為了回響國務院要求開展節能減排的號召，並完成國家“十一五”計畫關於節能減排目標的要求，國家住建部下發《關於切實加強政府辦公和大型公共建築節能管理工作的通知》，通知要求深入推進建築能耗監測體系建設和加強對空調溫度控制情況的監督檢查。住建部從2007年開始在北京、天津、深圳等試點城市推行建築能耗監測體系的建設，但在對公共建築空調溫度控制的監督管理上卻比較缺乏有效的手段。
基本介紹
- 中文名：物聯網建築能耗監測系統
- 外文名：Iot building energy consumption monitoring system
- 回響：國務院要求開展節能減排的號召
- 城市：北京、天津、深圳
概述,建築能耗監測系統,系統開發及設計依據,系統結構,系統功能,系統組網功能,系統特點,無線感測網技術的能耗監測設計,WSN在建築能耗監測中的適用性,自組網過程,WSN實時優勢,設備改造方式,成果及套用實例,
概述
建築能耗監測系統實現對能耗使用的全參數、全過程的管理和控制功能，是能耗監測、溫度集中控制和節能運行管理的綜合解決方案。符合國家有關公共建築管理節能的政策和技術要求，更是融合了能耗監測、空調溫度集中控制和節能運行管理的整體解決方案,可對建築能耗進行動態監測和分析，實現建築的精細化管理與控制，帶給用戶新的價值體驗，達到節能減排的效果。
建築能耗監測系統
系統開發及設計依據
國家機關辦公建築和大型公共建築能耗監測系統——
《分項能耗數據傳輸技術導則》
《分項能耗數據採集技術導則》
《建設、驗收與運行管理規範》
《樓宇分項計量設計安裝技術導則》
《數據中心建設與維護技術導則》
《公共建築室內溫度控制管理辦法》建科〔2008〕115號
《民用建築節能條例》國務院令第530號
《公共機構節能條例》國務院令第531號
《國務院辦公廳關於嚴格執行公共建築空調溫度控制標準的通知》〔2007〕42號
《國務院關於印發節能減排綜合性工作方案的通知》（國發〔2007〕15號）
系統結構
建築能耗監測系統以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，為大型公共建築的實時數據採集、開關狀態監測及遠程管理與控制提供了基礎平台，它可以和檢測、控制設備構成任意複雜的監控系統。該系統主要採用分層分散式計算機網路結構，一般分為三層：站控管理層、網路通訊層和現場設備層。
建築能耗監測系統
建築能耗監測系統1）站控管理層
站控管理層針對能耗監測系統的管理人員，是人機互動的直接視窗，也是系統的最上層部分。主要由系統軟體和必要的硬體設備，如工業級計算機、印表機、UPS 電源等組成。監測系統軟體具有良好的人機互動界面，對採集的現場各類數據信息計算、分析與處理，並以圖形、數顯、聲音等方式反映現場的運行狀況。
監控主機：用於數據採集、處理和數據轉發。為系統內或外部提供數據接口，進行系統管理、維護和分析工作。
印表機：系統召喚列印或自動列印圖形、報表等。
模擬屏：系統通過通訊方式與智慧型模擬屏進行數據交換，形象顯示整個系統運行狀況。
UPS：保證計算機監測系統的正常供電，在整個系統發生供電問題時，保證站控管理層設備的正常運行。
2）網路通訊層
通訊管理機：是系統數據處理和智慧型通訊管理中心。它具備了數據採集與處理、通訊控制器、前置機等功能。
乙太網設備：包括工業級乙太網交換機。
通訊介質：系統主要採用禁止雙絞線、光纖以及無線通訊等。
3）現場設備層
現場設備層是數據採集終端，主要由智慧型儀表組成，採用具有高可靠性、帶有現場匯流排連線的分散式I/O控制器構成數據採集終端，向數據中心上傳存儲的建築能耗數據。測量儀表擔負著最基層的數據採集任務，其監測的能耗數據必須完整、準確並實時傳送至數據中心。
系統功能
1）實時採集智慧型電錶、水錶和氣表數據，並傳輸到管理中心，管理中心對能耗數據進行統計、分析並上傳到上級能耗監測中心；
2）實現了對室內溫度的實時監測和網路化管理，為精確控制中央空調的開關機時間及溫度提供可靠依據；
3）實時監測門窗狀態，嚴禁開門、開窗的狀態下使用空調或供暖設備；
4）有助於改善中央空調或北方供暖系統各區域溫度的均衡性，提高運行效率，降低運行成本；
5）通過對建築物能耗系統的全參數、全過程集中管理和控制，實現公共建築的節能運行管理功能。
系統組網功能
區域網路：系統在建築物內採用無線感測網方式組成區域網路進行工作，所有採集到的監測數據均通過無線進行傳輸；
廣域網：各個建築物內的區域網路通過internet連線到上級管理中心，實現大區域（集團）的統一管理，可遠程監測和顯示各個建築物的用能信息。
系統特點
1）系統採用無線自組網方式，不對房間、區域原有線路進行改動和額外布線，也不對現有耗能設備作任何改造，工程安裝和維修簡單方便；
2）系統採用模組化結構，構架簡單，擴展功能強，可方便地滿足用戶未來需求；
3）系統功能完善：具有能耗監測、空調溫度集中控制和節能運行管理的功能；
4）配置靈活：用戶可以自由選擇適合自己需求的功能和組件，若將來需求發生變化，可方便地進行功能及組件的擴充或修改。
節能系統與其它能耗監測系統比較
對比參數 | 傳統有線網路 | 傳統無線網路 | 無線感測網 |
傳輸特點 | 星形連線 | 星形連線 | 網狀網、自路由、自恢復 |
建築內通訊距離 | 乙太網100m，485通訊1000m | 室內40m-70m，不支持多跳 | 每跳40m，最多100跳傳輸 |
建設周期 | 長 | 較長 | 短 |
可擴展性及 組網靈活性 | 差。需另行施工布線 | 一般。新增加監測點位時需要考慮無線通訊能力 | 好。增加點位只需增加相應的採集器或感測設備 |
監測點數量 | 單網內最大256點 | 單網內最大256點 | 單網內最大6萬4千點 |
監測參數 | 能耗數據 | 能耗數據 | 能耗數據及用能全過程管理 |
系統投資成本 | 較高 | 高 | 低 |
系統通訊可靠性 | 高 | 一般 | 高 |
系統能耗 | 高 | 高 | 低 |
適應性 | 新建築預布線、老建築需改造 | 可室內小範圍使用 | 所有建築適合 |
無線感測網技術的能耗監測設計
建築節能運行和改造需建立在獲取照明、消防、空調等建築用能信息的基礎之上，在接收到數據進行分析之前，各類用能數據的傳輸是一個關鍵問題。現階段主要採用綜合布線進行傳輸，此方式在建築內布設大量線纜，存在施工複雜、代價高、影響建築內部美觀等缺點，這是有線傳輸方式固有缺陷所決定的，而採用無線傳輸方式則能有效克服。相較於CDMA、GPRS、WLAN等傳統的無線傳輸方式，作為物聯網基礎組成的WSN(wireless sensor network，無線感測網)技術更適合於建築用能信息傳輸的套用。
WSN技術是一種全新的無線網路通訊技術，也是物聯網的主要技術之一。它由末端節點設備、路由設備和網關設備組成，末端節點設備負責信息採集和自動控制，路由設備負責組網和通訊，網關設備負責與管理中心或外網連線。無線感測網具有自組網、自路由、自恢復的功能和低功耗、低頻寬、低成本的特點，能夠實現多業務平台的雙向數據傳輸，非常適合於自動控制和遠程監控領域。
WSN在建築能耗監測中的適用性
建築能耗監測平台的組網總體結構圖，在系統的數據採集端採用WSN技術進行組網。整個WSN網路由若干個終端採集器以及一個匯聚採集器構成。通常將WSN的終端採集器稱為採集節點，將匯聚採集器成為匯聚節點。採集節點負責數據的採集和傳送，以及根據匯聚節點的控制命令設定相應的工作模式等;匯聚節點是網路的中心，起到協調器和網關節點的作用，匯聚節點負責整個區域網路的維護與數據的匯集，再將數據通過Internet/GSM/CDMA上傳到上級數據中心或中轉站。系統最大特點就是基於WSN技術進行信息採集，利用WSN節點與電錶等與用能設備連線，通過無線自組網方式自動採集分散在各處的電、水、氣、冷熱量等實時數據，使用戶隨時監測現場耗能設備的運行數據，為今後實施節能反饋控制系統的研發提供基礎，以達到最佳化能源供應、提高能源管理水平、提高能源利用效益、減少能源損耗、節約能源成本的目的。
基於WSN技術的建築能耗監測系統屬於WSN與節能的交叉領域，以WSN和計算機信息處理為技術核心，建設先進、功能強大的信息採集處理平台。該系統適用於各種既有和新建建築，系統組網方便，不占空間，無需綜合布線施工，項目實施快速方便。
在各種無線感測網技術中，ZigBee的自組網能力以及高容量特性使其非常適合建築能耗監測系統的套用，在節點分散、數量眾多、低速率傳輸的能耗監測採集端建設中，有明顯的優勢，是當前最適合建築能耗監測系統數據傳輸的技術。
除了組網方便、安全、可靠，ZigBee還有低傳輸速率、低功耗、高容量、低成本等特點。ZigBee非常適合有大量終端設備的網路，如能耗監測、樓宇自動化等場合。
自組網過程
對某個能耗監測區域而言，WSN網路包含一個ZigBee匯聚節點和若干ZigBee採集節點。匯聚節點在通信狀態下，每隔一段時間傳送一次時標幀，在匯聚節點通信範圍內的採集節點在偵聽狀態下偵聽到匯聚節點傳送的時標幀，確定匯聚節點為目標父節點，並在下面的接入狀態向目標父節點傳送接入請求之後組成一個WSN網路。已經接入網路的節點通過轉發時標幀，向周圍節點表明自己的存在，其他未入網的節點在偵聽狀態下，發現已經入網的節點並作為自身的目標父節點，然後在接入狀態下通過這些最先加入網路的節點作為中繼加入網路。依次類推，若干的ZigBee採集節點和一個ZigBee匯聚節點構成了WSN網路。為了延長網路生存時間，降低節點功耗，所有節點都會定時進入休眠階段，關閉射頻收發器，保持超低功耗工作，最大限度地節省節點能量，在定時器到期後節點被喚醒恢復正常工作狀態並開啟射頻收發器。WSN網路中的所有節點定時在通信階段和休眠階段交替工作，以保證網路的生存時間要求和通信要求。各WSN網路數據再通過無線網由將採集數據推送到數據中心進行分析處理。
WSN實時優勢
1）區域網路組網靈活，可隨時增加或減少感測節點；
2）無需綜合布線，減少工程量與布線成本、提高安裝速度；
3）與多種通信主幹網融合，方便用戶實現遠程監控；
4）WSN端機體積小、功耗低，價格低；
5）根據WSN協定自動組成通訊內部網路；
6）系統易於維護，任意節點的故障不會影響系統工作；
7）具有本地數據存儲功能，確保數據完整性；
8）減少建立建築能耗及環境監測系統所帶來的施工量以及綜合布線對環境的影響，減少投資和工期，特別適用於既有建築和設施。
設備改造方式
如果用戶已有電錶、水錶等，且帶有485口，則可直接接入採集器，如已有儀表不支持485口，則需要改造和更換設備。每戶的總表最後統一為帶485口的多功能表，外接帶無線感測模組的採集器，可以每15分鐘上送一次電量、電壓、電流、功率因素等數據。數據採集頻率可根據具體需要靈活設定，數據採集頻率可在15分鐘/次到1小時/次之間調整。
設備改造原則：在一定投資成本和不改動已有配電線路前提下，以最大程度地獲得能耗公示需求數據為目標，在既有配電支路上無拆換、無干擾方式安裝。
成果及套用實例
建築所必須的電梯動力、照明、空調、消防、通風、高低壓配電等用能信息的傳遞是建築節能和工業節能的基礎，高效實現建築節能信息化的關鍵問題之一是解決這些信息的傳輸問題。在建築大樓中，特別是既有建築，遇到的最大問題是需要綜合布線，工程量大、成本高昂、對大樓環境具有破壞性。因此對建築大樓最佳的信息傳遞方式是通過無線方式，傳統的GSM、WLAN、SCADA等無線系統存在功耗高、設備和運行成本高、組網不靈活等局限，而無線感測網技術正是解決這一難題的最佳解決方案。
傳輸網路結構圖
傳輸網路結構圖基於無線感測網技術開發的建築能耗監測系統應運而生。系統的特點是基於無線感測網技術進行信息的採集和傳輸，一方面無線感測網節點自身採集溫度參數，另一方面它們與各種用能設備連線，通過無線自組網方式自動採集分散在各地的電、水、冷、暖等實時數據，使用戶能隨時監測現場耗能設備的運行數據，並且通過數據存儲和處理實施能耗診斷、能耗評估和能耗改造。該系統已成功套用於上海浦東圖書館、上海華山醫院、北京華貿大酒店、海門行政中心等項目能耗分項實時計量。施工過程中減少了綜合布線環節，明顯減少工作量，特別是對於酒店類建築配電設施及計量相對分散，無線感測的套用優勢尤為突出。用戶只需輕點滑鼠，即可實現智慧型化功能。門禁系統、智慧型照明、空調控制、報警系統等子系統可混合組網，共用一組匯流排。與傳統集成方案相比，混合組網模式可以節省75%的布線施工成本。設備通過現場工業控制匯流排，能實現硬體聯動，可靠性很高。此外，該平台能把多個子系統集成到統一的軟體平台上，操作簡單、使用方便。
