淺談基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與功能介紹

淮亞利

                                          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(tái)架構(gòu)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(shè)備和系統(tǒng)集成到同一平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)綠色建筑運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)可視化和統(tǒng)一管控，達(dá)到綠色建筑節(jié)能運(yùn)營(yíng)的目的，并以一綠色建筑辦公區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；綠色建筑；監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)備管控

0 引言

      建筑行業(yè)的迅速發(fā)展使得中國(guó)建筑能耗嚴(yán)重問(wèn)題逐漸凸顯，綠色建筑作為節(jié)能建筑的代表之一，發(fā)展迅速。根據(jù)中國(guó)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綠色建筑被評(píng)為 一星、二星和三星，而且綠色建筑的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)逐漸向?qū)嶋H運(yùn)行節(jié)能效果轉(zhuǎn)變，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始對(duì)綠色建筑全生命周期碳排放和能耗給予關(guān)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(shù)的廣泛應(yīng)用，建筑內(nèi)部各子系統(tǒng)相對(duì)較多，例如消防系統(tǒng)、安保系統(tǒng)、車(chē)庫(kù)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等，且涉及到不同廠家和不同種類(lèi)產(chǎn)品，系統(tǒng)之間相對(duì)獨(dú)立，集成難度較大。隨著技術(shù)的發(fā)展，業(yè)主可能不斷對(duì)設(shè)備進(jìn)行更新和升級(jí)，目前建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)難以擴(kuò)容，拓展性差，且老舊項(xiàng)目的改造和數(shù)據(jù)采集等工作更是較為復(fù)雜，集成度低。基于國(guó)內(nèi)外的研究成果，在研究和分析的基礎(chǔ)上，提出了基于 Niagara 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的綠色建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò) Niagara 網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)多種設(shè)備進(jìn)行集成，并以一辦公建筑為示范，在 Niagara 框架軟件平臺(tái)上二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)，并可通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)和監(jiān)控。

1 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)研究

1.1 Niagara 平臺(tái)

       Niagara 平臺(tái)是由 Tridium 公司研發(fā)的用于設(shè)備之間通信連接的二次開(kāi)發(fā)軟件框架平臺(tái)。此框架平臺(tái)采用Baja 標(biāo)準(zhǔn)，很好地解決了樓宇自動(dòng)化行業(yè)私有通信協(xié)議與系統(tǒng)不可兼容的問(wèn)題，具有很好的通用性，能夠連接目前樓宇內(nèi)所有設(shè)備和系統(tǒng)，包括空調(diào)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(biāo)準(zhǔn)，使用者可以借助電腦或移動(dòng)終端 Web 瀏覽器通過(guò)局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)和監(jiān)控。Niagara 除了具有強(qiáng)大的集成優(yōu)勢(shì)外，其平臺(tái)內(nèi)部集成各種組件、對(duì)象模型、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)查詢、日志查詢、報(bào)警管理、遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)等功能，采用開(kāi)放式的架構(gòu)設(shè)計(jì)，大大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了維護(hù)成本。

1.2 典型架構(gòu)設(shè)計(jì)

       物聯(lián)網(wǎng)，簡(jiǎn)而言之就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)物與物之間、物與人之間的通信連接。在建筑領(lǐng)域，建筑管控系統(tǒng)常用架構(gòu)有BA（樓宇設(shè)備自控）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、局域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、廣域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)?；谖锫?lián)網(wǎng)的典型架構(gòu)可分為 3 層，即現(xiàn)場(chǎng)層、網(wǎng)絡(luò)控制層、用戶層。

圖 1 物聯(lián)網(wǎng)典型架構(gòu)圖

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)層 

       現(xiàn)場(chǎng)層是綠色建筑監(jiān)控系統(tǒng)的感知元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，通常由各種傳感器（流量計(jì)、溫度計(jì)、壓力傳感器、室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)檢測(cè)儀、電量表等）組成，還包括用于控制現(xiàn)場(chǎng)各參數(shù)的執(zhí)行設(shè)備（控制閥、制冷機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、變頻器等）。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)控制層 

      網(wǎng)絡(luò)控制層以現(xiàn)場(chǎng)總線形式將現(xiàn)場(chǎng)層各設(shè)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(tái)之上，將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整合處理后傳輸?shù)接脩魧?。網(wǎng)絡(luò)控制層的架構(gòu)核心部件是 Niagara 網(wǎng)絡(luò)控制器 JACE，該控制器具有較高的開(kāi)放性和互聯(lián)性。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制器可將用戶層指令和相關(guān)程序傳送至現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備的管控。 

1.2.3 用戶層 

      用戶層用于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和用戶的人機(jī)交互，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)展示和存儲(chǔ)功能，用戶可通過(guò)參數(shù)設(shè)定和遠(yuǎn)程監(jiān)控等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備的管理。同時(shí)，可對(duì)用戶層數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和挖掘，采用智能算法來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力，達(dá)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種檢測(cè)儀表和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制層將數(shù)據(jù)傳輸至用戶層，在用戶層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和分析。同時(shí)，用戶層可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制層發(fā)送指令至現(xiàn)場(chǎng)層，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的控制。隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，用戶可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)建筑運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在建筑運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，用戶層也將積累大量的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提高室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)和設(shè)備故障診斷等。

3 項(xiàng)目實(shí)例

3.1既有建筑項(xiàng)目概況

       項(xiàng)目位于天津市濱海新區(qū)，選取一綠色建筑的二層作為項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)。此實(shí)例為既有項(xiàng)目改造，總面積約500 m，共包含4個(gè)獨(dú)立的辦公區(qū)間。室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)盤(pán)管+新風(fēng)機(jī)組系統(tǒng)，控制方式為面板手動(dòng)控制，有供暖和制冷兩種控制邏輯，無(wú)通信功能。風(fēng)機(jī)盤(pán)管為兩管制，進(jìn)水管設(shè)有電磁閥，冬季供熱水，夏季供冷水。電燈為手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，無(wú)室內(nèi)空氣品質(zhì)檢測(cè)設(shè)備。

       通過(guò)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)基于 Niagara 平臺(tái)架構(gòu)的綠色建筑能耗監(jiān)控平臺(tái)的搭建，能夠?qū)κ覂?nèi)電量損耗實(shí)現(xiàn)分項(xiàng)計(jì)量，電燈和空調(diào)能夠自動(dòng)和手動(dòng)控制，并在會(huì)議室安裝電動(dòng)窗簾，設(shè)定不同場(chǎng)景模式，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境控制。對(duì)獨(dú)立區(qū)域進(jìn)行室內(nèi)空氣品質(zhì)參數(shù)的采集和存儲(chǔ)，并聯(lián)動(dòng)新風(fēng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣品質(zhì)的調(diào)控。同時(shí)，此平臺(tái)應(yīng)具有擴(kuò)展性，能夠根據(jù)實(shí)際要求擴(kuò)容，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低維護(hù)成本。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       監(jiān)控系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括現(xiàn)場(chǎng)層、網(wǎng)絡(luò)控制層和用戶層，其架構(gòu)如圖 2 所示。現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)有空調(diào)溫控器（通信協(xié)議 BACnet）、室內(nèi)空氣檢測(cè)儀（通信協(xié)議Modbus）、電量表（通信協(xié)議 LonWorks）、現(xiàn)場(chǎng) DDC控制器 （通信協(xié)議 Modbus） 和新風(fēng)機(jī)組 （通信協(xié)議 Modbus）。網(wǎng)絡(luò)控制層包括1臺(tái)交換機(jī)和2臺(tái)網(wǎng)絡(luò)控制器JACE，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器將現(xiàn)場(chǎng)層不同廠家和不同通信協(xié)議集成到同一平臺(tái)。用戶層設(shè)有服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)功能，基于B/S（瀏覽器 / 服務(wù)器）架構(gòu)的分布式處理方式，用戶可通過(guò)電腦或移動(dòng)終端 Web 瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖 2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

       空調(diào)溫控器控制風(fēng)機(jī)盤(pán)管風(fēng)速和電磁閥開(kāi)關(guān)，并通過(guò)通信方式與網(wǎng)絡(luò)控制器連接。電量表安裝在各回路的空氣開(kāi)關(guān)下端，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)盤(pán)管、插座和電燈的能耗分項(xiàng)計(jì)量?，F(xiàn)場(chǎng)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(chǎng) DDC 控制器，現(xiàn)場(chǎng) DDC 控制器通過(guò)通信方式連接至網(wǎng)絡(luò)控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)檢測(cè)儀能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)室內(nèi)溫濕度、CO2 體積分?jǐn)?shù)、CH2O體積分?jǐn)?shù)、PM2.5 和TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)物）體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       監(jiān)控平臺(tái)軟件系統(tǒng)基于 Niagara 框架，在 Niagara WorkPlace 界面進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)，可縮短開(kāi)發(fā)周期，且系統(tǒng)的拓展性和兼容性較強(qiáng)，空調(diào)系統(tǒng)控制界面如圖 3 所示。用戶在使用過(guò)程中，可對(duì)室內(nèi)參數(shù)和控制模式進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)的控制時(shí)間模式和參數(shù)設(shè)置界面。框架本身連接著數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢。辦公室內(nèi) CO2 體積分?jǐn)?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(shè)置為每隔 15 min 記錄一次。

圖 3 空調(diào)系統(tǒng)控制界面

圖 4 系統(tǒng)控制時(shí)間模式和參數(shù)設(shè)置界面

圖 5 辦公室內(nèi) CO2 體積分?jǐn)?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(gòu)介紹

       Acrel-5000建筑能耗分析管理系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、測(cè)控單元為基本工具，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用現(xiàn)場(chǎng)總線、光纖環(huán)網(wǎng)或無(wú)線通訊中的一種或多種結(jié)合的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，它可以和檢測(cè)設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的采用面向?qū)ο蟮姆謱印⒎旨?jí)、分布式智能一體建立如下層次結(jié)構(gòu)：

圖 6 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)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(jì)示意圖

4.2.1支路用能

      系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)各支路某段時(shí)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(shì)，可根據(jù)已有的日期或者自定義時(shí)間進(jìn)行查詢，并可以將支路用能顯示合計(jì)，以圖表形式顯示。

4.2.2分項(xiàng)能耗統(tǒng)計(jì)

      系統(tǒng)可以按照分項(xiàng)進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)與顯示。其中，日分項(xiàng)用能同比分析圖顯示不同分項(xiàng)的當(dāng)日與昨日能耗柱狀圖；用能餅圖顯示各分項(xiàng)過(guò)去31天的用能占比；堆積圖顯示各分項(xiàng)過(guò)去31天的能耗趨勢(shì)；分項(xiàng)用能圖顯示被選中分項(xiàng)對(duì)應(yīng)能耗值*位的支路。

4.2.3分項(xiàng)用能報(bào)表

      系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)各分項(xiàng)某段時(shí)間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能?？刹榭捶猪?xiàng)中各支路用能趨勢(shì)，可根據(jù)已有的日期或者自定義時(shí)間進(jìn)行查詢，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可導(dǎo)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(shè)備的能耗與去年同期值和上月值進(jìn)行同比環(huán)比分析，檢驗(yàn)節(jié)能效果，根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行節(jié)能績(jī)效考核，以及節(jié)能目標(biāo)的修正。統(tǒng)計(jì)各支路當(dāng)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(jì)某段時(shí)間內(nèi)各回路與下級(jí)支路的用能差值，超過(guò)一定百分比后醒目顯示，確保計(jì)量體系的完整性、準(zhǔn)確性。

4.3系統(tǒng)設(shè)備選型

表1 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)備選型示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

       物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)管理控制層可集成多種通信協(xié)議，解決了不同廠家設(shè)備和通信協(xié)議間無(wú)法連接的問(wèn)題，利用 Niagara 框架將各設(shè)備整合到一個(gè)完整的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層的統(tǒng)一管理。 整個(gè)架構(gòu)用戶層采用基于 B/S 架構(gòu)的分布式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)管理只需在后臺(tái)進(jìn)行，管理者可通過(guò)PC（個(gè)人電腦）、手機(jī)等互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。通過(guò)綠色建筑物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)例搭建，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)和各分項(xiàng)能耗計(jì)量監(jiān)測(cè)，并能夠?qū)崟r(shí)查詢歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(gòu)在綠色建筑領(lǐng)域的應(yīng)用積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭而郛，崔雅楠，王瀛，等.綠色居住建筑全生命周期碳排放研究［J］.中國(guó)建設(shè)科技，2017，26(5)：9-12.

[2]穆永超，周志華，鄒芳睿，杜濤.基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).[J]2019.11版