物联网与绿色智能建筑核心技术探讨

2012-09-21南京工业大学陆伟良丁玉林

智能建筑与智慧城市 2012年2期

关键词：智能建筑机房联网

文｜南京工业大学陆伟良丁玉林

江苏省计量科学研究院信息网络工程质量检验所宋舒涵

众所周知，对于一个企业和一个国家而言，仅有产值的发展是不够的，必须掌握该领域的核心技术才能立于不败之地，才能占领制高点。

1 物联网时代到来

1.1 物联网产生的背景

物联网（The Internet Of Things）是信息化和工业化发展和融合的必然结果；是信息技术和传感/控制技术两者融合的产物；是物理基础设施（例如：光、机、电设备）和IT基础设施融合一体的架构。

IBM前执行官曾提出一个重要观点，认为计算模式每隔15年发生一次变革，物联网是继互联网后的第四次计算模式。

第一次计算模式是主机终端模式，第二次是微机网络模式，第三次是互联网，第四次就是物联网。据美国IBM公司的十五年周期定律：1965年——大型机；1980年——个人计算机；1995年——互联网；2010年——物联网。

物联网是继互联网后的第四代计算模式，它是互联网计算模式的进一步发展。

1.2 物联网的概念

物联网来势迅猛，前景美好，但概念宽泛，认识迥异，尚无较为准确而贴切的学术定义。

（1）美国MIT的Kevin Ashton 用“Internet of Things”描述把计算机通过网络连接到真实传感器网络的世界（1999）。

（2）国际电信联盟（ITU）：物联网是通过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络（2005）。

（3）百度百科：物联网是通过RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

（4）《物联网产业发展研究》报告（2010.4.8）：物联网是由具有自我标识、感知和智能的物理实体，基于通信技术相互连接形成的网络，这些物理设备可以在无需人工干预的条件下实现协同和互动，为人们提供智慧和集约的服务。

（5）中国物联网大会（2010.6.29）：凡是有传感器和传感技术而感知物体的特性来按照固定的协议，实现任何时候物与物之间、人和物之间、人与人之间互联互通，实现智能化识别，定位跟踪管理的网络。

笔者认为第（5）种提法最为客观全面，对物联网的内涵是指物与物、人与物及人与人之间的互联互通的全新技术。

1.3 物联网组成与应用架构

物联网主要由感知层、网络层和应用层三层结构组成，如图1所示。

图1 物联网的三层结构

（1）感知层为物件通过传感或（和）执行设备联网，构成传感/控制网。

（2）网络层为互联网协议栈（包括TCP/IP网络平台、互联网应用协议）。

（3）应用层为基于Web浏览器应用。

图2为物联网的应用方案，感知层是由传感网及RFID阅读器组成；网络层包括接入网和通信网；而应用层是由中间件和应用方案组成。应用方案包括绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通、环境检测等八方面组成。

图2 物联网的组成

2 物联网概念的发展

1995年，比尔·盖茨在《未来之路》中提及物联网，但当时这个新概念没有引起太多的关注；1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出：传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇；2005年， ITU发布互联网报告2005，即物联网。预测物联网的建立将带来10亿量级的信息设备、30亿量级的智能电子设备、5000亿量级的微处理器，万亿以上的传感器需求，是下一个万亿级信息产业引擎，为计算机、互联网后的第三次信息产业浪潮。

2009年，奥巴马就任总统后，1月28日与美国工商业领袖举行了一次圆桌会议，IBM首席执行官首次提出“智慧地球”概念。这一概念提出以后，受到美国各界高度关注。

物联网真正引起中国公众关注是从2009年8月份开始。温家宝总理到中科院无锡高新微纳传感工程技术研发中心考察表示：在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术。提出“感知中国”的重要论点，引起世界关注。

温家宝总理在2009年11月3日发表题为《让科技引领中国可持续发展》的重要讲话，把物联网列为国家五大信息产业战略之一。

2010年3月5日，温家宝总理在人大和政协“两会”政府工作报告中指出，要加快物联网的研发应用，物联网首次被写进政府工作报告，物联网的发展进入了国家层面的视野。据悉，中国已经规划在2020年之前投入3.86万亿元资金用于物联网研发。

工信部：物联网发展成为2010年我国信息产业的三大发展目标之一；由工信部和国标委领导，成立物联网标准联合工作组；三大电信运营商、国家广电总局等均制定物联网的发展规划。

3 物联网的三大核心技术

3.1 感知层技术

（1）传感器网络技术

该技术将无线通信与计算能力的微小传感器节点通过Ad hoc方式连接起来，各节点能根据环境的变化自主地完成网络自适应组织和信息的传递；节点间采用多跳方式进行通信，传感器网络的信息通过接入网关传递到承载网络。

（2）射频识别技术

射频识别（RFID）系统主要包括标签、阅读器（含天线）、中间件。RFID是通过电磁耦合原理来实现通信，方式上有主动式、被动式和半主动式。由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成。RFID与移动信息化实现了有机结合，有助于物流、资金流、信息流的三流合一，应用范围非常广泛。

3.2 网络层技术

（1）接入网关技术

接入网关完成应用末梢各节点信息的组网控制和信息汇集，及完成向末梢节点下发信息等转发功能。由于末梢各节点的组网和通信协议往往不同，在相当长的时间里，接入网关还起到私有协议和标准协议的转化功能。

（2）IPv6技术

IPv6地址长度为128bit，地址空间增大了2的96次方倍，彻底解决了IPv4地址不足的难题，基本满足每个物体都接入互联网的需求。同时，IPv6使用更小的路由表，增强了对组播的支持和对流的支持，增加了对自动配置的支持。

（3）ONS技术

域名解析服务（DNS）是将一台计算机定位到因特网的某一具体地点的服务。在物联网里，对象名解析服务（ONS）是一个自动的网络服务系统，提供把一个物体定位到物联网的某一具体地点的服务。

3.3 应用层技术

（1）情景感知技术

情景感知（Context Awareness）技术赋予物联网中的物体检测和感知它所处环境或状态变化的能力。该技术可以帮助各智能系统更好地跟踪环境和状态变化，以提供优质的服务。

（2）云计算技术

云计算技术是分布式计算和网格计算的发展和商业实现。该技术把分散在各地的高性能计算机用高速网络连接起来，以Web界面接受各地科学工作者提出的计算请求，并将之分配到合适的结点上运行。对于用户，可以像使用水电一样地使用隐藏在物联网背后的计算和存储资源，强大而方便。

从目前来看，我国物联网发展速度很快，但是离掌握物联网核心技术还有很大差距。我们不能只满足于应用，还要在开发掌握核心技术上下功夫。

4 绿色智能建筑四大核心技术

4.1 绿色智能建筑的概念

所谓绿色智能建筑，就是用绿色的观念和方式进行的规划、设计、开发、使用和管理，执行统一的绿色建筑标准体系，并由独立的第三方进行认证和管理的建筑。绿色建筑是节能、环保、生态建筑的总称，智能化包括BA、OA、CA、FA、SA等5A技术。

由笔者在国内首次提出的绿色智能建筑组成三角形，如图3所示，绿色建筑是总纲、方向和目标，智能化是技术、方法和手段。

图3 绿色智能建筑组成三角形

4.2 绿色智能建筑核心技术

笔者认为绿色智能建筑四大核心技术为：智能建筑集成技术、智能建筑控制技术、绿色节能技术、绿色机房技术。

4.2.1 智能建筑集成技术

智能建筑的核心是系统集成，是提高智能建筑运营管理和增值服务竞争力的关键。老版《智能建筑设计标准》（GB/T 50314-2000）提出的智能化系统集成包括：系统与信息集成、功能集成、网络集成、软件集成等内容。智能化系统集成目标是：信息共享、网络融合、功能协同；提供楼宇信息增值功能和服务，提高物业及设施管理的效率和效益。

新版《智能建筑设计标准》（GB/T 50314-2006）提出了集成技术这个新概念。智能化集成系统（IIS）将各种不同的建筑智能化系统，通过统一的信息平台实现集成，以形成具有信息汇集、资源共享及优化管理等综合功能的系统。“智能化系统构成宜包括智能化系统信息共享平台建设和信息应用功能实施”，新标准中指出智能化系统配置应符合以下要求：

（1）应具备对各智能化系统进行数据通信、信息采集和综合处理的能力。

（2）集成的通信协议和接口应符合相关技术标准。（3）应实现对各智能化系统进行综合管理。（4）支撑工业业务系统及物业管理系统。（5）应具备可靠性、容错性、易维护性和扩展性。

两层次网络与集成界面：

（1）IBMS第一层次网络与集成界面——实现智能楼宇管理的功能为主。

（2）BMS第二层次网络与集成界面——实现智能楼宇各实时监控子系统的集成，以服务功能为主。

（3）分两层次集成界面组成结构的一个最大优点是用户可采取先上BMS系统，在有条件时再扩展和提升BMS系统的组成结构为IBMS集成系统组成结构，以利于用户分阶段实施。由系统集成（SI）到集成系统（IS）是质的提升。

4.2.2 智能建筑控制技术

（1）BAS系统在节能中的作用

BAS 在采集楼宇数据、分析楼宇状况的数据采集的基础上，对楼宇实施管理，从而提出节能方案。

①能源管理和测量的方案

采用流量、温度等传感器及数字能源检测器对能源测量后进行集成，在分析过程中可以查看多个设备负荷的综合报表、能耗报表、成本定位报表等，这些数据都可以通过网页查看，可对系统的运行及计划进行分析并提出控制方案，控制内容包括：峰值需求限制、优化重设、日程表、VAV、VVVP等。

②节能优化（SSTO）控制

通过可变时间设备（系统开始和终止时间依赖内部或外部温度）、最佳开始时间和基于系统计算等三种形式，确定系统开始和终止时间，以获得节能效果。

③峰值需求限制（PDL）

降低系统的峰值需求也是一种节能的形式，智能大楼对峰值需求限制的功能可以实现降低电力负荷的效果。如家庭取暖的高温限制，当室内太热时应该关闭燃烧器，这样既避免危险又起到节能的作用。

（2）VVVP系统节能

VVVP的定义是变风量（Variable Volume）与变压力双重控制。

① VAV系统（Variable Air Volume）

早期的VAV系统对空调的控制是对各系统的各个Box相互影响，系统极易发散，对扰动调节能力差，经改进的VAV系统为压力无关型、风受静压恒定系统的控制为风受静压控制和VAV Box温度控制两个独立部分，且解决了系统发散以及对扰动调节能力差的问题，因而定静压VAV是比较节能的，但实际能耗要大于现设值。而且，仍然存在只能应用于小型VAV系统、对扰动调节时间长、线性反馈控制系统稳定性差等问题。

最大风门变静压控制不能用于大型VAV系统。

② VVVP系统

VVVP系统（变风量与变压力的组合）能用于大型VAV系统，系统稳定好，对于扰动调节时间短。因此它是一个在应用上优化的VAV系统，是一个带有VSD风机控制和分布式BAS的系统。

VVVP系统减少风机能耗的示意图，如图4所示。

VVVP的运行原理为：

◆建立风管压力模型，用于计算末端需要的最大压力；

◆对于给定的风量设定点，模型实时得出需要的压力需求；

◆风机控制器选定最大压力需求作为风力控制的设定点。

③节能效果

以西雅图的一个医疗研究中心为例：原先采用VAV系统，双风机，每个50马力带调节锥，改装为VVVP后，风机使用VSD，年度总节能20万kWh。

图4 VVVP风机控制图

4.2.3 绿色节能技术

绿色节能技术包括：冰蓄冷空调技术、太阳能热水及太阳能光伏发电技术、风力发电技术、地热泵空调技术等。

（1）太阳能光伏发电技术

太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。太阳能光伏发电系统由以下几个部分组成：

①光伏组件：一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的薄身固体光伏电池组成。

②控制器：连接太阳电池组件、各种用电设施和蓄电池组的中心。通过对系统输入输出功率的调节与分配，实现光伏系统的各种控制。

③蓄电池或蓄电池组：光伏系统的储能装置。

④逆变器：将直流电转变为交流电，提供交流负载使用的电气设备。

太阳能光伏发电系统的优势：无噪音、无污染、永不枯竭、安全系数极高、不受资源分布的地域限制、无需消耗燃料或铺设输电线路等。

（2）风力发电技术

把风的动能转变成机械动能，再把机械动能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。

自2004年以来，全球风力发电能力翻了一番，2006年至2007年间，全球风能发电装机容量扩大27%。2007年已有9万兆瓦，2010年16万兆瓦。预计未来20～25年内，世界风能市场每年将递增25%。2006年，中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2008年8月，中国风电装机总量已经达到700万千瓦，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五，这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。

风力发电的优点：清洁，环境效益好、可再生，永不枯竭、基建周期短、装机规模灵活。

（3）地源热泵技术

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等），既可供热又可制冷的高效节能空调系统。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到5kW以上的热量或4kW以上的冷量，所以我们将其称为节能型空调系统。地源热泵供暖空调系统主要分为三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。

地源空调的特点：

①环保作用突出：无污染物排放；对地下水资源没有损耗、污染；对地质结构不会造成影响。

②节能效果显著：制冷系数在6以上，制热系数在5以上，比传统的中央空调高40%左右；一机多用，一套设备可以满足制冷采暖需求，又可以提供卫生热水。

地源热泵可利用的低位热源水有地下水、海水、城市污水、洗浴废热水、江河湖水等。

4.2.4 绿色机房技术

新一代的绿色机房，是从社会发展和环保节能的角度提出的，指机房各系统均遵循最大能源节约及最低环境影响的设计原则，同时采用先进的技术与策略。

绿色机房建设不仅仅是局限在机房的某一个节能的设备上，它包含了整个机房的建设。它是一个系统工程，贯穿在机房的前期规划选址，中期的设计施工，后期运维管理等整个机房的生命周期。单靠购买某个或者成套的数据中心设备并不能实现完整意义上的绿色机房。

能源使用效率PUE（Power Utilization Efficiency）是一个当前业界普遍认可的衡量机房运营、管理水平，是绿色、节能、环保的重要指标。

PUE是一个大于1的比率，越接近1表明机房能效水平越好。

当前，还未有任何政府部门或绿色环保组织对绿色机房制订出评判标准。业内仅根据当前机房现实情况和本身的认识，给绿色机房从依据PUE值方面定了个标准，其PUE值必须要在2以下。目前国内可达2.5～3.5，而国外先进技术可达1.15。

综上所述。我国在绿色智能建筑核心技术上只是部分掌握，还需要努力，希望引起主管部门的重视。