基于建筑能耗监测管理的楼宇智能化分析

2023-12-13王晓晨

大科技 2023年51期

王晓晨

（国网浙江省电力有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

建筑能耗监测管理系统是楼宇智能化体系中的一个重要组成部分，其通过对楼宇中的各类设施设备进行运行能耗数据监测，可以为设备运行调控提供依据，让楼宇保持正常运行的同时，减少能耗，降低楼宇的智能化运作成本，由此满足当代楼宇智能化建设在节能减排、成本管控方面的需求，深入优化楼宇的智能化建设水平。

1 在智能化楼宇中建筑能耗监测管理的作用

就目前来看，在楼宇的智能化运行中，建筑能耗监测管理的作用主要体现在以下3 个方面。①信息透明，在楼宇的运行中，通过能耗监测管理所获得的信息会以可视化数据的形式集中展示，让管理者对各类设施的能耗情况一目了然，这有助于管理者及时发现故障带来的能耗异常问题，提高运维工作效果。②节能减排，在能耗监测管理中，通过监测太阳能等楼宇中的绿色能源设备，可以实现对绿色能源发电情况的管控，为楼宇的绿色能源互补微循环提供依据，由此更好地支持楼宇的节能减排。③强化整体管理，建筑能耗监测管理中，通过根据区域功能，对相关的用电信息进行日、月度、季度、年度的统计分析，可以为楼宇的整体设备运作管理提供依据，强化设备的整体管理。

2 基于建筑能耗监测管理的楼宇智能化建设原则

为了更好地会发挥建筑能耗监测管理的效能，需要在开展楼宇智能化建设的过程中，遵循以下4 项原则：①统一性原则，应按照整体规划，遵循统一的标准进行统一的楼宇智能化建设，确保监测管理系统能够与楼宇的整体智能化系统相匹配，为管理系统的正常运行奠定基础。②先进性原则，在楼宇智能化建设中，需要优先选用先进的设计、技术路线、测试技术、组件，为能耗监测管理运行提供有力的支持，保证管理的效率和效果。③安全可靠原则，应在楼宇系统建设中注重对安全防护、抗干扰能力、容错能力的考虑，由此塑造出安全、稳定的管理系统，让管理工作得以稳定、安全、可靠地开展。④实用性原则，楼宇的管理操作系统构建应当符合国家、国际的通用标准，且应具有操作友好、便于维护拓展的特征，以支持后续能耗监测管理的顺利开展。

3 基于建筑能耗监测管理的楼宇智能化建设策略

3.1 物联网组网策略

在楼宇智能化建设中，为了达到智慧城市的建设要求，实现智慧物联信息化建设标准化、信息化、规范化管理，需要建立基于物联网的楼宇智能管理体系，以通过对建筑进行智慧化的能耗监测管理，达到节能减排、降低运营成本的效果。为此，在基于建筑能耗监测管理的楼宇智能化建设中，需要先做好物联网组网，为后续的楼宇智能化能耗监测管理运行提供条件。

在物联网组网过程中，常用的物联网拓扑结构主要有3 种，即星状网（图1）、网状网（图2）、树状网（图3）。其中，树状网结构的开发、维护成本低、难度低，现场施工布置比较容易，同时其的信息传输能力、覆盖能力也可以满足智能楼宇的能耗监测管理需求，因此，在楼宇智能化建设中，通常会运用星状网拓扑结构进行物联网的建设。在此过程中，需基于集中控制，构建分级的网络，并用多个星型网络拓扑，组建出物联网的多跳网络，物联网中的终端节点可以通过最近的协调节点或路由节点入网。其中，协调阶段作为互联网络的根节点，以路由节点为中继。在此物联网组网策略中，物联网的信息传输方式为无线传输，所以无须布线，同时，物联网结构中的终端、中继，可采用电池供电的形式，由此缩减维护成本。此外，这种组网策略，支持根据实际需求进行灵活组网，而且其所需的运行功率较低，穿透性也比较强，因此，运用上述组网策略，能够构建出低能耗、性能好的物联网体系。

图1 星状网结构

图2 网状网结构

图3 树状网结构

3.2 能耗数据采集策略

在楼宇的智能化建设中，为了顺利实现能耗监测管理，需要运用传感器对各类设备的能耗信息进行采集，然后再利用物联网技术，将采集到的能耗数据信息传输到数据分析系统中，由此获得能耗监测管理所需的各类信息，如月度耗电量统计表等，为楼宇设施运行的节能减排管控提供依据。

基于此，在能耗数据采集上，需要在每个物联网终端节点处，集成构建出传感单元、无线通信模块，以及MCU 处理单元。其中，传感单元的主要作用是采集各个设备的能耗数据，无线通信模块则用于将这些数据通过物联网传输到数据分析系统中。但为了保证数据的顺利传输，就需要MCU 处理单元，对数据进行处理组包，同时提供通信协议[1]。

但在此过程中，应当注意，考虑到物联网的中继通常设置在楼道内、基站则一般设置在楼顶，与采集点之间的距离至少有几米远，而且采集点是设在建筑内，建筑墙体也会阻隔采集点无线通信模块的射频信号，所以，尽量选择接收灵敏度高、穿透能力强、传输距离远的射频芯片。考虑到楼宇中的设备数量较多，而且能耗监测要求收集实时的能耗数据，这使得MCU 需要存储和处理大量的数据，因此，在能耗数据采集上，应当选择能够提供足够存储空间，且具备顺利完成通信协议和数据处理算法运行能力的MCU。在数据采集环节中，还要注意，在智能化建设中，也要为传输模块中的芯片简单的外围电路，从而降低设计难度，减少传输功耗[2]。

此外，还要注意，应当秉承先进性原则，对传感单元的能耗计量组件进行选用。一般来说，能耗计量组件包括电表、水表、冷热计量表等多种类型，其中，应当保证电表的精度等级＞1 级，水表精度等级≥2 级，冷热计量表的精度等级则应≥3 级，由此保证所采能耗数据的质量，提高建筑能耗监测管理工作的准确性[3]。

3.3 能耗数据传输策略

在楼宇智能化建设中，为了实现建筑能耗监测管理的智能化运作，需要做好能耗数据传输环节的构建，并设置好配套的通信协议、网关程序，创造一个稳定、通畅的能耗数据传输条件，让收集到的能耗数据能够顺利地输入数据分析、显示模块中，以便于管理者随时查看相关数据，以及统计图表，借此完成相应的建筑能耗监测管理[4]。

在能耗数据传输上，通信协议是数据传输的规则，其的存在能够保证数据有序、顺畅的传输。常用的通信协议包括P-ALOHA、CSMA/CD、S-ALOHA 等，但对于楼宇智能化建设来说，P-ALOHA 更能满足建筑能耗监测管理运作需求。P-ALOHA 支持物联网条件下的无线信道工作，而且能够适应建筑内较差的传输环境。运用此协议，可以构建出一个信道竞争系统，系统中每个站均能进行数据帧的自由发送，如果发送失败，则可重发或随机退避。在此过程中，通信协议所构建的信号系统，若出现两个或多个站，在数据帧的发送时间上存在重叠，那么就会出现碰撞，让这些站发送的数据出错，并全部需要重新传输，此时，P-ALOHA 可以让各站等待一段时间后再重传，以错开传输，减少再次碰撞[5]。

在能耗数据传输中，数据均需要通过蜂窝网络，或宽带网络，从物联网的感知层，传输到互联网中，让数据与人之间产生交互，最终发挥其在监测管理上的能效，而网关则是物联网与互联网之间的连接桥梁。通常来说，在网关程序的设计上，应注重塑造其对物联网协议的接入能力、环境适应能力，以及管理终端、中继、协调器的能力，然后通过满足基于上述能力构建需求，进行网关程序设计，使网关能够有效地管控物联网中的各个传感器终端以及节点，并将从物联网感知层传输来的数据进行转换，借助TCP/IP 协议，传输到服务器中，用于后续的能耗数据监测管理工作环节应用。

3.4 楼宇能耗计算策略

在楼宇智能化建设中，为了实现建筑能耗监测管理，需要对收集到数据进行计算，得出总能耗、单位面积能耗等数据，然后通过对这些数据进行整理和分析，了解建筑能情况，制定管理决策、思路，达到对建筑能耗监测管理的效果。

在楼宇能耗计算上，进行总能耗的计算时，可以先将水、电、供热、供冷等方面的能源消耗折算成为标准煤消耗量，由此以统一的计量单位对能耗量进行呈现，这不仅能够为各类对比分析统计图的绘制提供数据，还能方便管理人员进行比较，由此判断节能工作的开展是否具有成效。待折算完成后，还可以计算出单位面积的能耗量，由此找出能耗较高的区域，以制定出针对性的管理措施，在此过程中，折算用的公式如式（1）所示。

式中：Eo——总能耗量；Pi——第i 类能源的折算系统；Esi——消耗的第i 类能源实物量。

此外，在建筑能耗监测管理上，也要做好数据分析模型的建设，并借助科学、合理的数据分析模型，对能耗计算策略进行完善，让楼宇智能化系统能够支持多种的能耗数据图表输出，由此为管理工作提供更加充实、有价值的依据，促进楼宇运行的节能减排、控制楼宇后勤支出，由此深入优化楼宇智能建设的效果。

3.5 管理系统测试策略

在楼宇智能化建设中，为了保证能耗监测管理系统的可靠、稳定运行，需要在上述系统构建工作完成后，对管理系统进行测试，确认无问题后，才能将其投入使用。

在管理系统的测试中，首先，需测试页面的操作性，并对系统进行登录和退出操作，同时，在系统上进行设备的ID 绑定，查看系统是否能够正常显示设备的能耗系统。

其次，进行功能测试，先通过上行指令，用终端节点向基站发送0～50 个字节，查看返回数据测试上行链路功能。如果返回数据为预设的数据，那么上行数据链路无问题，例如，终端节点的波特率为6300、用户串口为UART3，数据格式为OxAA，Ox55，Length，0X01，data[n]，那么返回的数据有两种，即表示发送成功的AA 55 02 02 00，以及表示发送失败的数据AA 55 02 02 01，返回的数据为两者其中任何一组均说明系统上行链路无问题。之后，即可测试下行链路功能。在此过程中，先选好进行测试的设备，然后输入下行链路数据，然后查看终端节点接收到的数据内容，如果发送与接收到的数据内容一致，那么就说明下行链路功能无问题。

最后，进行能耗数据查询测试，在管理系统中输入需要查询的日期，再点搜索键进行能耗数据的查询，得到能耗数据后，需要对该数据的可靠性进行验证。此后，再进入后台数据库，对该设备相应日期的数据进行再次查询，然后将两次查询的结果进行对比，若数据一致，说明能耗传输无误。

待上述测试完毕后，需要对管理系统进行试运行，确认其在楼宇智能化系统的整体中是否能保持稳定的运行状态，确认无问题后，即可将该管理系统正式投入使用，与其他的楼宇智能化系统部分共同运行，实现建筑能耗监测管理。