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

徐霜

                                                 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(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，實現(xiàn)綠色建筑運營的數(shù)據(jù)可視化和統(tǒng)一管控，達(dá)到綠色建筑節(jié)能運營的目的，并以一綠色建筑辦公區(qū)域為例進(jìn)行設(shè)計和安裝應(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)展使得中國建筑能耗嚴(yán)重問題逐漸凸顯，綠色建筑作為節(jié)能建筑的代表之一，發(fā)展迅速。根據(jù)中國綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)，綠色建筑被評為 一星、二星和三星，而且綠色建筑的評價標(biāo)準(zhǔn)逐漸向?qū)嶋H運行節(jié)能效果轉(zhuǎn)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(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)相對較多，例如消防系統(tǒng)、安保系統(tǒng)、車庫系統(tǒng)、空調(diào)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(shù)的發(fā)展，業(yè)主可能不斷對設(shè)備進(jìn)行更新和升級，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?；趪鴥?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 Niagara 網(wǎng)絡(luò)控制器對多種設(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(yuǎn)程訪問和監(jiān)控。

1 物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)研究

1.1 Niagara 平臺

       Niagara 平臺是由 Tridium 公司研發(fā)的用于設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，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(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終端 Web 瀏覽器通過局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控。Niagara 除了具有強大的集成優(yōu)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(yuǎn)程診斷與維護(hù)等功能，采用開放式的架構(gòu)設(shè)計，大大縮短了開發(fā)時間，降低了維護(hù)成本。

1.2 典型架構(gòu)設(shè)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(chǔ)，實現(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(zhì)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(shè)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(xiàn)場總線形式將現(xiàn)場層各設(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)和云平臺之上，將數(shù)據(jù)經(jīng)過整合處理后傳輸?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放性和互聯(lián)性。同時，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)場層設(shè)備，實現(xiàn)對現(xiàn)場層設(shè)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(shè)定和遠(yuǎn)程監(jiān)控等方式實現(xiàn)對現(xiàn)場層設(shè)備的管理。同時，可對用戶層數(shù)據(jù)進(jìn)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(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)是對現(xiàn)場的各種檢測儀表和設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(jìn)行遠(yuǎn)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(zhì)和設(shè)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)，選取一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(diào)系統(tǒng)為風(fēng)機盤管+新風(fēng)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(fēng)機盤管為兩管制，進(jìn)水管設(shè)有電磁閥，冬季供熱水，夏季供冷水。電燈為手動開關(guān)控制，無室內(nèi)空氣品質(zhì)檢測設(shè)備。

       通過對項目進(jìn)行改造，實現(xiàn)基于 Niagara 平臺架構(gòu)的綠色建筑能耗監(jiān)控平臺的搭建，能夠?qū)κ覂?nèi)電量損耗實現(xiàn)分項計量，電燈和空調(diào)能夠自動和手動控制，并在會議室安裝電動窗簾，設(shè)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(jìn)行室內(nèi)空氣品質(zhì)參數(shù)的采集和存儲，并聯(lián)動新風(fēng)機組實現(xiàn)室內(nèi)空氣品質(zhì)的調(diào)控。同時，此平臺應(yīng)具有擴(kuò)展性，能夠根據(jù)實際要求擴(kuò)容，縮短開發(fā)周期，降低維護(hù)成本。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

       監(jiān)控系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計，包括現(xiàn)場層、網(wǎng)絡(luò)控制層和用戶層，其架構(gòu)如圖 2 所示?，F(xiàn)場層設(shè)有空調(diào)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(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，通過網(wǎng)絡(luò)控制器將現(xiàn)場層不同廠家和不同通信協(xié)議集成到同一平臺。用戶層設(shè)有服務(wù)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(wù)器）架構(gòu)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(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)機盤管風(fēng)速和電磁閥開關(guān)，并通過通信方式與網(wǎng)絡(luò)控制器連接。電量表安裝在各回路的空氣開關(guān)下端，實現(xiàn)風(fēng)機盤管、插座和電燈的能耗分項計量?，F(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(luò)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(zhì)檢測儀能夠?qū)崟r檢測室內(nèi)溫濕度、CO2 體積分?jǐn)?shù)、CH2O體積分?jǐn)?shù)、PM2.5 和TVOC（總揮發(fā)性有機物）體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

       監(jiān)控平臺軟件系統(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(diào)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(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)的控制時間模式和參數(shù)設(shè)置界面?？蚣鼙旧磉B接著數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崟r對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和查詢。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)以計算機、通訊設(shè)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)或無線通訊中的一種或多種結(jié)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(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺，它可以和檢測設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。開放性、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的采用面向?qū)ο蟮姆謱?、分級、分布式智能一體建立如下層次結(jié)構(gòu)：

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(jìn)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(jìn)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(dāng)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；分項用能排名圖顯示被選中分項對應(yīng)能耗值排名*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?，可根據(jù)已有的日期或者自定義時間進(jìn)行查詢，統(tǒng)計數(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，檢驗節(jié)能效果，根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行節(jié)能績效考核，以及節(jié)能目標(biāo)的修正。統(tǒng)計各支路當(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)計某段時間內(nèi)各回路與下級支路的用能差值，超過一定百分比后醒目顯示，確保計量體系的完整性、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

       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)議間無法連接的問題，利用 Niagara 框架將各設(shè)備整合到一個完整的平臺，實現(xiàn)對現(xiàn)場層的統(tǒng)一管理。 整個架構(gòu)用戶層采用基于 B/S 架構(gòu)的分布式設(shè)計，系統(tǒng)維護(hù)和升級管理只需在后臺進(jìn)行，管理者可通過PC（個人電腦）、手機等互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備Web瀏覽器實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問。通過綠色建筑物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實例搭建，實現(xiàn)了對室內(nèi)空氣品質(zhì)和各分項能耗計量監(jiān)測，并能夠?qū)崟r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(gòu)在綠色建筑領(lǐng)域的應(yīng)用積累了一定的實踐經(jīng)驗。

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