淺談基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設計與功能介紹

劉細鳳

 安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：基于Niagara物聯(lián)網(wǎng)平臺架構研究了綠色建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)，將綠色建筑內(nèi)各不同設備和系統(tǒng)集成到同平臺，實現(xiàn)綠色建筑運營的數(shù)據(jù)可視化和統(tǒng)管控，達到綠色建筑節(jié)能運營的目的，并以綠色建筑辦公區(qū)域為例進行設計和安裝應用。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)架構；綠色建筑；監(jiān)控系統(tǒng)；設備管控

0 引言

      建筑行業(yè)的迅速發(fā)展使得中建筑能耗嚴重問題逐漸凸顯，綠色建筑作為節(jié)能建筑的代表之，發(fā)展迅速。根據(jù)中綠色建筑評價標準，綠色建筑被評為 星、二星和三星，而且綠色建筑的評價標準逐漸向實際運行節(jié)能效果轉變，越來越多的研究人員開始對綠色建筑全生命周期碳排放和能耗給予關注和研究。隨著綠色建筑逐漸向智能化發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛應用，建筑內(nèi)部各子系統(tǒng)相對較多，例如消防系統(tǒng)、安保系統(tǒng)、車庫系統(tǒng)、空調系統(tǒng)等，且涉及到不同廠家和不同種類產(chǎn)品，系統(tǒng)之間相對獨立，集成難度較大。隨著技術的發(fā)展，業(yè)主可能不斷對設備進行更新和升級，目前建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)難以擴容，拓展性差，且老舊項目的改造和數(shù)據(jù)采集等工作更是較為復雜，集成度低?；趦?nèi)外的研究成果，在研究和分析的基礎上，提出了基于 Niagara 物聯(lián)網(wǎng)架構的綠色建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)，通過 Niagara 網(wǎng)絡控制器對多種設備進行集成，并以辦公建筑為示范，在 Niagara 框架軟件平臺上二次開發(fā)，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的有效存儲，并可通過瀏覽器實現(xiàn)遠程訪問和監(jiān)控。

1 物聯(lián)網(wǎng)平臺架構研究

1.1 Niagara 平臺

       Niagara 平臺是由 Tridium 公司研發(fā)的用于設備之間通信連接的二次開發(fā)軟件框架平臺。此框架平臺采用Baja 標準，很好地解決了樓宇自動化行業(yè)私有通信協(xié)議與系統(tǒng)不可兼容的問題，具有很好的通用性，能夠連接目前樓宇內(nèi)所有設備和系統(tǒng)，包括空調系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、可再生能源系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等，它基于Internet 標準，使用者可以借助電腦或移動終端 Web 瀏覽器通過局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)進行遠程訪問和監(jiān)控。Niagara 除了具有強大的集成勢外，其平臺內(nèi)部集成各種組件、對象模型、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)查詢、日志查詢、報警管理、遠程診斷與維護等功能，采用開放式的架構設計，大大縮短了開發(fā)時間，降低了維護成本。

1.2 典型架構設計

       物聯(lián)網(wǎng)，簡而言之就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎，實現(xiàn)物與物之間、物與人之間的通信連接。在建筑領域，建筑管控系統(tǒng)常用架構有BA（樓宇設備自控）網(wǎng)絡架構、局域網(wǎng)絡架構、廣域網(wǎng)絡架構?；谖锫?lián)網(wǎng)的典型架構可分為 3 層，即現(xiàn)場層、網(wǎng)絡控制層、用戶層。

圖 1 物聯(lián)網(wǎng)典型架構圖

1.2.1 現(xiàn)場層 

       現(xiàn)場層是綠色建筑監(jiān)控系統(tǒng)的感知元件，實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和傳輸，通常由各種傳感器（流量計、溫度計、壓力傳感器、室內(nèi)環(huán)境品質檢測儀、電量表等）組成，還包括用于控制現(xiàn)場各參數(shù)的執(zhí)行設備（控制閥、制冷機組、新風機組、變頻器等）。

1.2.2 網(wǎng)絡控制層 

      網(wǎng)絡控制層以現(xiàn)場總線形式將現(xiàn)場層各設備和傳感器集成通信連接，可建立在局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和云平臺之上，將數(shù)據(jù)經(jīng)過整合處理后傳輸?shù)接脩魧?。網(wǎng)絡控制層的架構核心部件是 Niagara 網(wǎng)絡控制器 JACE，該控制器具有較高的開放性和互聯(lián)性。同時，網(wǎng)絡控制器可將用戶層指令和相關程序傳送至現(xiàn)場層設備，實現(xiàn)對現(xiàn)場層設備的管控。 

1.2.3 用戶層 

      用戶層用于實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和用戶的人機交互，對現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)實現(xiàn)展示和存儲功能，用戶可通過參數(shù)設定和遠程監(jiān)控等方式實現(xiàn)對現(xiàn)場層設備的管理。同時，可對用戶層數(shù)據(jù)進行深入分析和挖掘，采用智能算法來提高整個系統(tǒng)的自學習能力，達到智能化控制的目的。

2 建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)

      建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)是對現(xiàn)場的各種檢測儀表和設備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行采集，通過網(wǎng)絡控制層將數(shù)據(jù)傳輸至用戶層，在用戶層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲和分析。同時，用戶層可通過網(wǎng)絡控制層發(fā)送指令至現(xiàn)場層，實現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境的控制。隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時代的到來，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)對建筑運營情況進行遠程監(jiān)控。在建筑運營過程中，用戶層也將積累大量的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的挖掘，實現(xiàn)節(jié)能降耗、提高室內(nèi)環(huán)境品質和設備故障診斷等。

3 項目實例

3.1既有建筑項目概況

       項目位于天津市濱海新區(qū)，選取綠色建筑的二層作為項目現(xiàn)場。此實例為既有項目改造，總面積約500 m，共包含4個獨立的辦公區(qū)間。室內(nèi)空調系統(tǒng)為風機盤管+新風機組系統(tǒng)，控制方式為面板手動控制，有供暖和制冷兩種控制邏輯，無通信功能。風機盤管為兩管制，進水管設有電磁閥，冬季供熱水，夏季供冷水。電燈為手動開關控制，無室內(nèi)空氣品質檢測設備。

       通過對項目進行改造，實現(xiàn)基于 Niagara 平臺架構的綠色建筑能耗監(jiān)控平臺的搭建，能夠對室內(nèi)電量損耗實現(xiàn)分項計量，電燈和空調能夠自動和手動控制，并在會議室安裝電動窗簾，設定不同場景模式，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境控制。對獨立區(qū)域進行室內(nèi)空氣品質參數(shù)的采集和存儲，并聯(lián)動新風機組實現(xiàn)室內(nèi)空氣品質的調控。同時，此平臺應具有擴展性，能夠根據(jù)實際要求擴容，縮短開發(fā)周期，降低維護成本。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設計

       監(jiān)控系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構設計，包括現(xiàn)場層、網(wǎng)絡控制層和用戶層，其架構如圖 2 所示?，F(xiàn)場層設有空調溫控器（通信協(xié)議 BACnet）、室內(nèi)空氣檢測儀（通信協(xié)議Modbus）、電量表（通信協(xié)議 LonWorks）、現(xiàn)場 DDC控制器 （通信協(xié)議 Modbus） 和新風機組 （通信協(xié)議 Modbus）。網(wǎng)絡控制層包括1臺交換機和2臺網(wǎng)絡控制器JACE，通過網(wǎng)絡控制器將現(xiàn)場層不同廠家和不同通信協(xié)議集成到同平臺。用戶層設有服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲功能，基于B/S（瀏覽器 / 服務器）架構的分布式處理方式，用戶可通過電腦或移動終端 Web 瀏覽器實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

圖 2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖

       空調溫控器控制風機盤管風速和電磁閥開關，并通過通信方式與網(wǎng)絡控制器連接。電量表安裝在各回路的空氣開關下端，實現(xiàn)風機盤管、插座和電燈的能耗分項計量。現(xiàn)場安裝有光照度傳感器和控制燈回路的繼電器，并連接至現(xiàn)場 DDC 控制器，現(xiàn)場 DDC 控制器通過通信方式連接至網(wǎng)絡控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場通過室內(nèi)環(huán)境品質檢測儀能夠實時檢測室內(nèi)溫濕度、CO2 體積分數(shù)、CH2O體積分數(shù)、PM2.5 和TVOC（總揮發(fā)性有機物）體積分數(shù)指標。

3.3 軟件系統(tǒng)設計

       監(jiān)控平臺軟件系統(tǒng)基于 Niagara 框架，在 Niagara WorkPlace 界面進行監(jiān)控系統(tǒng)的二次開發(fā)，可縮短開發(fā)周期，且系統(tǒng)的拓展性和兼容性較強，空調系統(tǒng)控制界面如圖 3 所示。用戶在使用過程中，可對室內(nèi)參數(shù)和控制模式進行設置，系統(tǒng)的控制時間模式和參數(shù)設置界面?？蚣鼙旧磉B接著數(shù)據(jù)庫，能夠實時對數(shù)據(jù)進行存儲和查詢。辦公室內(nèi) CO2 體積分數(shù)歷史數(shù)據(jù)曲線。圖 5 展示了 2019-01-02T00:00—2019-01 -08T20:00 的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)設置為每隔 15 min 記錄次。

圖 3 空調系統(tǒng)控制界面

圖 4 系統(tǒng)控制時間模式和參數(shù)設置界面

圖 5 辦公室內(nèi) CO2 體積分數(shù)歷史數(shù)據(jù)曲線

4 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系統(tǒng)介紹與選型

4.1系統(tǒng)架構介紹

       Acrel-5000建筑能耗分析管理系統(tǒng)以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用現(xiàn)場總線、光纖環(huán)網(wǎng)或無線通訊中的種或多種結合的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實時數(shù)據(jù)采集及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測設備構成任意復雜的監(jiān)控系統(tǒng)。開放性、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)化的采用面向對象的分層、分級、分布式智能體建立如下層次結構：

圖 6 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系統(tǒng)架構示意圖

4.2 系統(tǒng)功能介紹

圖7 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系統(tǒng)用能統(tǒng)計示意圖

4.2.1支路用能

      系統(tǒng)可以統(tǒng)計各支路某段時間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。系統(tǒng)可查看各支路用能趨勢，可根據(jù)已有的日期或者自定義時間進行查詢，并可以將支路用能顯示合計，以圖表形式顯示。

4.2.2分項能耗統(tǒng)計

      系統(tǒng)可以按照分項進行能耗統(tǒng)計與顯示。其中，日分項用能同比分析圖顯示不同分項的當日與昨日能耗柱狀圖；用能餅圖顯示各分項過去31天的用能占比；堆積圖顯示各分項過去31天的能耗趨勢；分項用能前圖顯示被選中分項對應能耗值前*位的支路。

4.2.3分項用能報表

      系統(tǒng)可以統(tǒng)計各分項某段時間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能?？刹榭捶猪椫懈髦酚媚苴厔荩筛鶕?jù)已有的日期或者自定義時間進行查詢，統(tǒng)計數(shù)據(jù)可導出至Excel。

4.2.4能耗的同比環(huán)比分析

      系統(tǒng)可將各主要耗能設備的能耗與去年同期值和上月值進行同比環(huán)比分析，檢驗節(jié)能效果，根據(jù)分析結果執(zhí)行節(jié)能績效考核，以及節(jié)能目標的修正。統(tǒng)計各支路當年每月用能及去年同期用能。

4.2.5用能數(shù)據(jù)檢查

      系統(tǒng)可以統(tǒng)計某段時間內(nèi)各回路與下級支路的用能差值，超過定百分比后醒目顯示，確保計量體系的完整性、準確性。

4.3系統(tǒng)設備選型

表1 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系統(tǒng)設備選型示意圖

5 結束語

       物聯(lián)網(wǎng)架構管理控制層可集成多種通信協(xié)議，解決了不同廠家設備和通信協(xié)議間無法連接的問題，利用 Niagara 框架將各設備整合到個完整的平臺，實現(xiàn)對現(xiàn)場層的統(tǒng)管理。 整個架構用戶層采用基于 B/S 架構的分布式設計，系統(tǒng)維護和升級管理只需在后臺進行，管理者可通過PC（個人電腦）等互聯(lián)網(wǎng)設備Web瀏覽器實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程訪問。通過綠色建筑物聯(lián)wang件控系統(tǒng)實例搭建，實現(xiàn)了對室內(nèi)空氣品質和各分項能耗計量監(jiān)測，并能夠實時查詢歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)運行工況的曲線展示。該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，為物聯(lián)網(wǎng)架構在綠色建筑領域的應用積累了定的實踐經(jīng)驗。

【參考文獻】

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[2]穆永超，周志華，鄒芳睿，杜濤.基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的綠色建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng).[J]能源與節(jié)能,2019.07

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.[J]2019.11版

作者簡介：

劉細鳳，女，主要研究方向為基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的綠色建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設計。