简谈基于物联网技术的校园能耗智慧监控平台的设计及应用

时间：2024-04-08作者：安科瑞电子商务（上海）有限公司浏览：22

摘 要：为打造低碳校园，营造良好的学习环境，针对目前校园建筑能耗大，特别是空调节能困难等问题，特采用物联网技术构建校园建筑能耗智慧监控平台。通过设计空调监控子系统，搭建空调监控模型实现了空调等智能硬件设备根据环境自动调节温湿度等多种控制模式，从而达到节能、降耗与降目的。智慧监控云平台的设计使用户对电量数据、能耗信息等进行监控，实现了真正的节能、、和低耗。

关键词：物联网；建筑能耗；智慧监控；远程管理；网关；能耗

0 引言

随着社会经济的飞速发展，人民生活质量不断提高，由此人们对生活和工作的智能化环境关注度也越来越高。当下，人们对建筑消费的已从“硬件（装修和的消费品）”消费转向“软件（功能和环境品质）”消费，如何降低室内空气品质所需的能耗（空调、通风、采暖、热水供应）成为关注热点。狭义的建筑能耗，即建筑的运行能耗，指人们日常用能，如采暖、空调、照明、炊事、洗衣等，是建筑能耗的重要组成。据统计，在建筑能耗中，空调能耗占较高比例，约为2/3，建筑能耗与工业能耗、农业能耗及交通运输能耗称为民生能耗，我国空调能耗约占总能耗的22%。

随着近几年校园的不断合并与扩建，我国校园空调持有量持续上升，相应的能耗也随之上涨。倘若维持空调原有能效，预计到2050年，我国校园空调能耗将增长一倍以上。因此，建设建筑节能型校园是低碳城市建设的重要环节之一。通过结合物联网、自动控制和传感等技术，建设校园建筑能耗智慧监控平台，包括校园建筑能耗智慧监控平台的总体设计和校园建筑能耗空调监控模型的搭建与子系统的设计，从而实现智慧监控，进一步提高校园建筑能耗空调的运行效率，实现节能减排。

1 校园建筑能耗存在的问题

学校是我国公建节能和建筑的重要领域，住建部发布的《建筑节能与建筑发展“十三五”规划》中多次提及节能校园建设。在大力支持与学校的积响应下，目前各学校都着力建设节能型校园。但当前学校节能工作仍然面临着很大挑战，存在以下问题。

（1）随着我国城市化进程不断加快，以及国家对教育领域的大力支持与投入，随着校园建筑面积的扩大，以及空调、学生电脑等插电设备的使用，使得能耗问题变得较为严重，

造成能源的很大浪费。

（2）现有的耗电设备智能化程度低，部分学生因节能意识薄弱，时常在离开教室或公共场所时不关空调等耗电设备，而这些耗电设备不会根据环境的变化按时段、按需求和按人数等进行自动调整，也不会根据温湿度、光照度的变化进行多种控制模式的调节，导致浪费大量能耗。

（3）现有校园建筑能耗监控平台技术水平不高。在平台的设计中较少把能耗信息与信息相关联，且数据可视化程度不高，真正对能耗的预测与监控技术应用较少，无法实现节能、低耗、和管控等目的。

近几年随着物联网技术、传感技术与云计算技术等的快速发展，考虑到学校的建筑能耗，建设校园建筑能耗智慧监控平台，打造节约型校园势在必行。

2 校园建筑能耗智慧监控平台的总体设计

通过数字化信号采集技术结合物联网相关通信技术，构成了校园建筑能耗智慧监控平台，主要包括智慧用电单相模块、智能插座、智能网关以及云平台等，支持远程管理和控制，可根据控制策略实施联动管理。校园建筑能耗智慧监控平台总体设计如图1所示。

该平台的设计采用物联网三层架构体系与云数据相连，通过无线传感模块对是否有人、温湿度等环境数据进行采集，利用智能电源控制器实时正确地掌握空调等智能硬件设备的工作状态，建立各类策略，对异常状态及时报警，运用ZigBee技术接入智能物联网网关，采用 4G，5G，WiFi，以太网等网络通信技术接入云平台，实现了在无人或人少的情况下，按时段、按需求、按环境等对智能设备进行控制，避免无人空调未关、温湿度适宜空调仍高速运转等现象，实现空调根据环境自动调节温湿度等多种控制模式，达到节能降耗要求。云平台对电量数据、能耗信息进行了长期存储，方便查询，便于用户了解用电量，实现对校园建筑能耗的实时监控。

3 校园建筑能耗空调监控子系统的设计

根据现有校园的特点，提供两种方式进行温湿度控制，即通过智能电扇控制终端来管理电扇的速度以及运行，允许远程调节风扇档位，或通过温湿度感知、环境智控终端及空调构成一套温湿度控制系统，如图2所示。

3.1 空调监控子系统

智慧温湿度环境系统（空调）主要由温湿度智能感知模块、环境智控终端、无线控制模块（可控制空调并带有*习功能）、学校现有空调组成，可以扩充网关接入智慧环境管控平台，支持移动端和 PC 端设备远程控制和管理。温湿度智能感知模块高速、地环境温湿度后将数据传送给环境智控终端。环境智控终端根据手动或远程配置好的控制策略进行空调运行控制 ；无线控制模块负责对空调设备进行无线控制。子系统组成如图 3 所示。

利用云计算技术通过云平台实现对传感模块实时数据的 长期存储与正确显示，控制空调等智能硬件设备产生的监测数据，方便对其进行长期管理。

3.2 空调监控子系统功能需求

（1）支持特定情况下手动设置运行温度控制目标，设备根据环境的真实测量值，自动控制环境温湿度直至达到手动设定的目标值 ；

（2）能够自动识别教室环境的温度、湿度，根据设置好的目标参数自动调节空调运行，控制空调的制热、制冷、，确保教室环境始终处于恒定舒适状态 ；

（3）支持空调等设备的远程管理，可以远程配置空调管理策略，如温度达到 32 ℃后打开空调，设置时间段关闭空调等 ；

（4）利用采集的环境数据进行自动分析，不断优化环境的控制条件，在确保环境舒适度的前提下，节约能源，优化人力维护和管理成本 ；

（5）实现风扇速度调节和控制，支持风扇远程关闭和开启。

3.3 校园建筑能耗空调监控模型的搭建

结合校园建筑的实际情况与用户使用空调的行为习惯，根据建筑空调子系统的特征和原理，采用物联网等技术实现数据采集。搭建的校园建筑能耗空调监控模型如图4所示。

根据空调的运行原理设计模糊控制器，通过分析历史数据并与相关数据进行比较后建立知识库，对可能产生的问题进行预警，并对用户产生的数据进行诊断与预测，有效降低建筑能耗，实现校园建筑节能目标。

4 高校综合能效解决方案

4.1校园电力监控与运维

集成设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行，集中调控，集中监控，数字化巡检，移动运维， 班组重新优化整合，减少人力配置。

4.2后勤计费管理

采用的网络抄表付费管理技术，实现电、水、气等能源综合计费，实现远程抄表、费率设置、 账单统计汇总等，支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式，可设置补贴方案。通过能源付费管理方式，培养用能群体和部门的节能意识。

4.2.1宿舍用电管理

针对学生宿舍用电进行管理控制：可批量下发基础用电额度和定时通断功能；可进行恶性负载识别，检测违规电气，并可违规用电跳闸记录。

4.2.2商铺水电收费

针对校园市、商铺、食堂及其他针对个体的水电用能进行预付费管理。

4.2.3充电桩管理平台

充电桩在“源、网、荷、储、充”信息能源结构中是必不可缺的。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必不可缺的一部分。

4.2.4智能照明管理

通过对高校路灯的全局监测，提供对路灯灵活智能的管理，实现校园内任路，任一个路灯的定时 开关、强制开关、亮度调节，以及定时控制方案灵活设置，确保路灯照明的智能控制和节能。

4.3能源管理系统

针对校园水、电、气等各类接入能源进行统计分析，包含同比分析、环比分分析、损耗分析等。了解用能总量和能源流向。

按校园建筑的分类进行采集和统计的各类耗电数据。如办公类耗电、教学类建筑耗电、学生宿舍耗电等，对数据分门别类的分析，提供决策，提高管理效能。

构建符合校园节能监管内容及要求的数据库，能自动完成能耗数据的采集工作，自动生成各种形式的报表、图表以及系统性的能耗审计报告，能够监测能耗设备的运行状态，设置控制策略，达到节能目的。

4.4智慧消防系统

智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态消防信息，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。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”需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就能够通知到达相关人员。

5.平台部署硬件选型

5.1电力监控与运维平台

应用场合	产品	型号	功能
变电所运维云平台		AcrelCloud-1000	AcrelCloud-1000变电所运维云平台基于互联网＋、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台，满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视频场景等需求，实现数据一个，集中存储、统一管理，方便使用，支持具有权限的用户通过电脑、手机、PAD等各类终端链接访问、接收报警，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。
智能网关		Anet系列	8个RS485串口 2kV隔离， 2个以太网接口，支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/ 104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-60870-5 -104等上传协议、支持多不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220V AC/DC。
		ANet-2E4SM	4路RS485 串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC 12 V ～36 V 。支持4G扩展模块，485扩展模块,可扩展16路。
10KV进/馈线		AM6-L	相间电流速断保护，相间电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。
10/0.4KV变压器		AML-S	分合闸位置、手车工作/试验位置、接地闸位置、硬接 点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、 装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、温报警、过温报警、装置告警、PT 断线、CT 断线、对时异常等) 、遥控 开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、 跳闸、故障电流电压)等。
35kV/100kV/6kV 间隔智能操控、 35kV/10kV/ 6kV传感器		ASD500	一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温。
35kV/10kV/ 6kV传感器			合金片固定，CT感应取电，启动电流大于，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；
35kV/10kV/6kV 间隔电参量测量		APM810	三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In；四象限电能；实时及需量；电流、电压不平衡度；负载电流柱状图显示；66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录；2-63次谐波；2DI+2DO RS485/Modbus；LCD显示；
变压器接头测温低压进出线柜接头测温		ARTM-Pn	可至多配套60个ATE400测温传感器，无线温度传感器 ATE400 适用于手车式动触头，电缆与母排搭接处，隔离闸搭接处等电气搭接点的温度测量，采用捆绑式安装。可使用ATC-400无线测温接收数据。该终端可单安装在高压柜、低压抽屉柜内。
中低压回路		WHD72-11	WHD温湿度控制器产品主要用于中高压开关 柜、端子箱、环网柜、箱变等设备内部温度和 湿度调节控制。工作电源：AC/DC 85～265V 工作温度：-40.0℃～99.9℃ 工作湿度：0RH～99RH
		ADW300	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能 、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次） ；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目）
		DTSD1352	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级


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