基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公共建筑能源管理系統(tǒng)研究

張 建 濤

(勝利油田長龍石油新技術(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司，山東 東營 257000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，能源的使用量也出現(xiàn)快速上漲的趨勢。而建筑能耗、工業(yè)能耗和交通運(yùn)輸能耗是我國能源消耗的三大主力，其中建筑能耗大約占據(jù)了總能耗的30%。

黨的十八大提出了建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的目標(biāo)，在這樣的背景下，尋找新的建筑能源管理方法和技術(shù)，對建筑耗能設(shè)備進(jìn)行整體管理優(yōu)化是當(dāng)前節(jié)能工作的趨勢所在。當(dāng)前，我國信息科技的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為國家各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型改革的切入點和帶動者，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)研究逐漸成為各領(lǐng)域關(guān)注的焦點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息科技技術(shù)非常重要的部分，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行建筑能源管理平臺的研究，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對建筑耗能設(shè)備的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集和管理，可以更加有效的實現(xiàn)建筑能源精細(xì)化管理，為大型公共建筑節(jié)能減排提供技術(shù)支撐。

1 新時代背景下的建筑能源管理需求

多項研究表明，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，尤其是運(yùn)行能耗的控制水平整體偏低，已經(jīng)逐漸成為我國目前能源問題的關(guān)鍵。建筑能源管理指的是，通過系統(tǒng)化的控制建筑物能源消耗及能源消耗模式的策略，在滿足建筑內(nèi)舒適度等各方面要求的前提下，使得能耗量和能耗費(fèi)用最小化[1]。

建筑能源管理的前提是對建筑能源消耗的監(jiān)測和統(tǒng)計，高效的能源管理必須建立在充分的能耗監(jiān)測和精確的能源統(tǒng)計之上。這就包括了對建筑用能系統(tǒng)，包括暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等的全面監(jiān)測，以及對各類設(shè)備分類分項的能耗數(shù)據(jù)的采集、整理與分析。而過往采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行能耗統(tǒng)計與分析，由于公共建筑設(shè)備數(shù)量和種類多樣，設(shè)備數(shù)量、規(guī)格、型號、功率等各不相同(見表1，表2)，因此能源統(tǒng)計獲取的數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)類型多種多樣，進(jìn)行能源審計的工作量和工作難度都較高，這在一定程度上阻礙了相關(guān)能源管理工作的開展。尤其是對于建筑集群來說，傳統(tǒng)的建筑能耗統(tǒng)計無法滿足多棟建筑同時展開的綜合能源管理。

表1 暖通空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備清單

表2 電氣系統(tǒng)主要設(shè)備清單

因此，隨著公共建筑的類型和體量的不斷增加，在建筑能源管理的體系中，亟需引入一種高效率、低成本，同時可以實現(xiàn)大規(guī)模建筑集群能源消耗的實時監(jiān)測與能耗數(shù)據(jù)收集的新型技術(shù)。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)成為解決這一問題的重要選擇，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對建筑中各類設(shè)備的大量能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測和收集，并整合到統(tǒng)一的能源管理平臺，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，從而幫助管理者對區(qū)域化的建筑集群能源消耗展開統(tǒng)籌管理。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的概念在1985年由Peter T.Lewis提出后，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟。物聯(lián)網(wǎng)，即Internet of Things，它的本質(zhì)是物體和物體之間相互進(jìn)行連接所建立的網(wǎng)絡(luò)，它是互聯(lián)網(wǎng)的一部分，同時還可以與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)的處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過多種不同的傳感器模塊，對需要的監(jiān)控、連接、互動的設(shè)備的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，它主要用于企業(yè)之間的緊密聯(lián)系，可以實現(xiàn)供應(yīng)鏈中各個節(jié)點，包括物與物、物與人等的網(wǎng)絡(luò)連接和信息共享，從而實現(xiàn)高效快捷的管理。

物聯(lián)網(wǎng)在本質(zhì)上是通過局域網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備識別和數(shù)據(jù)交互的，這也就意味著物聯(lián)網(wǎng)必然是以互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，同時它也是在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的延伸，此外，物聯(lián)網(wǎng)的用戶擴(kuò)張到了互聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備和設(shè)備之間，這些在同一個網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。物聯(lián)網(wǎng)實際上是一種將物與物相連，并將多種感知設(shè)備和傳輸設(shè)備相融合的聚合性復(fù)雜系統(tǒng)，它的體系結(jié)構(gòu)在技術(shù)上包含三層，傳感層、傳輸網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。傳感層是基層，包含各類傳感器設(shè)備并提供泛在的感知網(wǎng)絡(luò)；傳輸網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)層次中處在中間層，它由信息和管理中心組成；應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層則是物聯(lián)網(wǎng)的最頂層，它是用戶終端，通過用戶的操作可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)設(shè)備的信息交互。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑能源管理中的應(yīng)用

公共建筑能源管理系統(tǒng)包含了設(shè)置在建筑中不同位置的物聯(lián)網(wǎng)終端、物聯(lián)網(wǎng)能源管理平臺以及通信設(shè)施，而物聯(lián)網(wǎng)獨特的體系結(jié)構(gòu)剛好可以對應(yīng)滿足建筑能源管理系統(tǒng)的多層需求(見圖1)。

其中，傳感層主要是通過各終端設(shè)備實時采集建筑能源消耗數(shù)據(jù)，它也是物聯(lián)網(wǎng)能源管理的前提和基礎(chǔ)，通過傳感器完成能耗數(shù)據(jù)信息的采集。對于建筑能源管理系統(tǒng)來說，傳感層數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效收集和精細(xì)化管理的前提是能耗分項計量，因此，需要在能源管理系統(tǒng)建立之初就完成能耗分項計量的相關(guān)設(shè)備。計量對象包括：耗電量、耗水量、耗熱量，耗冷量，耗煤氣量等，其中，電能消耗是公共建筑主要能耗，需進(jìn)一步根據(jù)耗能設(shè)備等進(jìn)行細(xì)分，也可以根據(jù)實際運(yùn)行情況進(jìn)行分時段計量等[2]。

目前建筑智能化系統(tǒng)設(shè)計中一般沒有分項計量功能，難以實現(xiàn)能耗精細(xì)化管理，因而實現(xiàn)能耗分項計量是搭建物聯(lián)網(wǎng)智能建筑能源管理平臺很重要的需求。分項計量需要利用物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)首先安裝分項計量裝置，按電、水、油、氣等能源形態(tài)分類后，再根據(jù)不同的能源用途和用能區(qū)域進(jìn)行分項計量，也可以根據(jù)實際需要對能耗情況進(jìn)行分時段的計量。分項數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥茉垂芾砥脚_后，可以實現(xiàn)對能耗設(shè)備運(yùn)行狀況實時監(jiān)測；根據(jù)分項數(shù)據(jù)不同辦公區(qū)域或者不同時段的能耗比較，可以準(zhǔn)確詳細(xì)地掌握一個單位或系統(tǒng)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，對建筑存在的節(jié)能潛力做出診斷；在此基礎(chǔ)上，提出節(jié)能改造方案。

能耗分項計量為開展能源審計工作提供了前提，能源管理系統(tǒng)可以實時監(jiān)測各個耗能設(shè)備的狀況。同時，通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)層將建筑能耗數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺，這一數(shù)據(jù)傳輸途徑主要是通過匯聚網(wǎng)的短距離通信技術(shù)獲取傳感層信息，通過接入網(wǎng)完成數(shù)據(jù)接入，最后由承載網(wǎng)將能耗數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層[3]。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層，對接收到的分項能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，獲取建筑用能特點、重點耗能單位，以及建筑能源消耗結(jié)構(gòu)等，并對建筑能源利用效率進(jìn)行評價，對建筑的節(jié)能潛力做出評估。此外，還可以在完成能耗數(shù)據(jù)的綜合計量與分析的基礎(chǔ)上，利用應(yīng)用層完成物聯(lián)網(wǎng)平臺能源管理系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)，包括建筑耗能設(shè)備遠(yuǎn)程管理、能耗數(shù)據(jù)管理等。

4 融入物聯(lián)網(wǎng)的建筑能源管理系統(tǒng)發(fā)展方向

從目前的研究來看，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國建筑能源管理體系中的應(yīng)用并不算普遍，而目前的建筑能耗監(jiān)測與能源管理系統(tǒng)還存在著很多問題。

1)從技術(shù)角度來說，當(dāng)前的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)主要覆蓋的是建筑物電器設(shè)備系統(tǒng)對于建筑耗能數(shù)據(jù)的采集，所采集到的數(shù)據(jù)也只能實現(xiàn)從終端設(shè)備到數(shù)據(jù)平臺的單向傳輸，具有信息反饋和控制功能的雙向?qū)舆€需要進(jìn)一步的研究；

2)當(dāng)前基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)依然具有海量數(shù)據(jù)的特征，如何對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析挖掘和利用是建筑能源管理系統(tǒng)的重要研究方向。

5 結(jié)語

在我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的大背景下，建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)和建筑能源管理系統(tǒng)都在不斷的發(fā)展和完善，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到建筑能耗監(jiān)測體系中，對現(xiàn)有建筑能源管理系統(tǒng)的技術(shù)升級和智能化發(fā)展具有非常重要的意義，與此相關(guān)的各項研究具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，建筑能源管理體系也會變得更加完善。