基于建筑能耗監(jiān)測管理的樓宇智能化分析

王曉晨

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)是樓宇智能化體系中的一個(gè)重要組成部分，其通過對(duì)樓宇中的各類設(shè)施設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以為設(shè)備運(yùn)行調(diào)控提供依據(jù)，讓樓宇保持正常運(yùn)行的同時(shí)，減少能耗，降低樓宇的智能化運(yùn)作成本，由此滿足當(dāng)代樓宇智能化建設(shè)在節(jié)能減排、成本管控方面的需求，深入優(yōu)化樓宇的智能化建設(shè)水平。

1 在智能化樓宇中建筑能耗監(jiān)測管理的作用

就目前來看，在樓宇的智能化運(yùn)行中，建筑能耗監(jiān)測管理的作用主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。①信息透明，在樓宇的運(yùn)行中，通過能耗監(jiān)測管理所獲得的信息會(huì)以可視化數(shù)據(jù)的形式集中展示，讓管理者對(duì)各類設(shè)施的能耗情況一目了然，這有助于管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障帶來的能耗異常問題，提高運(yùn)維工作效果。②節(jié)能減排，在能耗監(jiān)測管理中，通過監(jiān)測太陽能等樓宇中的綠色能源設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色能源發(fā)電情況的管控，為樓宇的綠色能源互補(bǔ)微循環(huán)提供依據(jù)，由此更好地支持樓宇的節(jié)能減排。③強(qiáng)化整體管理，建筑能耗監(jiān)測管理中，通過根據(jù)區(qū)域功能，對(duì)相關(guān)的用電信息進(jìn)行日、月度、季度、年度的統(tǒng)計(jì)分析，可以為樓宇的整體設(shè)備運(yùn)作管理提供依據(jù)，強(qiáng)化設(shè)備的整體管理。

2 基于建筑能耗監(jiān)測管理的樓宇智能化建設(shè)原則

為了更好地會(huì)發(fā)揮建筑能耗監(jiān)測管理的效能，需要在開展樓宇智能化建設(shè)的過程中，遵循以下4 項(xiàng)原則：①統(tǒng)一性原則，應(yīng)按照整體規(guī)劃，遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一的樓宇智能化建設(shè)，確保監(jiān)測管理系統(tǒng)能夠與樓宇的整體智能化系統(tǒng)相匹配，為管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。②先進(jìn)性原則，在樓宇智能化建設(shè)中，需要優(yōu)先選用先進(jìn)的設(shè)計(jì)、技術(shù)路線、測試技術(shù)、組件，為能耗監(jiān)測管理運(yùn)行提供有力的支持，保證管理的效率和效果。③安全可靠原則，應(yīng)在樓宇系統(tǒng)建設(shè)中注重對(duì)安全防護(hù)、抗干擾能力、容錯(cuò)能力的考慮，由此塑造出安全、穩(wěn)定的管理系統(tǒng)，讓管理工作得以穩(wěn)定、安全、可靠地開展。④實(shí)用性原則，樓宇的管理操作系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)當(dāng)符合國家、國際的通用標(biāo)準(zhǔn)，且應(yīng)具有操作友好、便于維護(hù)拓展的特征，以支持后續(xù)能耗監(jiān)測管理的順利開展。

3 基于建筑能耗監(jiān)測管理的樓宇智能化建設(shè)策略

3.1 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)策略

在樓宇智能化建設(shè)中，為了達(dá)到智慧城市的建設(shè)要求，實(shí)現(xiàn)智慧物聯(lián)信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、規(guī)范化管理，需要建立基于物聯(lián)網(wǎng)的樓宇智能管理體系，以通過對(duì)建筑進(jìn)行智慧化的能耗監(jiān)測管理，達(dá)到節(jié)能減排、降低運(yùn)營成本的效果。為此，在基于建筑能耗監(jiān)測管理的樓宇智能化建設(shè)中，需要先做好物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，為后續(xù)的樓宇智能化能耗監(jiān)測管理運(yùn)行提供條件。

在物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)過程中，常用的物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3 種，即星狀網(wǎng)（圖1）、網(wǎng)狀網(wǎng)（圖2）、樹狀網(wǎng)（圖3）。其中，樹狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的開發(fā)、維護(hù)成本低、難度低，現(xiàn)場施工布置比較容易，同時(shí)其的信息傳輸能力、覆蓋能力也可以滿足智能樓宇的能耗監(jiān)測管理需求，因此，在樓宇智能化建設(shè)中，通常會(huì)運(yùn)用星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。在此過程中，需基于集中控制，構(gòu)建分級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，并用多個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，組建出物聯(lián)網(wǎng)的多跳網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)中的終端節(jié)點(diǎn)可以通過最近的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。其中，協(xié)調(diào)階段作為互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)，以路由節(jié)點(diǎn)為中繼。在此物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)策略中，物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸方式為無線傳輸，所以無須布線，同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的終端、中繼，可采用電池供電的形式，由此縮減維護(hù)成本。此外，這種組網(wǎng)策略，支持根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活組網(wǎng)，而且其所需的運(yùn)行功率較低，穿透性也比較強(qiáng)，因此，運(yùn)用上述組網(wǎng)策略，能夠構(gòu)建出低能耗、性能好的物聯(lián)網(wǎng)體系。

圖1 星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖2 網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖3 樹狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.2 能耗數(shù)據(jù)采集策略

在樓宇的智能化建設(shè)中，為了順利實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測管理，需要運(yùn)用傳感器對(duì)各類設(shè)備的能耗信息進(jìn)行采集，然后再利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將采集到的能耗數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析系統(tǒng)中，由此獲得能耗監(jiān)測管理所需的各類信息，如月度耗電量統(tǒng)計(jì)表等，為樓宇設(shè)施運(yùn)行的節(jié)能減排管控提供依據(jù)。

基于此，在能耗數(shù)據(jù)采集上，需要在每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)處，集成構(gòu)建出傳感單元、無線通信模塊，以及MCU 處理單元。其中，傳感單元的主要作用是采集各個(gè)設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)，無線通信模塊則用于將這些數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析系統(tǒng)中。但為了保證數(shù)據(jù)的順利傳輸，就需要MCU 處理單元，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理組包，同時(shí)提供通信協(xié)議[1]。

但在此過程中，應(yīng)當(dāng)注意，考慮到物聯(lián)網(wǎng)的中繼通常設(shè)置在樓道內(nèi)、基站則一般設(shè)置在樓頂，與采集點(diǎn)之間的距離至少有幾米遠(yuǎn)，而且采集點(diǎn)是設(shè)在建筑內(nèi)，建筑墻體也會(huì)阻隔采集點(diǎn)無線通信模塊的射頻信號(hào)，所以，盡量選擇接收靈敏度高、穿透能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的射頻芯片?？紤]到樓宇中的設(shè)備數(shù)量較多，而且能耗監(jiān)測要求收集實(shí)時(shí)的能耗數(shù)據(jù)，這使得MCU 需要存儲(chǔ)和處理大量的數(shù)據(jù)，因此，在能耗數(shù)據(jù)采集上，應(yīng)當(dāng)選擇能夠提供足夠存儲(chǔ)空間，且具備順利完成通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理算法運(yùn)行能力的MCU。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中，還要注意，在智能化建設(shè)中，也要為傳輸模塊中的芯片簡單的外圍電路，從而降低設(shè)計(jì)難度，減少傳輸功耗[2]。

此外，還要注意，應(yīng)當(dāng)秉承先進(jìn)性原則，對(duì)傳感單元的能耗計(jì)量組件進(jìn)行選用。一般來說，能耗計(jì)量組件包括電表、水表、冷熱計(jì)量表等多種類型，其中，應(yīng)當(dāng)保證電表的精度等級(jí)＞1 級(jí)，水表精度等級(jí)≥2 級(jí)，冷熱計(jì)量表的精度等級(jí)則應(yīng)≥3 級(jí)，由此保證所采能耗數(shù)據(jù)的質(zhì)量，提高建筑能耗監(jiān)測管理工作的準(zhǔn)確性[3]。

3.3 能耗數(shù)據(jù)傳輸策略

在樓宇智能化建設(shè)中，為了實(shí)現(xiàn)建筑能耗監(jiān)測管理的智能化運(yùn)作，需要做好能耗數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)的構(gòu)建，并設(shè)置好配套的通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)程序，創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定、通暢的能耗數(shù)據(jù)傳輸條件，讓收集到的能耗數(shù)據(jù)能夠順利地輸入數(shù)據(jù)分析、顯示模塊中，以便于管理者隨時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)，以及統(tǒng)計(jì)圖表，借此完成相應(yīng)的建筑能耗監(jiān)測管理[4]。

在能耗數(shù)據(jù)傳輸上，通信協(xié)議是數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則，其的存在能夠保證數(shù)據(jù)有序、順暢的傳輸。常用的通信協(xié)議包括P-ALOHA、CSMA/CD、S-ALOHA 等，但對(duì)于樓宇智能化建設(shè)來說，P-ALOHA 更能滿足建筑能耗監(jiān)測管理運(yùn)作需求。P-ALOHA 支持物聯(lián)網(wǎng)條件下的無線信道工作，而且能夠適應(yīng)建筑內(nèi)較差的傳輸環(huán)境。運(yùn)用此協(xié)議，可以構(gòu)建出一個(gè)信道競爭系統(tǒng)，系統(tǒng)中每個(gè)站均能進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的自由發(fā)送，如果發(fā)送失敗，則可重發(fā)或隨機(jī)退避。在此過程中，通信協(xié)議所構(gòu)建的信號(hào)系統(tǒng)，若出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)站，在數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間上存在重疊，那么就會(huì)出現(xiàn)碰撞，讓這些站發(fā)送的數(shù)據(jù)出錯(cuò)，并全部需要重新傳輸，此時(shí)，P-ALOHA 可以讓各站等待一段時(shí)間后再重傳，以錯(cuò)開傳輸，減少再次碰撞[5]。

在能耗數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)均需要通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)，或?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)，從物聯(lián)網(wǎng)的感知層，傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)中，讓數(shù)據(jù)與人之間產(chǎn)生交互，最終發(fā)揮其在監(jiān)測管理上的能效，而網(wǎng)關(guān)則是物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的連接橋梁。通常來說，在網(wǎng)關(guān)程序的設(shè)計(jì)上，應(yīng)注重塑造其對(duì)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的接入能力、環(huán)境適應(yīng)能力，以及管理終端、中繼、協(xié)調(diào)器的能力，然后通過滿足基于上述能力構(gòu)建需求，進(jìn)行網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)，使網(wǎng)關(guān)能夠有效地管控物聯(lián)網(wǎng)中的各個(gè)傳感器終端以及節(jié)點(diǎn)，并將從物聯(lián)網(wǎng)感知層傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，借助TCP/IP 協(xié)議，傳輸?shù)椒?wù)器中，用于后續(xù)的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測管理工作環(huán)節(jié)應(yīng)用。

3.4 樓宇能耗計(jì)算策略

在樓宇智能化建設(shè)中，為了實(shí)現(xiàn)建筑能耗監(jiān)測管理，需要對(duì)收集到數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出總能耗、單位面積能耗等數(shù)據(jù)，然后通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，了解建筑能情況，制定管理決策、思路，達(dá)到對(duì)建筑能耗監(jiān)測管理的效果。

在樓宇能耗計(jì)算上，進(jìn)行總能耗的計(jì)算時(shí)，可以先將水、電、供熱、供冷等方面的能源消耗折算成為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，由此以統(tǒng)一的計(jì)量單位對(duì)能耗量進(jìn)行呈現(xiàn)，這不僅能夠?yàn)楦黝悓?duì)比分析統(tǒng)計(jì)圖的繪制提供數(shù)據(jù)，還能方便管理人員進(jìn)行比較，由此判斷節(jié)能工作的開展是否具有成效。待折算完成后，還可以計(jì)算出單位面積的能耗量，由此找出能耗較高的區(qū)域，以制定出針對(duì)性的管理措施，在此過程中，折算用的公式如式（1）所示。

式中：Eo——總能耗量；Pi——第i 類能源的折算系統(tǒng)；Esi——消耗的第i 類能源實(shí)物量。

此外，在建筑能耗監(jiān)測管理上，也要做好數(shù)據(jù)分析模型的建設(shè)，并借助科學(xué)、合理的數(shù)據(jù)分析模型，對(duì)能耗計(jì)算策略進(jìn)行完善，讓樓宇智能化系統(tǒng)能夠支持多種的能耗數(shù)據(jù)圖表輸出，由此為管理工作提供更加充實(shí)、有價(jià)值的依據(jù)，促進(jìn)樓宇運(yùn)行的節(jié)能減排、控制樓宇后勤支出，由此深入優(yōu)化樓宇智能建設(shè)的效果。

3.5 管理系統(tǒng)測試策略

在樓宇智能化建設(shè)中，為了保證能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，需要在上述系統(tǒng)構(gòu)建工作完成后，對(duì)管理系統(tǒng)進(jìn)行測試，確認(rèn)無問題后，才能將其投入使用。

在管理系統(tǒng)的測試中，首先，需測試頁面的操作性，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行登錄和退出操作，同時(shí)，在系統(tǒng)上進(jìn)行設(shè)備的ID 綁定，查看系統(tǒng)是否能夠正常顯示設(shè)備的能耗系統(tǒng)。

其次，進(jìn)行功能測試，先通過上行指令，用終端節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)送0～50 個(gè)字節(jié)，查看返回?cái)?shù)據(jù)測試上行鏈路功能。如果返回?cái)?shù)據(jù)為預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)，那么上行數(shù)據(jù)鏈路無問題，例如，終端節(jié)點(diǎn)的波特率為6300、用戶串口為UART3，數(shù)據(jù)格式為OxAA，Ox55，Length，0X01，data[n]，那么返回的數(shù)據(jù)有兩種，即表示發(fā)送成功的AA 55 02 02 00，以及表示發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)AA 55 02 02 01，返回的數(shù)據(jù)為兩者其中任何一組均說明系統(tǒng)上行鏈路無問題。之后，即可測試下行鏈路功能。在此過程中，先選好進(jìn)行測試的設(shè)備，然后輸入下行鏈路數(shù)據(jù)，然后查看終端節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容，如果發(fā)送與接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容一致，那么就說明下行鏈路功能無問題。

最后，進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)查詢測試，在管理系統(tǒng)中輸入需要查詢的日期，再點(diǎn)搜索鍵進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的查詢，得到能耗數(shù)據(jù)后，需要對(duì)該數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。此后，再進(jìn)入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，對(duì)該設(shè)備相應(yīng)日期的數(shù)據(jù)進(jìn)行再次查詢，然后將兩次查詢的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若數(shù)據(jù)一致，說明能耗傳輸無誤。

待上述測試完畢后，需要對(duì)管理系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行，確認(rèn)其在樓宇智能化系統(tǒng)的整體中是否能保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，確認(rèn)無問題后，即可將該管理系統(tǒng)正式投入使用，與其他的樓宇智能化系統(tǒng)部分共同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)建筑能耗監(jiān)測管理。

4 結(jié)語

綜上所述，在樓宇智能化建設(shè)中充分考慮建筑能耗監(jiān)測管理可以提高智能樓宇的能源利用效率。在樓宇建設(shè)中，通過利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建出性能良好、運(yùn)行穩(wěn)定、功能實(shí)用的建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，可以幫助管理者對(duì)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行有效的管控，以更好地支持樓宇智能化運(yùn)行的節(jié)能減排，從而推動(dòng)智能樓宇建設(shè)水平的發(fā)展。