基于物联网技术的能源管理系统设计

时间：2020-09-09

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

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%。

党的*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,基于互联网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减少。

建筑能源管理的前提是对建筑能源消耗的监测和统计,高效的能源管理须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。

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 Peter T. Lewis 提出后,经过多年的发展已经日趋成熟。物联网,即 Internet of Things,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**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*特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。

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,然后由承载网将能耗数据传输至应用网络层。

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 安科瑞能耗监控系统介绍

Acrel-5000能耗在线监测系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。用户可按照国家有关规定实施能源审计，分析现状，查找问题，挖掘节能潜力，提出切实可行的节能措施，并向县级以上人民**管理节能工作的部门报送能源审计报告。

5.1平台结构

Acrel-5000能耗在线监测系统以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，根据现场实际情况采用现场总线、光纤环网或无线通讯中的一种或多种结合的组网方式，为大型公共建筑的实时数据采集及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测设备构成任意复杂的监控系统。开放性、网络化、单元化、组态化的采用面向对象的分层、分级、分布式智能一体化结构。建立如下层次结构：

5.2 平台功能

（1）系统可按使用年份统计建筑物各分类能耗——电、水、气、集中供热、集中供冷以及其它能源消耗量，自动折算成相应的标准煤消耗量，从而反映建筑物当年各分类能耗用能和综合能耗。系统以饼图形式展示建筑4大用电分项能耗的占比情况。系统以曲线图形展现各类能耗的消耗的消耗趋势，便于业主方实时直观掌握能源消耗情况。

（2）系统可以根据分类能耗的支路名称查询用能情况，显示当日和当月的用能峰值。显示当日用能、当月用能、当年用能与昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比较情况。以条形显示过去48小时、31天、12个月、3年的能耗情况。右上角显示过去15分钟曲线（电表显示功率曲线，流量表显示流速曲线）。

（3）系统依据建筑物能源消耗的分布情况进行能耗计量点的选取和设置，使得能耗监测系统可以覆盖整个建筑物。系统使用者可通过相关界面调取该建筑物各能耗节点的能耗统计报表，减少用能的“跑、冒、滴、漏”和计量误差。

（4）系统依据住建部分类分项能耗数据采集导则，将建筑物耗电分为照明插座、空调、动力和特殊用电进行计量装置选型和设置，并按用能区域或功能区域等划分并进行统计，以报表和同、环比棒图形式展现该区域的能源消耗。

（5）系统可针对能源消耗量大的设备或区域进行准确定位，便于管理层节能绩效考核制度，推动节能降耗的有效执行。为用能重点设备建立运行记录档案，长期跟踪记录设备运行过程中的能效分析评估结果，结合设备维护保养记录，为设备的运行维护提供依据。

（6）系统提供分级权限管理功能，对具备权限用户提供开放的信息维护接口，用户可自行对建筑和系统监测范围内计量点的信息进行增、删、改和查询，建筑物信息包括建筑类型、建设年代、建筑面积、建筑物人员数量等。系统还对无法自动采集的计量信息提供手动录入功能，便于使用者掌握建筑物总体能耗情况。

5.3 数据上传

安科瑞能耗在线监测系统按照重点用能单位能耗在线监测系统技术规范定义的系统平台接口协议规范的要求，将用能企业的基础信息、计量器具信息、用能数据及能效数据上传至省级或国家平台，上传数据经过HTTPS协议加密传输。如果数据传输失败或时（网络故障），将重发数据，直至接收成功反馈消息。

5.4 能源计量表具选型

5.5通讯网关参数

6 结语

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加完善。

【参考文献】

[1] *人民共和国住房和城乡建设部.智能建筑行业发展纲要[Z].2008.

[2] 张建涛.基于物联网技术的公共建筑能源管理系统研究[J]山西建筑.2020.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版

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