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，對重點建筑能耗進(jìn)行實時監(jiān)測，并通過能耗統(tǒng)計能源審計、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。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行規(guī)律，進(jìn)而為建筑設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化運行提供模型和數(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)，再通過智能化的計算和互聯(lián)技術(shù)的支撐，實現(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，可以實現(xiàn)對用能設(shè)備運行的控制和調(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)作為邊緣計算設(shè)備，具備一定的數(shù)據(jù)存儲和計算能力。
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、具體特點及通過能耗數(shù)據(jù)的分析，及時地掌握能耗浪費、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，實現(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，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(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)定實施能源計算，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，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計算報告。
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、施工和運行維護(hù)。
3.3系統(tǒng)功能
3.3.1系統(tǒng)概況
平臺運行狀態(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)計對比、總能耗同環(huán)比對比。
3.3.3用能統(tǒng)計
對建筑、區(qū)域、分項、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進(jìn)行統(tǒng)計，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)費率統(tǒng)計
復(fù)費率報表按日、月、年統(tǒng)計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進(jìn)行統(tǒng)計分析。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。
3.3.5同比分析
對建筑、分項、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時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，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)備的運行。
3.3.9用戶報告
用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計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，針對用電提供單獨的復(fù)費率用能分析，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，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，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。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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 |
DDSD1352 | 
| DDSD1352單相電子式電能表主要用于計量低壓網(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)，實現(xiàn)對不同區(qū)域和不同負(fù)荷的分項電能計量，統(tǒng)計和分析。 |
DDS1352 | 
| 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量，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?？伸`活安裝于配電箱內(nèi)，實現(xiàn)對不同區(qū)域和不同負(fù)荷的分項電能計量，統(tǒng)計和分析。 |
ARCM300T-Z-4G | 
| 三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。 |
給水管道 | 水表 | 
| 計量流經(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，實現(xiàn)能耗降低、節(jié)約成本，實現(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、實現(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。
安科瑞侯文莉
