基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的建筑能耗監控系統的設計及應用

摘要：基于Niagara物聯(lián)網(wǎng)平臺架構研究了綠色建筑能耗監控系統，將綠色建筑內各不同設備和系統集成到同一平臺，實(shí)現綠色建筑運營(yíng)的數據可視化和統一管控，達到綠色建筑節能運營(yíng)的目的，并以一綠色建筑辦公區域為例進(jìn)行設計和安裝應用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)架構；綠色建筑；監控系統；設備管控

0 引言

建筑行業(yè)的迅速發(fā)展使得中國建筑能耗嚴重問(wèn)題逐漸凸顯，綠色建筑作為節能建筑的代表之一，發(fā)展迅速。根據中國綠色建筑評價(jià)標準，綠色建筑被評為 一星、二星和三星，而且綠色建筑的評價(jià)標準逐漸向實(shí)際運行節能效果轉變，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始對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(zhù)綠色建筑逐漸向智能化發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用，建筑內部各子系統相對較多，例如消防系統、安保系統、車(chē)庫系統、空調系統等，且涉及到不同廠(chǎng)家和不同種類(lèi)產(chǎn)品，系統之間相對獨立，集成難度較大。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，業(yè)主可能不斷對設備進(jìn)行更新和升級，目前建筑能耗監控系統難以擴容，拓展性差，且老舊項目的改造和數據采集等工作更是較為復雜，集成度低?；趪鴥韧獾难芯砍晒?，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控系統，通過(guò) Niagara 網(wǎng)絡(luò )控制器對多種設備進(jìn)行集成，并以一辦公建筑為示范，在 Niagara 框架軟件平臺上二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現采集數據的有效存儲，并可通過(guò)瀏覽器實(shí)現遠程訪(fǎng)問(wèn)和監控。

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(kāi)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(dòng)化行業(yè)私有通信協(xié)議與系統不可兼容的問(wèn)題，具有很好的通用性，能夠連接目前樓宇內所有設備和系統，包括空調系統、制冷系統、照明系統、可再生能源系統、安防系統等，它基于Internet 標準，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)行遠程訪(fǎng)問(wèn)和監控。Niagara 除了具有強大的集成優(yōu)勢外，其平臺內部集成各種組件、對象模型、數據庫、數據查詢(xún)、日志查詢(xún)、報警管理、遠程診斷與維護等功能，采用開(kāi)放式的架構設計，大大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了維護成本。

1.2 典型架構設計

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，實(shí)現物與物之間、物與人之間的通信連接。在建筑領(lǐng)域，建筑管控系統常用架構有BA（樓宇設備自控）網(wǎng)絡(luò )架構、局域網(wǎng)絡(luò )架構、廣域網(wǎng)絡(luò )架構?；谖锫?lián)網(wǎng)的典型架構可分為 3 層，即現場(chǎng)層、網(wǎng)絡(luò )控制層、用戶(hù)層。

圖 1 物聯(lián)網(wǎng)典型架構圖

1.2.1 現場(chǎng)層

現場(chǎng)層是綠色建筑監控系統的感知元件，實(shí)現對現場(chǎng)數據的采集和傳輸，通常由各種傳感器（流量計、溫度計、壓力傳感器、室內環(huán)境品質(zhì)檢測儀、電量表等）組成，還包括用于控制現場(chǎng)各參數的執行設備（控制閥、制冷機組、新風(fēng)機組、變頻器等）。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò )控制層

網(wǎng)絡(luò )控制層以現場(chǎng)總線(xiàn)形式將現場(chǎng)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，將數據經(jīng)過(guò)整合處理后傳輸到用戶(hù)層。網(wǎng)絡(luò )控制層的架構核心部件是 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(hù)層指令和相關(guān)程序傳送至現場(chǎng)層設備，實(shí)現對現場(chǎng)層設備的管控。

1.2.3 用戶(hù)層

用戶(hù)層用于實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)和用戶(hù)的人機交互，對現場(chǎng)層的數據實(shí)現展示和存儲功能，用戶(hù)可通過(guò)參數設定和遠程監控等方式實(shí)現對現場(chǎng)層設備的管理。同時(shí)，可對用戶(hù)層數據進(jìn)行深入分析和挖掘，采用智能算法來(lái)提高整個(gè)系統的自學(xué)習能力，達到智能化控制的目的。

2 建筑能耗監控系統

建筑能耗監控系統是對現場(chǎng)的各種檢測儀表和設備運行狀態(tài)等數據進(jìn)行采集，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制層將數據傳輸至用戶(hù)層，在用戶(hù)層實(shí)現數據的顯示、存儲和分析。同時(shí)，用戶(hù)層可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制層發(fā)送指令至現場(chǎng)層，實(shí)現對現場(chǎng)環(huán)境的控制。隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)和大數據時(shí)代的到來(lái)，用戶(hù)可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對建筑運營(yíng)情況進(jìn)行遠程監控。在建筑運營(yíng)過(guò)程中，用戶(hù)層也將積累大量的數據，通過(guò)對數據的挖掘，實(shí)現節能降耗、提高室內環(huán)境品質(zhì)和設備故障診斷等。

3 項目實(shí)例

3.1既有建筑項目概況

項目位于天津市濱海新區，選取一綠色建筑的二層作為項目現場(chǎng)。此實(shí)例為既有項目改造，總面積約500 m，共包含4個(gè)獨立的辦公區間。室內空調系統為風(fēng)機盤(pán)管+新風(fēng)機組系統，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)機盤(pán)管為兩管制，進(jìn)水管設有電磁閥，冬季供熱水，夏季供冷水。電燈為手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，無(wú)室內空氣品質(zhì)檢測設備。

通過(guò)對項目進(jìn)行改造，實(shí)現基于 Niagara 平臺架構的綠色建筑能耗監控平臺的搭建，能夠對室內電量損耗實(shí)現分項計量，電燈和空調能夠自動(dòng)和手動(dòng)控制，并在會(huì )議室安裝電動(dòng)窗簾，設定不同場(chǎng)景模式，實(shí)現室內環(huán)境控制。對獨立區域進(jìn)行室內空氣品質(zhì)參數的采集和存儲，并聯(lián)動(dòng)新風(fēng)機組實(shí)現室內空氣品質(zhì)的調控。同時(shí)，此平臺應具有擴展性，能夠根據實(shí)際要求擴容，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低維護成本。

3.2 監控系統設計

監控系統采用物聯(lián)網(wǎng)架構設計，包括現場(chǎng)層、網(wǎng)絡(luò )控制層和用戶(hù)層，其架構如圖 2 所示?，F場(chǎng)層設有空調溫控器（通信協(xié)議 BACnet）、室內空氣檢測儀（通信協(xié)議Modbus）、電量表（通信協(xié)議 LonWorks）、現場(chǎng) DDC控制器 （通信協(xié)議 Modbus） 和新風(fēng)機組 （通信協(xié)議 Modbus）。網(wǎng)絡(luò )控制層包括1臺交換機和2臺網(wǎng)絡(luò )控制器JACE，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制器將現場(chǎng)層不同廠(chǎng)家和不同通信協(xié)議集成到同一平臺。用戶(hù)層設有服務(wù)器，實(shí)現數據的顯示和存儲功能，基于B/S（瀏覽器 / 服務(wù)器）架構的分布式處理方式，用戶(hù)可通過(guò)電腦或移動(dòng)終端 Web 瀏覽器實(shí)現遠程監控。

圖 2 監控系統網(wǎng)絡(luò )架構圖

空調溫控器控制風(fēng)機盤(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)現風(fēng)機盤(pán)管、插座和電燈的能耗分項計量?，F場(chǎng)安裝有光照度傳感器和控制燈回路的繼電器，并連接至現場(chǎng) DDC 控制器，現場(chǎng) DDC 控制器通過(guò)通信方式連接至網(wǎng)絡(luò )控制器，實(shí)現數據傳輸?，F場(chǎng)通過(guò)室內環(huán)境品質(zhì)檢測儀能夠實(shí)時(shí)檢測室內溫濕度、CO2 體積分數、CH2O體積分數、PM2.5 和TVOC（總揮發(fā)性有機物）體積分數指標。

3.3 軟件系統設計

監控平臺軟件系統基于 Niagara 框架，在 Niagara WorkPlace 界面進(jìn)行監控系統的二次開(kāi)發(fā)，可縮短開(kāi)發(fā)周期，且系統的拓展性和兼容性較強，空調系統控制界面如圖 3 所示。用戶(hù)在使用過(guò)程中，可對室內參數和控制模式進(jìn)行設置，系統的控制時(shí)間模式和參數設置界面?？蚣鼙旧磉B接著(zhù)數據庫，能夠實(shí)時(shí)對數據進(jìn)行存儲和查詢(xún)。辦公室內 CO2 體積分數歷史數據曲線(xiàn)。圖 5 展示了 2019-01-02T00:00—2019-01 -08T20:00 的數據，數據設置為每隔 15 min 記錄一次。

圖 3 空調系統控制界面

圖 4 系統控制時(shí)間模式和參數設置界面

圖 5 辦公室內 CO2 體積分數歷史數據曲線(xiàn)

4 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系統介紹與選型

4.1系統架構介紹

Acrel-5000建筑能耗分析管理系統以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，根據現場(chǎng)實(shí)際情況采用現場(chǎng)總線(xiàn)、光纖環(huán)網(wǎng)或無(wú)線(xiàn)通訊中的一種或多種結合的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數據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控系統。開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò )化、單元化、組態(tài)化的采用面向對象的分層、分級、分布式智能一體建立如下層次結構：

圖 6 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系統架構示意圖

4.2 系統功能介紹

圖7 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系統用能統計示意圖

4.2.1支路用能

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

4.2.2分項能耗統計

系統可以按照分項進(jìn)行能耗統計與顯示。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(guò)去31天的用能占比；堆積圖顯示各分項過(guò)去31天的能耗趨勢；分項用能排名圖顯示被選中分項對應能耗值排名*位的支路。

4.2.3分項用能報表

系統可以統計各分項某段時(shí)間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能?？刹榭捶猪椫懈髦酚媚苴厔?，可根據已有的日期或者自定義時(shí)間進(jìn)行查詢(xún)，統計數據可導出至Excel。

4.2.4能耗的同比環(huán)比分析

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

4.2.5用能數據檢查

系統可以統計某段時(shí)間內各回路與下級支路的用能差值，超過(guò)一定百分比后醒目顯示，確保計量體系的完整性、準確性。

4.3系統設備選型

表1 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系統設備選型示意圖

5 結束語(yǔ)

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(chǎng)家設備和通信協(xié)議間無(wú)法連接的問(wèn)題，利用 Niagara 框架將各設備整合到一個(gè)完整的平臺，實(shí)現對現場(chǎng)層的統一管理。 整個(gè)架構用戶(hù)層采用基于 B/S 架構的分布式設計，系統維護和升級管理只需在后臺進(jìn)行，管理者可通過(guò)PC（個(gè)人電腦）、手機等互聯(lián)網(wǎng)設備Web瀏覽器實(shí)現系統的遠程訪(fǎng)問(wèn)。通過(guò)綠色建筑物聯(lián)網(wǎng)監控系統實(shí)例搭建，實(shí)現了對室內空氣品質(zhì)和各分項能耗計量監測，并能夠實(shí)時(shí)查詢(xún)歷史數據，實(shí)現運行工況的曲線(xiàn)展示。該系統具有較好的穩定性，為物聯(lián)網(wǎng)架構在綠色建筑領(lǐng)域的應用積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗。

【參考文獻】

[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］.中國建設科技，2017，26(5)：9-12.

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

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