物联网建筑能耗监测系统

为了响应国务院要求开展节能减排的号召，并完成国家“十一五”计划关于节能减排目标的要求，国家住建部下发《关于切实加强政府办公和大型公共建筑节能管理工作的通知》，通知要求深入推进建筑能耗监测体系建设和加强对空调温度控制情况的监督检查。住建部从2007年开始在北京、天津、深圳等试点城市推行建筑能耗监测体系的建设，但在对公共建筑空调温度控制的监督管理上却比较缺乏有效的手段。

1.概述

为了响应国务院要求开展节能减排的号召，并完成国家“十一五”计划关于节能减排目标的要求，国家住建部下发《关于切实加强政府办公和大型公共建筑节能管理工作的通知》，通知要求深入推进建筑能耗监测体系建设和加强对空调温度控制情况的监督检查。住建部从2007年开始在北京、天津、深圳等试点城市推行建筑能耗监测体系的建设，但在对公共建筑空调温度控制的监督管理上却比较缺乏有效的手段。

建筑能耗监测系统实现对能耗使用的全参数、全过程的管理和控制功能，是能耗监测、温度集中控制和节能运行管理的综合解决方案。符合国家有关公共建筑管理节能的政策和技术要求，更是融合了能耗监测、空调温度集中控制和节能运行管理的整体解决方案,可对建筑能耗进行动态监测和分析，实现建筑的精细化管理与控制，带给用户新的价值体验，达到节能减排的效果。

 

2.建筑能耗监测系统

系统开发及设计依据

 

国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统[1] ——

《分项能耗数据传输技术导则》

《分项能耗数据采集技术导则》

《建设、验收与运行管理规范》

《楼宇分项计量设计安装技术导则》

《数据中心建设与维护技术导则》

《公共建筑室内温度控制管理办法》建科〔2008〕115号

《民用建筑节能条例》国务院令第530号

《公共机构节能条例》国务院令第531号

《国务院办公厅关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知》〔2007〕42号

《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》（国发〔2007〕15号）

系统结构

 

建筑能耗监测系统[2] 以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，为大型公共建筑的实时数据采集、开关状态监测及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测、控制设备构成任

 

建筑能耗监测系统

意复杂的监控系统。该系统主要采用分层分布式计算机网络结构，一般分为三层：站控管理层、网络通讯层和现场设备层。

1）站控管理层

站控管理层针对能耗监测系统的管理人员，是人机交互的直接窗口，也是系统的最上层部分。主要由系统软件和必要的硬件设备，如工业级计算机、打印机、UPS 电源等组成。监测系统软件具有良好的人机交互界面，对采集的现场各类数据信息计算、分析与处理，并以图形、数显、声音等方式反映现场的运行状况。

监控主机：用于数据采集、处理和数据转发。为系统内或外部提供数据接口，进行系统管理、维护和分析工作。

打印机：系统召唤打印或自动打印图形、报表等。

模拟屏：系统通过通讯方式与智能模拟屏进行数据交换，形象显示整个系统运行状况。

UPS：保证计算机监测系统的正常供电，在整个系统发生供电问题时，保证站控管理层设备的正常运行。

2）网络通讯层

通讯层主要是由通讯管理机、以太网设备及总线网络组成。该层是数据信息交换的桥梁，负责对现场设备回送的数据信息进行采集、分类和传送等工作的同时，转达上位机对现场设备的各种控制命令。

通讯管理机：是系统数据处理和智能通讯管理中心。它具备了数据采集与处理、通讯控制器、前置机等功能。

以太网设备：包括工业级以太网交换机。

通讯介质：系统主要采用屏蔽双绞线、光纤以及无线通讯等。

3）现场设备层

现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表组成，采用具有高可靠性、带有现场总线连接的分布式I/O控制器构成数据采集终端，向数据中心上传存储的建筑能耗数据。测量仪表担负着最基层的数据采集任务，其监测的能耗数据必须完整、准确并实时传送至数据中心。

系统功能

 

1）实时采集智能电表、水表和气表数据，并传输到管理中心，管理中心对能耗数据进行统计、分析并上传到上级能耗监测中心；

2）实现了对室内温度的实时监测和网络化管理，为精确控制中央空调的开关机时间及温度提供可靠依据；

3）实时监测门窗状态，严禁开门、开窗的状态下使用空调或供暖设备；

4）有助于改善中央空调或北方供暖系统各区域温度的均衡性，提高运行效率，降低运行成本；

5）通过对建筑物能耗系统的全参数、全过程集中管理和控制，实现公共建筑的节能运行管理功能。

系统组网功能

 

局域网：系统在建筑物内采用无线传感网方式组成局域网进行工作，所有采集到的监测数据均通过无线进行传输；

广域网：各个建筑物内的局域网通过internet连接到上级管理中心，实现大区域（集团）的统一管理，可远程监测和显示各个建筑物的用能信息。

系统特点

 

1）系统采用无线自组网方式，不对房间、区域原有线路进行改动和额外布线，也不对现有耗能设备作任何改造，工程安装和维修简单方便；

2）系统采用模块化结构，构架简单，扩展功能强，可方便地满足用户未来需求；

3）系统功能完善：具有能耗监测、空调温度集中控制和节能运行管理的功能；

4）配置灵活：用户可以自由选择适合自己需求的功能和组件，若将来需求发生变化，可方便地进行功能及组件的扩充或修改。

节能系统与其它能耗监测系统比较

对比参数	传统有线网络	传统无线网络	无线传感网
传输特点	星形连接	星形连接	网状网、自路由、自恢复
建筑内通讯距离	以太网100m，485通讯1000m	室内40m-70m，不支持多跳	每跳40m，最多100跳传输
建设周期	长	较长	短
可扩展性及 组网灵活性	差。需另行施工布线	一般。新增加监测点位时需要考虑无线通讯能力	好。增加点位只需增加相应的采集器或传感设备
监测点数量	单网内最大256点	单网内最大256点	单网内最大6万4千点
监测参数	能耗数据	能耗数据	能耗数据及用能全过程管理
系统投资成本	较高	高	低
系统通讯可靠性	高	一般	高
系统能耗	高	高	低
适应性	新建筑预布线、老建筑需改造	可室内小范围使用	所有建筑适合

 

3.无线传感网技术的能耗监测设计

建筑节能运行和改造需建立在获取照明、消防、空调等建筑用能信息的基础之上，在接收到数据进行分析之前，各类用能数据的传输是一个关键问题。现阶段主要采用综合布线进行传输，此方式在建筑内布设大量线缆，存在施工复杂、代价高、影响建筑内部美观等缺点，这是有线传输方式固有缺陷所决定的，而采用无线传输方式则能有效克服。相较于CDMA、GPRS、WLAN等传统的无线传输方式，作为物联网基础组成的WSN(wireless sensor network，无线传感网)技术更适合于建筑用能信息传输的应用[3] 。

WSN技术是一种全新的无线网络通讯技术，也是物联网的主要技术之一。它由末端节点设备、路由设备和网关设备组成，末端节点设备负责信息采集和自动控制，路由设备负责组网和通讯，网关设备负责与管理中心或外网连接。无线传感网具有自组网、自路由、自恢复的功能和低功耗、低带宽、低成本的特点，能够实现多业务平台的双向数据传输，非常适合于自动控制和远程监控领域。

WSN在建筑能耗监测中的适用性

 

建筑能耗监测平台的组网总体结构图，在系统的数据采集端采用WSN技术进行组网。整个WSN网络由若干个终端采集器以及一个汇聚采集器构成。通常将WSN的终端采集器称为采集节点，将汇聚采集器成为汇聚节点。采集节点负责数据的采集和传送，以及根据汇聚节点的控制命令设置相应的工作模式等;汇聚节点是网络的中心，起到协调器和网关节点的作用，汇聚节点负责整个区域网络的维护与数据的汇集，再将数据通过Internet/GSM/CDMA上传到上级数据中心或中转站。系统最大特点就是基于WSN技术进行信息采集，利用WSN节点与电表等与用能设备连接，通过无线自组网方式自动采集分散在各处的电、水、气、冷热量等实时数据，使用户随时监测现场耗能设备的运行数据，为今后实施节能反馈控制系统的研发提供基础，以达到优化能源供应、提高能源管理水平、提高能源利用效益、减少能源损耗、节约能源成本的目的。

基于WSN技术的建筑能耗监测系统属于WSN与节能的交叉领域，以WSN和计算机信息处理为技术核心，建设先进、功能强大的信息采集处理平台。该系统适用于各种既有和新建建筑，系统组网方便，不占空间，无需综合布线施工，项目实施快速方便。

在各种无线传感网技术中，ZigBee的自组网能力以及高容量特性使其非常适合建筑能耗监测系统的应用，在节点分散、数量众多、低速率传输的能耗监测采集端建设中，有明显的优势，是当前最适合建筑能耗监测系统数据传输的技术。

除了组网方便、安全、可靠，ZigBee还有低传输速率、低功耗、高容量、低成本等特点。ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如能耗监测、楼宇自动化等场合。

自组网过程

 

对某个能耗监测区域而言，WSN网络包含一个ZigBee汇聚节点和若干ZigBee采集节点。汇聚节点在通信状态下，每隔一段时间发送一次时标帧，在汇聚节点通信范围内的采集节点在侦听状态下侦听到汇聚节点发送的时标帧，确定汇聚节点为目标父节点，并在下面的接入状态向目标父节点发送接入请求之后组成一个WSN网络。已经接入网络的节点通过转发时标帧，向周围节点表明自己的存在，其他未入网的节点在侦听状态下，发现已经入网的节点并作为自身的目标父节点，然后在接入状态下通过这些最先加入网络的节点作为中继加入网络。依次类推，若干的ZigBee采集节点和一个ZigBee汇聚节点构成了WSN网络。为了延长网络生存时间，降低节点功耗，所有节点都会定时进入休眠阶段，关闭射频收发器，保持超低功耗工作，最大限度地节省节点能量，在定时器到期后节点被唤醒恢复正常工作状态并开启射频收发器。WSN网络中的所有节点定时在通信阶段和休眠阶段交替工作，以保证网络的生存时间要求和通信要求。各WSN网络数据再通过无线网由将采集数据推送到数据中心进行分析处理。

WSN实时优势

 

1）内网组网灵活，可随时增加或减少传感节点；

2）无需综合布线，减少工程量与布线成本、提高安装速度；

3）与多种通信主干网融合，方便用户实现远程监控；

4）WSN端机体积小、功耗低，价格低；

5）根据WSN协议自动组成通讯内部网络；

6）系统易于维护，任意节点的故障不会影响系统工作；

7）具有本地数据存储功能，确保数据完整性；

8）减少建立建筑能耗及环境监测系统所带来的施工量以及综合布线对环境的影响，减少投资和工期，特别适用于既有建筑和设施。

设备改造方式

 

如果用户已有电表、水表等，且带有485口，则可直接接入采集器，如已有仪表不支持485口，则需要改造和更换设备。每户的总表最后统一为带485口的多功能表，外接带无线传感模块的采集器，可以每15分钟上送一次电量、电压、电流、功率因素等数据。数据采集频率可根据具体需要灵活设置，数据采集频率可在15分钟/次到1小时/次之间调整。

设备改造原则：在一定投资成本和不改动已有配电线路前提下，以最大程度地获得能耗公示需求数据为目标，在既有配电支路上无拆换、无干扰方式安装。

 

4.成果及应用实例

建筑所必须的电梯动力、照明、空调、消防、通风、高低压配电等用能信息的传递是建筑节能和工业节能的基础，高效实现建筑节能信息化的关键问题之一是解决这些信息的传输问题。在建筑大楼中，特别是既有建筑，遇到的最大问题是需要综合布线，工程量大、成本高昂、对大楼环境具有破坏性。因此对建筑大楼最佳的信息传递方式是通过无线方式，传统的GSM、WLAN、SCADA等无线系统

 

传输网络结构图

存在功耗高、设备和运行成本高、组网不灵活等局限，而无线传感网技术正是解决这一难题的最佳解决方案。

基于无线传感网技术开发的建筑能耗监测系统应运而生。系统的特点是基于无线传感网技术进行信息的采集和传输，一方面无线传感网节点自身采集温度参数，另一方面它们与各种用能设备连接，通过无线自组网方式自动采集分散在各地的电、水、冷、暖等实时数据，使用户能随时监测现场耗能设备的运行数据，并且通过数据存储和处理实施能耗诊断、能耗评估和能耗改造。该系统已成功应用于上海浦东图书馆、上海华山医院、北京华贸大酒店、海门行政中心等项目能耗分项实时计量。施工过程中减少了综合布线环节，明显减少工作量，特别是对于酒店类建筑配电设施及计量相对分散，无线传感的应用优势尤为突出。用户只需轻点鼠标，即可实现智能化功能。门禁系统、智能照明、空调控制、报警系统等子系统可混合组网，共用一组总线。与传统集成方案相比，混合组网模式可以节省75%的布线施工成本。设备通过现场工业控制总线，能实现硬件联动，可靠性很高。此外，该平台能把多个子系统集成到统一的软件平台上，操作简单、使用方便。