物联网技术在建筑节能中的应用研究

摘 要：物联网作为具有特殊战略意义的新兴产业，随着国家农业和农村信息化的快速发展，已广泛应用于众多关键领域。据相关研究显示，我国大型公共建筑的能耗持续处于国家监测的高位，仅占城市建筑总面积不足4%的建筑却消耗了高达22%的城市建筑能耗。当前，我国部分建筑的空调和通风等能耗已占据国家总能耗的1/3。面对这一严峻形势，物联网技术的应用显得尤为重要。它不仅可以为人们的生活提供便利，更在很大程度上有助于降低我国的能耗问题。

关键词：物联网；建筑节能；技术应用文章编号：2095-4085（2024）03-0028-03

0 引言

当前，我国建筑行业的耗能已经占到了全社会终端能耗的27%。在我国，农村建筑面积超过了400亿m2，其中有95%以上的建筑属于高耗能建筑。为应对建筑节能的挑战，我国持续开展相关研究，并将互联网技术融入其中。通过运用这种技术，我们能够实时监测能耗状况，并迅速作出相应的调整，从而实现更高效的能源管理。目前，我国大型公共建筑约有5亿m2，年耗电70～300k/wh，仅占城市建筑能源总量的22%，但该比例仅占城市建筑能源总量的4%。目前，我国城市住宅的采暖、空调、通风和照明等能源消费已占到城市建筑能源总量的30%。当前，我国在建筑能耗监控与调控方面仍存在明显不足，这是导致建筑能耗长期偏高的重要原因之一。

以感知和智能为特点的新技术的涌现和相互融合，使未来信息技术的发展从人类信息主导的互联网转向了物与物互联信息主导的物联网。物联网技术的快速发展，将大大提升人们与现实世界的相互作用，给人们的生产和生活带来巨大的变革。尤其是在通讯、传感等技术不断进步的今天，感知技术日益成熟，使得感知节点的制造成本已经达到了可以大规模推广使用的程度。将物联网技术运用到建筑节能中，对建筑进行信息采集、传输及数据融合处理，对提升建筑智能化程度，实现对建筑能耗的精细化监控，促进建筑节能减排，都有着十分重要的作用。

1 物联网技术的概述以及在各行业的应用

物联网技术在农业和日益信息化的农村中应用，可以准确地掌握农业市场信息，实现对物品的智能管理和远程监控。在我国的农业产业中，物联网技术已经得到了广泛应用，并取得了一些进展［1］。

随着传感和通讯技术的不断进步，物联网被视为未来最具前景的技术之一，并有望成为本世纪最具影响力的重大科学技术。物联网基本上就是一些“物体”或者能够通过网络进行通信的智能物体所构成的应用与服务。这是一种智能化的网络，目的在于为那些无所不在的智能化物体提供一种沉浸式的联系。物联网可以将各个厂商的设备连接起来，为最终的用户提供最大的效益。而互联网又是物联网中信息传输的核心载体。

物联网技术引领着新一轮的信息化浪潮，在智能化楼宇中具有广泛的应用前景。物联网技术必须发展到一定阶段，才能与云计算技术完美结合，从而实现真正意义上的普及。从众多建筑物和系统中收集的大量且无处不在的数据具有可用性和计算兼容性，因此需要对其进行深入的分析和挖掘。通过这种方式，可以实现对物理世界精确、快速和智能的管理与控制，进而实现智能化。这将极大地提升能源效率和生产效率。物联网的快速发展，迫切需要云技术的支持。云计算的平台管理技术，可以让分散在各地、数目庞大的服务器互相协作，便于商业部署和执行，从而以智能方式保证大型系统的可靠运转，达到资源共享的目的［2］。

2 建筑节能的未来走向

（1）在大型的公共建筑物中，最常使用的就是建筑物的自动化系统。利用建筑物的自动化与控制网的数据通信协议和欧洲的设备安装总线的协议，来确保建筑物中公用机械设备的正常运转。虽然建筑系统自动化技术已经得到了广泛应用，但是依然存在着一些困难，比如，建筑内电气设备的布线成本较高，安装复杂。而且，在建筑物系统自动化的其它方面，仍存在着一些问题。比如，不能完全地获得建筑物在能耗过程中的具体数据，这样，就不可能使建筑物内部的耗能系统达到最优。因此，一种更低成本、更低能耗、更大范围、更方便管理的网络通信技术诞生了［3］。

（2）从部分报道中可以看出，若将 WSN技术应用于照明系统，则可以减少约30%的能耗。另外，有几家生产单位，已经开发出了一整套基于无线传感器的网络化的照明控制产品，通过对照明系统的遥控和自控，可减少照明系统的能耗。

3 物联网技术在生活中的应用

（1）温湿度采集装置、空调监控器和人体位置采集装置是中央空调监测子系统中的重要部件。温湿度采集装置的作用是采集一定范围内的温度，并把采集到的数据信息传送到空调监视器，可进一步地将当前温度与之前预备设置的温度相比较；人体位置采集装置可以向空调监控装置提供建筑区域的人员信息，并且可以通过相关的数据进行分析，从而可以适当的调节运行模式，保证空调的正常运行。

（2）在电梯运行方面，互联网的投入很大。互联网在电气运行中起到数据监测以及信息控制的作用，可以及时了解乘坐电梯人员的状况和相关的运行情况，从而保证运行顺畅，还可以及时知道电器在运行中所消耗的能量。在此基础上，提出一种基于智能优化的电梯控制系统，可以达到节能降耗的目的［4］。

（3）电能表数据的采集是一项比较繁琐的工作。在现实生活中，为了能够更好地解决对电表数据的采集和传输，可以采用为电表接入无线通信模块，或者是连接无线数据采集器的方式，对电表进行远程数据的采集，并逐渐构建出一套电力抄表的体系。

（4）从现实生活的需求出发，在对建筑耗能系统的监测过程中，要对数据的采集功能不断的进行更新和改进。其中，数据采集点占比很大，它的功能是对建筑过程中的施工温度以及所消耗的电量进行及时的监测，并且在用电量过高或者温度过高的情况下发出预警来提示相关施工人员。因为电梯在运行过程中是不能停止的，可以通过中断的方式来采集数据。并且，终端节点大部分都是未工作的，所以，可以通过电池来为其供电。

4 基于物联网的建筑能耗测控系统

4.1 建筑能耗测量与控制系统

在建筑能耗测量与控制系统中存在着大量的数据采集节点，也就是系统中的终端节点。终端节点可以定期地对环境温度、电能表电量等进行采集，也可以采用中断的方式，比如电梯的起停动作。在大多数情况下，终端节点都是处于睡眠的，所以可以使用电池作为电源［5］。

在此基础上，可以采用新的物联网技术，比如，在不需要考虑睡眠的情况下，也可以对终端节点进行控制。在建筑监控中心，施工人员可以将相关的控制数据进行统一整理，将其全部汇集到监控中的综合分析子系统软件中，通过此软件将数据进行统一采集，再向监测中心发出信号，然后通过数据采集网关对各个监测子系统进行监测。能耗的监测与控制是实现建筑节能的前提，不仅是为了降低和控制能耗，更是以相关的技术手段为基础，对能耗资源进行统一管理。目的是为了对建筑物的耗能情况及时监测，并对不合理的用电情况进行分析，找出更高效的用电方式，针对相关的用电措施不断的进行更新，从而达到预期的效果。

在该系统的感知层，针对建筑物内部设置了多种分项能耗测量设备，分别对建筑物的照明、空调、办公、给排水设备、电梯等能耗进行采集，并在网络层和传输层进行了数据的采集和传送，最后将这些数据传送到当地的物业管理中心，从而达到对建筑能耗进行在线监控和动态诊断的目的。同时还可以对设备进行最优的利用，同时还可以对物业进行收费。根据当地政府的相关政策，可以将监测到的数据通过互联网的形式保存到相关职能部门的系统当中，相关部门对于这些数据进行统一处理和分析，从而可以获取到建筑物的耗能情况，从中寻找能量效率提高的关键点，并提出相应的节能对策。

4.2 建筑测控系统性能划分

本系统包括空调墙控制器、温湿度传感器、人体姿态传感器等。温湿度采集器的任务是采集小区内的温度和湿度，并将这些温度和湿度信息传输给空调机，使空调机按照设定的温度和湿度来调节空调机的运行；人体位置采集器是将人体位置信息反馈至空调控制系统，以辅助空调设备做出适当的调整， 与物联网的关键技术相结合，以无线传感器网络中间件为基础，对智能建筑中的设备进行监测，利用在空调设备和管网中安装的感知部件，可以获取各种环境状态的动态信息。在此基础上，利用该系统对建筑内的空调系统进行全面、合理的调整。这些耗能设备能够调节环境状态，从而为用户提供舒适的环境体验。用户可以通过监测所有设备的工作状态和环境变量信息，来控制耗能设备［6］。

照明控制系统是安装于建筑物之内，相关工作人员在安装过程中应该对安装的位置和方位有着精确的计算。在实施安装时，要对整个房间的亮度进行及时的监测，并对不同情况下的电能进行及时的监测和采集，通过对灯具的控制来调节室内的亮度。

升降机控制子系统是利用升降机数据采集器，对升降机的工作状况进行实时监控，并对升降机进行最优控制，以达到降低升降机能耗的目的。在电能表中添加无线通信模块，或者直接用无线数据采集器与电能表连接，这样就能够实现对电能表数据的远程采集，组成一个电力抄表子系统，从而实现对电能表数据的自动采集和远程传输。

综合分析子系统不仅能够对建筑的能耗情况进行实时统计，还能够对其进行优化控制，并可以对中央空调、照明、电梯等系统进行远程控制，从而将建筑的使用能耗和运营成本降到最低。

5 建筑节能的控制策略

（1）运用物联网技术，对能源和排放的系统设备展开一定程度的改善和限制，这是根据我国对能源和排放多方面的整理和分析而得到的结论。所以，对建筑物进行全面的节能控制成为一项重要工作。在建筑通风与空调节能的分项工程中，对水管、风管的保温层的温差进行了某种程度的自动检测，并对室内各部分的空调用电进行了计算、统计，并设置了自控装置［7］。

（2）在空调的供暖系统中，在供暖系统的冷、热两个子项的节能工作中，进行了一些科学的试验。并将该方法应用于公共建筑的空调节能实践，进行了实例分析。在试验区中，该空调系统采用了以冰蓄冷及城市蒸汽为主的四管空调系统。一是全空气空调器，采用房顶空调器作为冷热源；二是在教学展示中心设置地源热泵，利用不同的冷媒流量，实现多个不同类型的中央空调；三是对工艺过程中的动态过程进行监测和记录，以调整工艺过程中的分配。

（3）在进行电力检测和控制节能的项目中：1）对各电源分路进行检测、计量，根据不同的线路要求，选用不同的智能电表。2）在100 A以上的开关容量时，应配备与之相适应的电流互感器，并使用CT接线进行软测量，最终，将智能电表与智能数据按照网关的要求，可以使用“总线式”挂接。

（4）在可再生能源项目、雨水利用项目和污水处理项目中：1）对太阳能热水系统进行智能检测；对供、回水进行动态监测；并对太阳能光伏发电变换后的电能进行实时监测。2）在雨季的使用项目中，记录并控制集水槽、水管、水泵、喷灌系统，使雨季的使用在某种程度上达到最大化。3）对排出污水的客井、调水池、反应池、污水升降管道等，进行一些动力测试，主要有：潜污泵、流量计、管道搅拌器、PH值计数泵、加药装置及计量泵。可以让废水得到更好的再利用，也可以让废水得到合理的排放［8］。

6 结语

当前，我国住宅及公共建筑能耗一体化管理的水平还比较低。利用物联网技术，并与各种传感器相结合，能够很容易地对各个区域的照明和空调使用情况进行统计。再加上对人员位置以及周围环境的检测，就能够更有效地对照明和空调的参数进行控制，从而节省大量的能源。在物联网应用中，建筑节能是一个热点，并将在今后的物联网市场中占有较大份额。这一技术的出现，能够有效地降低我国建筑领域对能源的需求，提升产品质量，从而更好地实现企业效益。因此，将物联网技术应用于我国工业建筑的节能减排，是一项十分重要的课题。

参考文献：

［1］王忠锋，张连领.物联网技术在建筑节能中的应用研究［A］.中国仪器仪表学会2010 年学术产业大会论文集［C］.2020：24-33.

［2］鲍向阳.物联网技术在绿色公共建筑中的节能应用［A］.第三届夏热冬冷地区绿色建筑联盟会议论文集［C］.2023：24-33.

［3］郑夏翊，李惠萍，骆王成，等.物联网技术在项目质量安全管理中的应用［J］.土木建筑工程信息技术，2013，5（2）：101-106.

［4］肖晟.楼宇自控系统节能的瓶颈及建筑节能的有效策略［A］.中国建筑业协会智能建筑分会2021年年会暨2022智能建筑行业发展论坛论文集［C］.2023：45-65.

［5］邵珠虹.物联网环境下建筑用电设备的故障诊断与节能研究［D］.济南：山东建筑大学，2012（9）：78.

［6］张健.基于物联网技术的热能能耗监控系统设计与实现［D］.厦门：厦门大学，2022：34-56.

［7］刘绍军.浅谈建筑节能在我国的发展现状及前景分析［J］.山西建筑， 2010，36（16）：226-227.

［8］李颖，谢红桥.我国建筑节能任重道远［J］.上海建材，2010（2）：17-18.