淺談基于物聯網平臺的建筑能耗監控系統的設計與功能介紹

徐霜

                                                 安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：基于Niagara物聯網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，實現綠色建筑運營的數據可視化和統一管控，達到綠色建筑節能運營的目的，并以一綠色建筑辦公區域為例進行設計和安裝應用。

關鍵詞：物聯網架構；綠色建筑；監控系統；設備管控

0 引言

      建筑行業的迅速發展使得中國建筑能耗嚴重問題逐漸凸顯，綠色建筑作為節能建筑的代表之一，發展迅速。根據中國綠色建筑評價標準，綠色建筑被評為 一星、二星和三星，而且綠色建筑的評價標準逐漸向實際運行節能效果轉變，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展和物聯網技術的廣泛應用，建筑內部各子系統相對較多，例如消防系統、安保系統、車庫系統、空調系統等，且涉及到不同廠家和不同種類產品，系統之間相對獨立，集成難度較大。隨著技術的發展，業主可能不斷對設備進行更新和升級，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。基于國內外的研究成果，在研究和分析的基礎上，提出了基于 Niagara 物聯網架構的綠色建筑能耗監控系統，通過 Niagara 網絡控制器對多種設備進行集成，并以一辦公建筑為示范，在 Niagara 框架軟件平臺上二次開發，實現采集數據的有效存儲，并可通過瀏覽器實現遠程訪問和監控。

1 物聯網平臺架構研究

1.1 Niagara 平臺

       Niagara 平臺是由 Tridium 公司研發的用于設備之間通信連接的二次開發軟件框架平臺。此框架平臺采用Baja 標準，很好地解決了樓宇自動化行業私有通信協議與系統不可兼容的問題，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終端 Web 瀏覽器通過局域網或者互聯網進行遠程訪問和監控。Niagara 除了具有強大的集成優勢外，其平臺內部集成各種組件、對象模型、數據庫、數據查詢、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，大大縮短了開發時間，降低了維護成本。

1.2 典型架構設計

       物聯網，簡而言之就是物物相連的互聯網，以互聯網為基礎，實現物與物之間、物與人之間的通信連接。在建筑領域，建筑管控系統常用架構有BA（樓宇設備自控）網絡架構、局域網絡架構、廣域網絡架構。基于物聯網的典型架構可分為 3 層，即現場層、網絡控制層、用戶層。

圖 1 物聯網典型架構圖

1.2.1 現場層 

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

1.2.2 網絡控制層 

      網絡控制層以現場總線形式將現場層各設備和傳感器集成通信連接，可建立在局域網、互聯網和云平臺之上，將數據經過整合處理后傳輸到用戶層。網絡控制層的架構核心部件是 Niagara 網絡控制器 JACE，該控制器具有較高的開放性和互聯性。同時，網絡控制器可將用戶層指令和相關程序傳送至現場層設備，實現對現場層設備的管控。 

1.2.3 用戶層 

      用戶層用于實現物聯網和用戶的人機交互，對現場層的數據實現展示和存儲功能，用戶可通過參數設定和遠程監控等方式實現對現場層設備的管理。同時，可對用戶層數據進行深入分析和挖掘，采用智能算法來提高整個系統的自學習能力，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的各種檢測儀表和設備運行狀態等數據進行采集，通過網絡控制層將數據傳輸至用戶層，在用戶層實現數據的顯示、存儲和分析。同時，用戶層可通過網絡控制層發送指令至現場層，實現對現場環境的控制。隨著互聯網和大數據時代的到來，用戶可通過互聯網對建筑運營情況進行遠程監控。在建筑運營過程中，用戶層也將積累大量的數據，通過對數據的挖掘，實現節能降耗、提高室內環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，選取一綠色建筑的二層作為項目現場。此實例為既有項目改造，總面積約500 m，共包含4個獨立的辦公區間。室內空調系統為風機盤管+新風機組系統，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，無室內空氣品質檢測設備。

       通過對項目進行改造，實現基于 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現分項計量，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，實現室內環境控制。對獨立區域進行室內空氣品質參數的采集和存儲，并聯動新風機組實現室內空氣品質的調控。同時，此平臺應具有擴展性，能夠根據實際要求擴容，縮短開發周期，降低維護成本。

3.2 監控系統設計

       監控系統采用物聯網架構設計，包括現場層、網絡控制層和用戶層，其架構如圖 2 所示。現場層設有空調溫控器（通信協議 BACnet）、室內空氣檢測儀（通信協議Modbus）、電量表（通信協議 LonWorks）、現場 DDC控制器 （通信協議 Modbus） 和新風機組 （通信協議 Modbus）。網絡控制層包括1臺交換機和2臺網絡控制器JACE，通過網絡控制器將現場層不同廠家和不同通信協議集成到同一平臺。用戶層設有服務器，實現數據的顯示和存儲功能，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 瀏覽器實現遠程監控。

圖 2 監控系統網絡架構圖

       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絡控制器連接。電量表安裝在各回路的空氣開關下端，實現風機盤管、插座和電燈的能耗分項計量。現場安裝有光照度傳感器和控制燈回路的繼電器，并連接至現場 DDC 控制器，現場 DDC 控制器通過通信方式連接至網絡控制器，實現數據傳輸。現場通過室內環境品質檢測儀能夠實時檢測室內溫濕度、CO2 體積分數、CH2O體積分數、PM2.5 和TVOC（總揮發性有機物）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 界面進行監控系統的二次開發，可縮短開發周期，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。用戶在使用過程中，可對室內參數和控制模式進行設置，系統的控制時間模式和參數設置界面。框架本身連接著數據庫，能夠實時對數據進行存儲和查詢。辦公室內 CO2 體積分數歷史數據曲線。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

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，根據現場實際情況采用現場總線、光纖環網或無線通訊中的一種或多種結合的組網方式，為大型公共建筑的實時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。開放性、網絡化、單元化、組態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分項能耗統計

      系統可以按照分項進行能耗統計與顯示。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間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。可查看分項中各支路用能趨勢，可根據已有的日期或者自定義時間進行查詢，統計數據可導出至Excel。

4.2.4能耗的同比環比分析

      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行同比環比分析，檢驗節能效果，根據分析結果執行節能績效考核，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間內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

       物聯網架構管理控制層可集成多種通信協議，解決了不同廠家設備和通信協議間無法連接的問題，利用 Niagara 框架將各設備整合到一個完整的平臺，實現對現場層的統一管理。 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）、手機等互聯網設備Web瀏覽器實現系統的遠程訪問。通過綠色建筑物聯網監控系統實例搭建，實現了對室內空氣品質和各分項能耗計量監測，并能夠實時查詢歷史數據，實現運行工況的曲線展示。該系統具有較好的穩定性，為物聯網架構在綠色建筑領域的應用積累了一定的實踐經驗。

【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.基于物聯網平臺的綠色建筑能耗監控系統.[J]能源與節能,2019.07

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.[J]2019.11版