成數(shù)據(jù)到存儲中心的傳輸。
平臺層:平臺層主要提供智能建筑能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理、分析，為上層應(yīng)用程序以及其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)調(diào)用訪問的接口。平臺除具備設(shè)備接入、設(shè)備管理、規(guī)則引擎權(quán)限及安全管理等基礎(chǔ)功能外，還可提供大數(shù)據(jù)分析、人工智能等服務(wù)組件，為上層應(yīng)用提供大數(shù)據(jù)分析挖掘等高性能海量數(shù)據(jù)處理服務(wù)。
應(yīng)用層:應(yīng)用層調(diào)用平臺層提供的數(shù)據(jù)、邏輯等元素通過圖像、表格、視頻等方式對建筑能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化管理。通過采集到的樓宇環(huán)境溫濕度和水、電、空氣、空調(diào)等能耗數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地掌握樓寧能耗的分布情況、具體特點(diǎn)及通過能耗數(shù)據(jù)的分析，及時地掌握能耗浪費(fèi)、能源流失情況建立大樓能效模型，為提高樓宇的節(jié)能提供決策依據(jù)。同時，對樓宇中的高功率電器材如空調(diào)、電視、電腦微波爐等進(jìn)行電量能耗采集，準(zhǔn)確實(shí)時地了解用戶的能耗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)用戶的用能習(xí)慣，制定供能方案，調(diào)整供能策略減少不必要的能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)因地制宜的節(jié)能降耗措施。應(yīng)用層應(yīng)對上提供開放接口，支持同能源供應(yīng)企業(yè)綜合能源服務(wù)商側(cè)的調(diào)度系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)開展建筑用能評估優(yōu)化等服務(wù)和系統(tǒng)對接，更大程度發(fā)揮數(shù)據(jù)價值，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。
2.3其他建議
國家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解析節(jié)點(diǎn)以便于系統(tǒng)及設(shè)備間的互聯(lián)互通;同時制定扶持獎勵政策鼓勵各商業(yè)建筑樓宇積極接入能耗監(jiān)測平臺，開展建筑能耗數(shù)據(jù)的開放共享，充分挖掘建筑能耗數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)價值和社會效益。
3安科瑞建筑能耗分析系統(tǒng)
3.1概述
Acrel-5000web建筑能耗分析系統(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(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)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國家有關(guān)規(guī)定實(shí)施能源計(jì)算，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，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計(jì)算報告。
3.2應(yīng)用場所
適用于公共建筑、集團(tuán)公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測與管理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。
3.3系統(tǒng)功能
3.3.1系統(tǒng)概況
平臺運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)月能耗折算、地圖導(dǎo)航，各能耗逐時、逐月曲線，當(dāng)日，當(dāng)月能耗同比分析滾動顯示。
3.3.2用能概況
對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項(xiàng)等用能進(jìn)行對比，支持當(dāng)日逐時趨勢、當(dāng)月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計(jì)對比、總能耗同環(huán)比對比。
3.3.3用能統(tǒng)計(jì)
對建筑、區(qū)域、分項(xiàng)、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報表的形式統(tǒng)計(jì)對分類能源用能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，支持報表數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行生成柱狀圖。
3.3.4復(fù)費(fèi)率統(tǒng)計(jì)
復(fù)費(fèi)率報表按日、月、年統(tǒng)計(jì)對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。
3.3.5同比分析
對建筑、分項(xiàng)、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結(jié)合的方式進(jìn)行用能數(shù)據(jù)同比分析。
3.3.6能源流向圖
能源流向圖展示單棟建筑指ding時段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標(biāo)值查看。
3.3.7夜間能耗分析
夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在指ding時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計(jì)對比，支持導(dǎo)出報表。
3.3.8設(shè)備管理
設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運(yùn)行。
3.3.9用戶報告
用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計(jì)各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結(jié)果，針對用電提供單獨(dú)的復(fù)費(fèi)率用能分析，報告可編輯。
4.系統(tǒng)硬件配置
應(yīng)用場景 | 型號 | 圖 片 | 保護(hù)功能 |
建筑能耗管理系統(tǒng) | Acrel-5000web |
| 采用泛在物聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動通訊、智能傳感等技術(shù)手段可為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析、能效分析、用能預(yù)警、設(shè)備管理等服務(wù)，平臺可以廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。 |
智能網(wǎng)關(guān) | ANet-1E2S1 |
| 采用嵌入式硬件計(jì)算機(jī)平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網(wǎng)絡(luò)接口，作為信息采集系統(tǒng)中采集終端與平臺系統(tǒng)間的橋梁，能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進(jìn)行水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)采集匯總，并使用相應(yīng)的規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)給平臺系統(tǒng)。 |
高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜 | APM810 |
| 具有全電量測量，電能統(tǒng)計(jì)，電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設(shè)計(jì)，當(dāng)客戶需要增加開關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD卡記錄，以太網(wǎng)通訊時，只需在背部插入對應(yīng)模塊即可。 |
APM520 |
| 三相全電量測量，2-63次諧波，不平衡度，支持付費(fèi)率，越限告警，SOE,4-20mA輸出。 | |
低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜 | AEM96 |
| 三相多功能電能表，均集成三相電力參數(shù)測量及電能計(jì)量及考核管理，提供上24時、上31日以及上12月的電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。具有63次分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)“遙信"和“遙控"功能，并具備告警輸出，可廣泛應(yīng)用于多種控制系統(tǒng)，SCADA系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中。 |
動力柜 | ACR120EL |
| 測量所有的常用電力參數(shù)，如三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，諧波等，并具備完善的通信聯(lián)網(wǎng)功能，非常適合于實(shí)時電力監(jiān)控系統(tǒng)。 |
DTSD1352 |
| DIN35mm導(dǎo)軌式安裝結(jié)構(gòu)，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進(jìn)行時鐘、費(fèi)率時段等參數(shù)設(shè)置，精度高、可靠性好、性能指標(biāo)符合國標(biāo)GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T614-2007對電能表的各項(xiàng)技術(shù)要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 | |
AEW100 |
| 三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費(fèi)率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。 |
照明箱 | DTSD1352 |
| DIN35mm導(dǎo)軌式安裝結(jié)構(gòu)，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進(jìn)行時鐘、費(fèi)率時段等參數(shù)設(shè)置，精度高、可靠性好、性能指標(biāo)符合國標(biāo)GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T614-2007對電能表的各項(xiàng)技術(shù)要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 |
DDSD1352 |
| DDSD1352單相電子式電能表主要用于計(jì)量低壓網(wǎng)絡(luò)的單相有功電能，同時可測量電壓、電流、功率等電量，具有紅外通訊功能，并可選配RS485通訊功能，方便用戶進(jìn)行用電監(jiān)測、集抄和管理?？伸`活安裝于配電箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對不同區(qū)域和不同負(fù)荷的分項(xiàng)電能計(jì)量，統(tǒng)計(jì)和分析。 | |
DDS1352 |
| 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計(jì)量，紅外及RS485通訊，電流規(guī)格10（60）A，有功電能精度1級。無功精度2級，尺寸:1P | |
ADW300/4G |
| 計(jì)量低壓網(wǎng)絡(luò)的三相有功電能，具有RS485通訊和470MHz無線通訊功能，方便用戶進(jìn)行用電監(jiān)測、集抄和管理。可靈活安裝于配電箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對不同區(qū)域和不同負(fù)荷的分項(xiàng)電能計(jì)量，統(tǒng)計(jì)和分析。 | |
ARCM300T-Z-4G |
| 三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費(fèi)率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。 | |
給水管道 | 水表 |
| 計(jì)量流經(jīng)給水管道用水的體積總量，適用于單向水流，采用電子直讀技術(shù)，通過RS485總線直接輸出表盤數(shù)據(jù)。 |
5結(jié)語
樓宇建筑作為智能電網(wǎng)與能源需求側(cè)，樓宇建筑用能占據(jù)整個能源消耗很大部分。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造傳統(tǒng)樓宇能效管理，建立基于物聯(lián)網(wǎng)的樓宇能耗監(jiān)測系統(tǒng)，分析樓宇能量消耗的客觀規(guī)律以及可能影響因素，實(shí)現(xiàn)能耗降低、節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和提高生活舒適度;同時加強(qiáng)對建筑能效的統(tǒng)一監(jiān)測管理，對減少需求側(cè)電力能源浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)電力供需平衡充分挖掘建筑能耗數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)價值和社會效益，有著非常重要的作用和意義。
參考文獻(xiàn)
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作者介紹
任運(yùn)業(yè)，安科瑞電氣股份有限公司。
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