物联网技术在建筑节能管理中的应用

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物联网技术在建筑节能管理中的应用

来源: | 作者: | 发布时间: 2021-03-03 | 152 次浏览 | 分享到:

　　中科院建筑设计研究院有限公司王建华

　　1 引言

　　毫无疑问，当今全球最具有挑战性的问题之一是能源问题。在大多数国家节能增效成为国家能源政策的重要目标。在建筑总量持续增加及人民群众改善居住舒适度需求、用能需求不断增长的情况下，节能减排和环境约束将更趋严峻。

　　智能建筑经过二十余年的发展，迫切需要新的技术来推动，以物联网、云计算、大数据分析等为代表的新的计算技术，为能耗监测、能效分析、设备监控及节能管理提供了全新的手段。通过物联网可实现对小至一座建筑物，大至一个园区，直至整个城市的实时监控和节能管理。让物联网技术更好地为人类服务，已经成为当前时代发展的潮流。

　　2 政策环境

　　为了发展绿色建筑，推动建筑节能，加快节能减排共性和关键技术研发，推进可再生能源的应用，国家推出一系列的绿色建筑节能行动方案。

　　2016年7月修订了《中华人民共和国节约能源法》（中华人民共和国主席令第77号），国家发展改革委相继印发了《固定资产投资项目节能审查办法》（2016年第44号令）、《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》等。相比“十二五”时期，节能标准进一步提高，公共建筑节能要求不断提高。

　　可见国家推行节能减排国策，发展绿色节能建筑的决心。

　　3 能耗分析

　　建筑能耗是我国三大能耗之一，我国大型公共建筑运行管理不善造成的高能耗低能效问题突出。建筑物的一个显著特点是生命周期长，如果建筑节能政策不能得到很好的贯彻实施，新建建筑达不到节能标准，那么这些建筑将在未来几十年里浪费大量能源，给我国的经济、能源、环境保护带来许多问题。

　　建筑节能方法按实施对象分为设备节能和系统节能两大类。设备节能是指通过采用新的设备技术来提升设备的能效水平，建筑内使用的耗能设备，都没达到理论上的效率上限，也就是说，随着技术的进步，各种电气设备都存在提高能效的可能。国家出台了强制性终端用能产品或者设备的能效标准，最低能效标准是这些用能产品和设备在节能领域的市场准入标准，是直接产生节能效益的标准。例如非晶合金铁心变压器技术、LED照明技术、电机的变频技术等。系统节能往往通过调整系统的运行来实现能源利用效率的提升。系统节能往往涉及更多设备及人的活动，将逐步成为主要的节能手段，需要通过信息通信技术来了解并分析系统的复杂工况，通过优化系统的运行来提升节能空间。现代信息技术是实现系统节能的关键。

　　建筑电气作为建筑设计的重要组成部分，随着技术的不断进步和领域的不断延伸，各系统方案不仅要安全可靠，还要技术先进、经济合理、高效节能。这就要求我们在设计阶段就要进行各系统的方案比选，注重各环节对节能的影响。

　　4 物联网技术

　　随着传感器和通信技术的进步，物联网已成为未来最有前途的应用技术之一，也可能是本世纪影响众多领域的最重要的科技进步之一。物联网主要是由在互联网上有沟通能力的“物体”或智能对象组成的应用程序和服务。它是一个智慧的网络，旨在为无处不在的智能对象提供一个身临其境的连接。物联网能连接来自不同供应商的设备，去服务最终端用户的利益。互联网则是物联网信息传递中的核心承载网络。

　　物联网由传感设备、传输网络和应用控制网络系统构成，具有全面感知、可靠传递、智能处理、综合应用4个重要特征。全面感知主要体现在利用RFID标签、各类传感器、二维条形码、视频摄像设备等获取被控/被测物体的信息，是物联网系统的前提；可靠传递体现在通过各种通信网络与互联网的融合，将物品的数据信息实时准确地传递出去，是实现异地感知的基础；智能处理主要体现在利用大数据分析、云计算等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制和管理；综合应用体现在可以根据各个行业各种业务的具体特点形成各种单独的业务应用或整个行业的应用解决方案。综合应用层主要任务就是数据挖掘、数据分析、数据融合和作出最后的决策，不仅管理一个领域获得的数据，更多关注使用不同的领域获得的数据，基于在沟通方面的能力，物联网将涵盖物品追踪、环境感知、智能物流、智能电网、智能建筑等各个行业，见图1、图2。

　　领导了信息产业又一次浪潮的物联网技术在智能建筑中有着广阔的应用前景。当物联网的规模足够大之后，才有可能和云计算结合起来，应用于各行各业。从不同建筑不同系统的物联网设备收集的数据，广泛而普遍，数据有可用性且有计算的兼容性，需要分析挖掘，并准确、迅速、智能地对这个物理世界进行管理和控制，从而达到智慧的状态，大幅提高能源利用率和生产力水平。因此，物联网的发展需要具有强大的存储和处理能力的云计算作为支撑。云计算的平台管理技术，能够使分布在不同地点且数量众多的服务器协同工作，方便地进行业务部署和开展，通过智能化的手段实现大规模系统的可靠运行，实现资源共享。

　　5 能耗监测管理系统

　　参照发达国家的经验，实现建筑节能管理，首先要全面准确掌握建筑能耗数据，能耗监测管理系统正是为此而生。我国在2006年颁布实施的GB17167-2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》要求配置合理的能源计量器具，是完善能源计量统计的基础。2015年修订的国家标准GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》提出公共建筑应按照明插座、空调、电力、特殊用电分项进行监测与计量。北京市地方标准DB11/687-2015《公共建筑节能设计标准》也将甲类和乙类公共建筑的低压配电系统应实施分项计量，列为强制性条文。

　　能源消耗的监测和监控是建筑节能工作的基础。不是以直接减少和控制能耗为目的，而是基于技术手段进行管理节能的一项内容。其目的在于通过监测客观评价建筑物的电能利用现状，发现不合理的用电现象及其过程，找到改进电能效率的针对性对策，以便持续改进电能效率，实现预期的节能目标。

　　基于物联网技术架构的能耗监测管理系统架构如图3所示。在此系统的感知层，各种分项能耗计量装置安装在建筑物内，采集建筑物的照明、空调、办公、给排水设备、电梯等能耗信息，在网络层和传输层收集和传输数据，传输至本地物业管理中心，实现建筑能耗在线监测和动态诊断分析，优化设备使用，并可辅助物业收费。另外一方面，按照地方政府要求直接将监测数据通过以太网或移动通信网络进行远程传输，上传至上一级相关部门公共节能管理平台，在应用程序层统计和处理数据。建筑能耗知识库对这些信息进行分析，找到能效提升点，制定相应的节能措施，从而实现更高的能效水平。

　　6 建筑设备监控系统

　　从上世纪末引进智能建筑，到本世纪初的兴起，到后来被认为“只智不能”形同虚设，到现在的“智慧”“节能”的兴起，可谓百转千回。早期的建筑设备监控，模式基于各系统独立运行，无集成度，数据共享程度低，到目前主流的信息化模式，各系统有效集成，但运营、城市事态等信息无法有机融入到日常运行管理中。通常的建筑设备监控系统采用直接数字控制技术，可对冷热源、热交换、空调、通风、给排水、变配电系统、智能照明系统、电梯系统、太阳能系统进行监测及节能控制。

　　越来越多的建筑物应用基于物联网技术的建筑设备监控系统，并开始上传至服务平台，由此带来了功能的提升。下面以空调系统末端设备为例进行简单介绍。

　　结合物联网的关键技术，基于无线传感器网络中间件的智能建筑设备监控，通过在空调设备和管网内安装感知组件，获得各种环境状况动态信息（温度、湿度等），通过上传数据，由节能管理统一平台来全面自动并合理调控建筑物的空调设备。这些消耗能源的设备可改变环境的状态，可满足用户对环境舒适度的体验，在这个过程中，用户可以监控所有设备的运行状态和环境变量信息，然后去控制耗能设备。

　　建筑物的空调系统，空调末端相对数量多且分散，现阶段的计量方式只能计量其消耗的电量。为了更好地进行计量和管理，基于物联网技术的联网温控器管理系统，能够快速监控现场的每一个末端，调试方便，并且支持中央空调当量计费系统。联网型温控器采用大屏幕液晶显示，内置传感器及标准控制逻辑，通过通讯协议进行联网控制，实现对空调末端优化节能管理；TCP/IP网络控制器将温控器协议转换为TCP/IP协议，实现温控器专业软件一个界面同时管理多个温控器；温控器管理面板则可通过网络接口或WiFi联网，实现区域温控器的集中管理与控制。系统结构如图4所示。

　　7 公共节能管理平台

　　我国节能工作起步较晚，制度、标准等逐步完善，但社会节能意识不够，运行管理水平较低，节能服务市场尚未成熟。因此，我国必须寻求适合自己的节能管理之路。

　　物联网技术将带给智能建筑一场革命，颠覆了传统的思维方式。这场革命把人的思想融入到智能化体系中，把电子芯片放置于建筑设备中，甚至是无法到达的区域，如建筑物内楼板、墙体、吊顶内等隐藏的众多管线和阀门中，通过物联网可实现对小至一座建筑物，大至一个园区，直至整个城市的实时监控和管理，实施更为有效和统一的控制与节能管理。

　　基于物联网技术的公共节能管理平台，是针对智慧城市数字化、信息化、智能化管理需求，建成以大数据及云计算为基础，以节能运行为核心，集信息采集、监控数据、应用服务为一体的管理系统，实现智慧化管理和信息共享，为各级节能主管部门、园区、行业协会及节能服务机构提供节能管理及节能服务。

　　公共节能管理平台从多个楼宇/企业中采集能耗信息，通过无线传感网和宽带互联网向存储和处理设施汇聚，通过互相之间的协作实现更高层次的节能管理。节能管理平台在微观层面上，满足对楼宇用能的监管和控制等方面的需求，宏观层面上则利于对能源的统计、分析和决策。详实的数据统计是政策制定的有力支持，有助于优化政府节能政策与节能标准等。这样，在政策制定之前就能做初步分析，一个政策的实施能够带来怎样的节能效果，会产生什么样的环境效益和经济效益，进一步分析在政策的执行过程中可能会遇到什么样的问题和市场障碍，从而提出解决这些障碍的方法、途径和措施。基于物联网技术的公共节能管理平台，在促进科学合理利用能源，提高能源利用效率，加强能源消费总量控制方面作用突出。

　　智慧城市是一个新兴的事物，物联网技术为智慧城市提供了新的发展空间。如果不能“思考”，不能“判断”，就无从谈智慧。智能建筑结合物联网技术将升级到智慧城市，体现当今物联网技术最新进展，特点鲜明，往后将有更大的突破。将来的智慧城市，采用物联网技术，不仅实现极致节能，提升用户体验，互联互通，还可支撑多方面的应用和服务。

　　8 结语

　　随着物联网时代的来临，一个基于物联网的智慧城市生态体系已经形成，并不断的迭代、优化、发展。物联网与智能建筑结合将不断推进智慧城市建设，最终目标是实现阳光供能源，减排净环境，智慧保宜居。论文的研究成果在提升智能建筑节能管理、促进智能建筑融入智慧城市、推进智慧城市能源管理等方面发展具有一定的理论和应用价值。