基于物联网的能效监管系统在某高校节能改造中应用研究

倪章灵

(福建省福州儿童医院 福建福州 350001)

1 项目概述

随着现代生态文明建设的步伐越来越快，节能减排低碳发展要求也越来越严格，降低能源消耗成本是节能改造的发展趋势。同时，科技进步，物联网、大数据的发展应用，也加快了节能技术的更新换代，节能改造的步伐越来越快。拥有众多大型公共建筑的高校节能改造，首当其冲，势在必行。

1.1 项目情况

该节能改造，主要针对某高校教学楼、行政楼、图书馆等50栋建筑，建筑面积316 000m2的电气、照明、空调等进行节能改造。

1.2 项目需求

按照学校的实际情况，节能改造工程实施以下几个方面：①建立能效监管系统数据中心及运维平台；②公共区域照明节能改造及远程监控；③教室照明节能改造；④空调节能改造，水泵房改造及远程监控。

项目节能改造主要目的，即要求大型公共建筑节能率不低于20%[1]，所有改造的建筑物综合节能率达到20%以上，实现电气、照明、空调等设备可视化监控管理。

由于该节能改造涉及范围大，本文重点对教学楼的教室照明节能改造和空调节能改造进行介绍，并对基于物联网的能效监管系统结构及系统实现功能进行阐述。

2 教学楼节能改造建设

教学楼节能改造，建立在基于物联网的能效监管系统基础上[1]，通过对教学楼照明、空调等设备的技术改造，将其接入节能监测网络。基于物联网的能效监管系统，可通过节能监测网络监测到照明、空调等设备的能耗数据，对监测到的数据进行整理，分析，实现对这些设备进行有效的监控、控制，有效降低校园能耗，提高能源管理的自动化水平，达到节能减排的相关要求。

2.1 基于物联网的能效监管系统

基于物联网的能效监管系统，是对建筑及设备进行能耗监测、智能控制和管理服务的综合性平台，以实现对各类建筑能耗情况的统计、分析、诊断、预警等功能，并对建筑耗能设备进行有效控制与管理，实现对建筑物内传感器数据的采集，对各类数值量进行互联网上传，并在数据库进行大数据分析对比，最终实现对用能设备进行有效的控制与管理[2-3]。

2.1.1基于物联网的能效监管系统结构

基于物联网的能效监管系统结构[4](图1)分5层，分别为：应用层、设备层、管理层、数据层和用户层。

(1)应用层：应用层前端包括两部分，①能耗采集的设备，如水、电、热、燃的基础设备，有基础设备才能安装智能仪表进行采集工作。②智能控制的设备，主要是针对照明插座、空调、动力设备，对他们进行启停、调节等控制。

(2)设备层：①对水表、电表、热能表、燃气表等仪表仪器数据进行采集的采集器；②对应用层前端要控制的设备进行智能控制的执行器。只有实现将采集器采集到的数据送到数据层，数据层才能对设定的数据作分析处理，最后通过管理层发送执行指令给执行器，从而对前端设备进行智能控制(当然也可人工手动控制)。

(3)管理层：主要是对采集数据的处理，对控制设备指令的传达、内部存储计算、网络安全防范、用户权限等内部核心管理工作。

(4)数据层：主要是实现进行大数据对比和分析，是能效监管系统的关键层，不仅针对一个单位用户进行数据采集与智能控制，还可对多个单位用户数据进行采集与智能控制。

(5)用户层：就是用户实际体验。用户借助手机、计算机及平板等设备，就可以实现对前端设备进行数据采集与智能控制，通过网络、人工智能及大数据分析，给用户展示最终的结果与结论。

2.1.2基于物联网的能效监管系统组成模块

基于物联网的能效监管系统组成模块(图2)分为数据采集、分析处理和汇总模块；服务器端管理、配置与控制模块；客户端管理和操作模块3大模块。

图1 基于物联网的能效监管系统结构

图2 基于物联网的能效监管系统组成模块

数据采集、分析处理和汇总模块，采用C++技术实现，支持多并发高效的网络服务系统，数据存储使用Oracle数据库实现。功能包含数据采集、数据分析处理、数据汇总上报等；硬件包括控制器、监测仪器、数据采集器等各类受控设备。

服务器端管理、配置与控制模块，采用J2EE架构进行开发，使用spring+hibernate组件技术实现系统的分层结构。功能包括系统管理、控制主机管理、监测仪表管理、协议接口管理、故障维护管理、统计报表、能耗诊断、设备远程控制等。硬件采用4台服务器，分别为数据库主服务器、备份服务器、采集服务器、WEB服务器，数据库选用Oracle数据库标准版。

客户端管理和操作模块可在电脑上使用，也可发布为安卓系统端和苹果IOS系统端在手机上使用。功能包括个人数据维护、设备管理、智能控制、报表查看、告警处理等。

2.1.3节能监控网络

节能监控网络(图3)设计按照前端、后端方式，前端网络主要用于管理主机、监测仪器、数据采集器执行器、智能仪器等各类受控设备接入，后端网络链接各种应用的服务器区。通过节能监控网络的建设，让前端的数据采集、分析处理模块和服务器端的管理、配置、控制模块整合为一体，达到整体的节能效果。

前端网络采用核心、汇聚、接入3层构架方式，接入层以千兆光纤上联至汇聚交换机，汇聚以千兆光纤上联核心层，核心层通过千兆光纤上联至专网防火墙，专网防火墙通过千兆光纤上联到校园数据中心。接入层通过双绞线联接不低于1G的带宽接入各受控设备管理节点。

后端网络，通过核心交换机链接各种应用服务器。考虑到后端服务器的高可靠保障和业务压力，服务器上行方式以光纤不低于1G的带宽链接到核心交换机。同时，链接的服务器放置防火墙、IPS等安全防护设备，对后端服务器进行2～7层安全防护，再通过校园网络中心的安全防护接入内外网以便客户端的使用。

图3 节能监控网络

2.2 教学楼照明节能改造

2.2.1照明节能改造概述

据统计，该教学楼共安装560盏0.6×0.6m LED面板灯，开灯天数为260d，由于节能用电意识不强，造成教室无人使用时照明依然处于使用状态，每天平均使用10h，整灯功率为36W，估算年耗电量为52 416kWh。

针对教学楼照明这种的用电状态，照明节能改造利用能效监管系统，在每间教室的电源开关处安装采集器、执行器及照明控制器，实现每个教室的用电计量、监测，根据自然光照度自动调节灯具亮度，根据统计人数提供相应照明，达到节能的目的。

2.2.2节能数据采集

照明用电计量，主要利用采集器进行数据采集。采集器，通过RS485总线方式与智能电表连接并进行通讯和数据采集。采集器有一个网络接口RJ45，可以通过节能监控网络与管理主机进行通讯和数据传输，还有一个串行接口RS23，用于在线调试与设置。

2.2.3节能照明控制

节能照明控制是根据采集到的电量数据，通过节能监控网络与管理主机或客户端进行联网控制，实现教室远程灯光控制操作与监测，根据教室实际人数提供相应节能照明。节能照明控制，主要由节能照明控制器执行。照明控制器配置RS485总线端口，TCP/IP协议网络接口等通讯端口，配置有6路继电器常开触点输出，每个回路可输出最大16A电流，连接3000W以下的灯具。

2.2.4改造灯具

更换部分灯具为智能调光LED灯具，并安装照度传感器。照度传感器具有自动检测周围光线照度的功能，可以根据周边和自然光的亮度来调整自身灯具的亮度，以达到节能照明的目的。

2.2.5计数照明

一间64人的教室，智能调光LED灯具安装14盏。其中，讲台安排2盏，为1组灯(第一组灯)，其余每3盏灯一组，分别为第二组灯、第三组灯、第四组灯、第五组灯。以上5组灯分别接到节能照明控制器的1-5控制回路,如图4所示。

一间教室通常有前后2扇门，在每一扇门上方安装2个红外计数传感器(A红外计数传感器和B红外计数传感器)，A传感器安装在门前，B传感器安装在门后。

图4 教室节能照明控制示意器

当人员进出教室时，如果是从前门进出，门前的A传感器即先感应到，门后的B传感器后感应到，由此判断是人员进出教室。反之，如果是从后门进出，则同样可以判断，由门后的B传感器先感应到，门前的A传感器后感应到，以此来统计教室内人数。

系统会根据教室内统计人数开启相应的灯。人数多，开的灯就多，人数少，开的灯就少，以达到节能照明的目的。

2.2.6改造效果

节能改造后，经过基于物联网的能效监管系统控制和自动调节，该系统显示，每天常亮灯数大约减少到400盏，每天平均使用减少为8h，年耗电量大约为29 952kWh，较改造之前的52 416kWh，节能量22 464kWh，节约40%能耗，节能效果明显。

2.3 教学楼空调节能改造

2.3.1空调节能改造概述

据统计，该教学楼共安装VRV变频多联机空调35台，每台功率为3675W，运行时间集中在夏季，大约全年运行1500h，加上全年的待机时间，估算年耗电量为20 000kWh。该空调节能改造项目采用智能管理的技术手段，对VRV变频多联机空调进行节能改造，即通过合理的开关机及电源断电，以达到有效节能。

2.3.2空调节能改造方法

通过与空调厂家沟通，针对空调节能改造最理想的方式即在原有的线路和结构不改动的情况下，在空调室外机主电源线路添加智能表和执行器，在室内机的每一台机组的电源线进线外加装空调控制器(图5)，这样可以通过能效监管系统实现智能控制空调，实现空调的开关控制供电时段、能耗的对比、分析等数据处理工作。

2.3.3空调控制器

空调控制器是空调节能改造的核心部件，安装在每一个室内机的电源进线处，这样可以供电工作，也可以控制室内机的电源通断。空调控制器具有红外学习功能，可以学习或复制任何红外遥控器的红外编码；也具有红外发射功能，可以将红外学习到的编码进行实时控制操作，控制空调电源的开启和关闭。它有2种通讯方式：RS485总线端口和LORA(433MHz)无线半双工通讯。当空调控制器与管理主机通过RS485总线方式或LORA无线通讯方式进行通讯连接后，管理主机即可以控制相关空调器电源的开启和关闭及其它各种功能操作。

值得一提的是，LORA低功耗广域网无线通信技术，作为物联网控制通讯协议之一，是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。

图5 空调节能改造示意图

2.4 节能改造效果

经过节能改造，通过能效监管系统对空调进行集中控制后，能保证温度设定在26℃，并能根据教室使用情况关闭VRV空调室内机，防止人为浪费。同时，福建地区空调真正使用的时间也就夏季3～5个月，其他时间的空调都属于待机状态。在没有切断电源的情况下，空调内部也在待机耗能。在这种情况下，就可以按时间段关闭所有空调的用电待机耗能，不用电能就是最大的节能和省电。据系统显示，改造后空调年耗电量大约为14 600kWh，节能量5400kWh，节约27%能耗，节能效果明显。

3 结论

在节能改造前，2016年学校总用电量为5 212 330kWh，2017年学校总用电量为5 435 620kWh，总能耗呈逐年增长的趋势。经过该节能改造后，2018年学校总用电量为2 958 094kWh，节能量2 477 526kWh，节能率21%，达到节能的要求。如果电价按0.533元/度计算的话，节约电费约132万元。此外，通过基于物联网的能效监管系统的使用，把原来需要一定数量的人工来管理照明和空调设备，现在只需要在一个机房就可远程把控可视化仪器设备，节省了人力和物力，经济效益显著。

此次节能改造，有助于明确高校等大型公共建筑今后的电能运维方向，即“能耗数据化、数据可视化、节能指标化、管理动态化、决策科学化、服务人性化”，省能省工且管理便捷。