基于建筑能耗監測管理的樓宇智能化分析

王曉晨

（國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

建筑能耗監測管理系統是樓宇智能化體系中的一個重要組成部分，其通過對樓宇中的各類設施設備進行運行能耗數據監測，可以為設備運行調控提供依據，讓樓宇保持正常運行的同時，減少能耗，降低樓宇的智能化運作成本，由此滿足當代樓宇智能化建設在節能減排、成本管控方面的需求，深入優化樓宇的智能化建設水平。

1 在智能化樓宇中建筑能耗監測管理的作用

就目前來看，在樓宇的智能化運行中，建筑能耗監測管理的作用主要體現在以下3 個方面。①信息透明，在樓宇的運行中，通過能耗監測管理所獲得的信息會以可視化數據的形式集中展示，讓管理者對各類設施的能耗情況一目了然，這有助于管理者及時發現故障帶來的能耗異常問題，提高運維工作效果。②節能減排，在能耗監測管理中，通過監測太陽能等樓宇中的綠色能源設備，可以實現對綠色能源發電情況的管控，為樓宇的綠色能源互補微循環提供依據，由此更好地支持樓宇的節能減排。③強化整體管理，建筑能耗監測管理中，通過根據區域功能，對相關的用電信息進行日、月度、季度、年度的統計分析，可以為樓宇的整體設備運作管理提供依據，強化設備的整體管理。

2 基于建筑能耗監測管理的樓宇智能化建設原則

為了更好地會發揮建筑能耗監測管理的效能，需要在開展樓宇智能化建設的過程中，遵循以下4 項原則：①統一性原則，應按照整體規劃，遵循統一的標準進行統一的樓宇智能化建設，確保監測管理系統能夠與樓宇的整體智能化系統相匹配，為管理系統的正常運行奠定基礎。②先進性原則，在樓宇智能化建設中，需要優先選用先進的設計、技術路線、測試技術、組件，為能耗監測管理運行提供有力的支持，保證管理的效率和效果。③安全可靠原則，應在樓宇系統建設中注重對安全防護、抗干擾能力、容錯能力的考慮，由此塑造出安全、穩定的管理系統，讓管理工作得以穩定、安全、可靠地開展。④實用性原則，樓宇的管理操作系統構建應當符合國家、國際的通用標準，且應具有操作友好、便于維護拓展的特征，以支持后續能耗監測管理的順利開展。

3 基于建筑能耗監測管理的樓宇智能化建設策略

3.1 物聯網組網策略

在樓宇智能化建設中，為了達到智慧城市的建設要求，實現智慧物聯信息化建設標準化、信息化、規范化管理，需要建立基于物聯網的樓宇智能管理體系，以通過對建筑進行智慧化的能耗監測管理，達到節能減排、降低運營成本的效果。為此，在基于建筑能耗監測管理的樓宇智能化建設中，需要先做好物聯網組網，為后續的樓宇智能化能耗監測管理運行提供條件。

在物聯網組網過程中，常用的物聯網拓撲結構主要有3 種，即星狀網（圖1）、網狀網（圖2）、樹狀網（圖3）。其中，樹狀網結構的開發、維護成本低、難度低，現場施工布置比較容易，同時其的信息傳輸能力、覆蓋能力也可以滿足智能樓宇的能耗監測管理需求，因此，在樓宇智能化建設中，通常會運用星狀網拓撲結構進行物聯網的建設。在此過程中，需基于集中控制，構建分級的網絡，并用多個星型網絡拓撲，組建出物聯網的多跳網絡，物聯網中的終端節點可以通過最近的協調節點或路由節點入網。其中，協調階段作為互聯網絡的根節點，以路由節點為中繼。在此物聯網組網策略中，物聯網的信息傳輸方式為無線傳輸，所以無須布線，同時，物聯網結構中的終端、中繼，可采用電池供電的形式，由此縮減維護成本。此外，這種組網策略，支持根據實際需求進行靈活組網，而且其所需的運行功率較低，穿透性也比較強，因此，運用上述組網策略，能夠構建出低能耗、性能好的物聯網體系。

圖1 星狀網結構

圖2 網狀網結構

圖3 樹狀網結構

3.2 能耗數據采集策略

在樓宇的智能化建設中，為了順利實現能耗監測管理，需要運用傳感器對各類設備的能耗信息進行采集，然后再利用物聯網技術，將采集到的能耗數據信息傳輸到數據分析系統中，由此獲得能耗監測管理所需的各類信息，如月度耗電量統計表等，為樓宇設施運行的節能減排管控提供依據。

基于此，在能耗數據采集上，需要在每個物聯網終端節點處，集成構建出傳感單元、無線通信模塊，以及MCU 處理單元。其中，傳感單元的主要作用是采集各個設備的能耗數據，無線通信模塊則用于將這些數據通過物聯網傳輸到數據分析系統中。但為了保證數據的順利傳輸，就需要MCU 處理單元，對數據進行處理組包，同時提供通信協議[1]。

但在此過程中，應當注意，考慮到物聯網的中繼通常設置在樓道內、基站則一般設置在樓頂，與采集點之間的距離至少有幾米遠，而且采集點是設在建筑內，建筑墻體也會阻隔采集點無線通信模塊的射頻信號，所以，盡量選擇接收靈敏度高、穿透能力強、傳輸距離遠的射頻芯片。考慮到樓宇中的設備數量較多，而且能耗監測要求收集實時的能耗數據，這使得MCU 需要存儲和處理大量的數據，因此，在能耗數據采集上，應當選擇能夠提供足夠存儲空間，且具備順利完成通信協議和數據處理算法運行能力的MCU。在數據采集環節中，還要注意，在智能化建設中，也要為傳輸模塊中的芯片簡單的外圍電路，從而降低設計難度，減少傳輸功耗[2]。

此外，還要注意，應當秉承先進性原則，對傳感單元的能耗計量組件進行選用。一般來說，能耗計量組件包括電表、水表、冷熱計量表等多種類型，其中，應當保證電表的精度等級＞1 級，水表精度等級≥2 級，冷熱計量表的精度等級則應≥3 級，由此保證所采能耗數據的質量，提高建筑能耗監測管理工作的準確性[3]。

3.3 能耗數據傳輸策略

在樓宇智能化建設中，為了實現建筑能耗監測管理的智能化運作，需要做好能耗數據傳輸環節的構建，并設置好配套的通信協議、網關程序，創造一個穩定、通暢的能耗數據傳輸條件，讓收集到的能耗數據能夠順利地輸入數據分析、顯示模塊中，以便于管理者隨時查看相關數據，以及統計圖表，借此完成相應的建筑能耗監測管理[4]。

在能耗數據傳輸上，通信協議是數據傳輸的規則，其的存在能夠保證數據有序、順暢的傳輸。常用的通信協議包括P-ALOHA、CSMA/CD、S-ALOHA 等，但對于樓宇智能化建設來說，P-ALOHA 更能滿足建筑能耗監測管理運作需求。P-ALOHA 支持物聯網條件下的無線信道工作，而且能夠適應建筑內較差的傳輸環境。運用此協議，可以構建出一個信道競爭系統，系統中每個站均能進行數據幀的自由發送，如果發送失敗，則可重發或隨機退避。在此過程中，通信協議所構建的信號系統，若出現兩個或多個站，在數據幀的發送時間上存在重疊，那么就會出現碰撞，讓這些站發送的數據出錯，并全部需要重新傳輸，此時，P-ALOHA 可以讓各站等待一段時間后再重傳，以錯開傳輸，減少再次碰撞[5]。

在能耗數據傳輸中，數據均需要通過蜂窩網絡，或寬帶網絡，從物聯網的感知層，傳輸到互聯網中，讓數據與人之間產生交互，最終發揮其在監測管理上的能效，而網關則是物聯網與互聯網之間的連接橋梁。通常來說，在網關程序的設計上，應注重塑造其對物聯網協議的接入能力、環境適應能力，以及管理終端、中繼、協調器的能力，然后通過滿足基于上述能力構建需求，進行網關程序設計，使網關能夠有效地管控物聯網中的各個傳感器終端以及節點，并將從物聯網感知層傳輸來的數據進行轉換，借助TCP/IP 協議，傳輸到服務器中，用于后續的能耗數據監測管理工作環節應用。

3.4 樓宇能耗計算策略

在樓宇智能化建設中，為了實現建筑能耗監測管理，需要對收集到數據進行計算，得出總能耗、單位面積能耗等數據，然后通過對這些數據進行整理和分析，了解建筑能情況，制定管理決策、思路，達到對建筑能耗監測管理的效果。

在樓宇能耗計算上，進行總能耗的計算時，可以先將水、電、供熱、供冷等方面的能源消耗折算成為標準煤消耗量，由此以統一的計量單位對能耗量進行呈現，這不僅能夠為各類對比分析統計圖的繪制提供數據，還能方便管理人員進行比較，由此判斷節能工作的開展是否具有成效。待折算完成后，還可以計算出單位面積的能耗量，由此找出能耗較高的區域，以制定出針對性的管理措施，在此過程中，折算用的公式如式（1）所示。

式中：Eo——總能耗量；Pi——第i 類能源的折算系統；Esi——消耗的第i 類能源實物量。

此外，在建筑能耗監測管理上，也要做好數據分析模型的建設，并借助科學、合理的數據分析模型，對能耗計算策略進行完善，讓樓宇智能化系統能夠支持多種的能耗數據圖表輸出，由此為管理工作提供更加充實、有價值的依據，促進樓宇運行的節能減排、控制樓宇后勤支出，由此深入優化樓宇智能建設的效果。

3.5 管理系統測試策略

在樓宇智能化建設中，為了保證能耗監測管理系統的可靠、穩定運行，需要在上述系統構建工作完成后，對管理系統進行測試，確認無問題后，才能將其投入使用。

在管理系統的測試中，首先，需測試頁面的操作性，并對系統進行登錄和退出操作，同時，在系統上進行設備的ID 綁定，查看系統是否能夠正常顯示設備的能耗系統。

其次，進行功能測試，先通過上行指令，用終端節點向基站發送0～50 個字節，查看返回數據測試上行鏈路功能。如果返回數據為預設的數據，那么上行數據鏈路無問題，例如，終端節點的波特率為6300、用戶串口為UART3，數據格式為OxAA，Ox55，Length，0X01，data[n]，那么返回的數據有兩種，即表示發送成功的AA 55 02 02 00，以及表示發送失敗的數據AA 55 02 02 01，返回的數據為兩者其中任何一組均說明系統上行鏈路無問題。之后，即可測試下行鏈路功能。在此過程中，先選好進行測試的設備，然后輸入下行鏈路數據，然后查看終端節點接收到的數據內容，如果發送與接收到的數據內容一致，那么就說明下行鏈路功能無問題。

最后，進行能耗數據查詢測試，在管理系統中輸入需要查詢的日期，再點搜索鍵進行能耗數據的查詢，得到能耗數據后，需要對該數據的可靠性進行驗證。此后，再進入后臺數據庫，對該設備相應日期的數據進行再次查詢，然后將兩次查詢的結果進行對比，若數據一致，說明能耗傳輸無誤。

待上述測試完畢后，需要對管理系統進行試運行，確認其在樓宇智能化系統的整體中是否能保持穩定的運行狀態，確認無問題后，即可將該管理系統正式投入使用，與其他的樓宇智能化系統部分共同運行，實現建筑能耗監測管理。

4 結語

綜上所述，在樓宇智能化建設中充分考慮建筑能耗監測管理可以提高智能樓宇的能源利用效率。在樓宇建設中，通過利用物聯網技術，構建出性能良好、運行穩定、功能實用的建筑能耗監測管理系統，可以幫助管理者對設備的運行進行有效的管控，以更好地支持樓宇智能化運行的節能減排，從而推動智能樓宇建設水平的發展。