基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)在某高校節(jié)能改造中應(yīng)用研究

倪章靈

(福建省福州兒童醫(yī)院 福建福州 350001)

1 項目概述

隨著現(xiàn)代生態(tài)文明建設(shè)的步伐越來越快，節(jié)能減排低碳發(fā)展要求也越來越嚴(yán)格，降低能源消耗成本是節(jié)能改造的發(fā)展趨勢。同時，科技進步，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展應(yīng)用，也加快了節(jié)能技術(shù)的更新?lián)Q代，節(jié)能改造的步伐越來越快。擁有眾多大型公共建筑的高校節(jié)能改造，首當(dāng)其沖，勢在必行。

1.1 項目情況

該節(jié)能改造，主要針對某高校教學(xué)樓、行政樓、圖書館等50棟建筑，建筑面積316 000m2的電氣、照明、空調(diào)等進行節(jié)能改造。

1.2 項目需求

按照學(xué)校的實際情況，節(jié)能改造工程實施以下幾個方面：①建立能效監(jiān)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心及運維平臺；②公共區(qū)域照明節(jié)能改造及遠(yuǎn)程監(jiān)控；③教室照明節(jié)能改造；④空調(diào)節(jié)能改造，水泵房改造及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

項目節(jié)能改造主要目的，即要求大型公共建筑節(jié)能率不低于20%[1]，所有改造的建筑物綜合節(jié)能率達到20%以上，實現(xiàn)電氣、照明、空調(diào)等設(shè)備可視化監(jiān)控管理。

由于該節(jié)能改造涉及范圍大，本文重點對教學(xué)樓的教室照明節(jié)能改造和空調(diào)節(jié)能改造進行介紹，并對基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)實現(xiàn)功能進行闡述。

2 教學(xué)樓節(jié)能改造建設(shè)

教學(xué)樓節(jié)能改造，建立在基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)基礎(chǔ)上[1]，通過對教學(xué)樓照明、空調(diào)等設(shè)備的技術(shù)改造，將其接入節(jié)能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)?；谖锫?lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)，可通過節(jié)能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測到照明、空調(diào)等設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)，對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行整理，分析，實現(xiàn)對這些設(shè)備進行有效的監(jiān)控、控制，有效降低校園能耗，提高能源管理的自動化水平，達到節(jié)能減排的相關(guān)要求。

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)，是對建筑及設(shè)備進行能耗監(jiān)測、智能控制和管理服務(wù)的綜合性平臺，以實現(xiàn)對各類建筑能耗情況的統(tǒng)計、分析、診斷、預(yù)警等功能，并對建筑耗能設(shè)備進行有效控制與管理，實現(xiàn)對建筑物內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)的采集，對各類數(shù)值量進行互聯(lián)網(wǎng)上傳，并在數(shù)據(jù)庫進行大數(shù)據(jù)分析對比，最終實現(xiàn)對用能設(shè)備進行有效的控制與管理[2-3]。

2.1.1基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4](圖1)分5層，分別為：應(yīng)用層、設(shè)備層、管理層、數(shù)據(jù)層和用戶層。

(1)應(yīng)用層：應(yīng)用層前端包括兩部分，①能耗采集的設(shè)備，如水、電、熱、燃的基礎(chǔ)設(shè)備，有基礎(chǔ)設(shè)備才能安裝智能儀表進行采集工作。②智能控制的設(shè)備，主要是針對照明插座、空調(diào)、動力設(shè)備，對他們進行啟停、調(diào)節(jié)等控制。

(2)設(shè)備層：①對水表、電表、熱能表、燃?xì)獗淼葍x表儀器數(shù)據(jù)進行采集的采集器；②對應(yīng)用層前端要控制的設(shè)備進行智能控制的執(zhí)行器。只有實現(xiàn)將采集器采集到的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層才能對設(shè)定的數(shù)據(jù)作分析處理，最后通過管理層發(fā)送執(zhí)行指令給執(zhí)行器，從而對前端設(shè)備進行智能控制(當(dāng)然也可人工手動控制)。

(3)管理層：主要是對采集數(shù)據(jù)的處理，對控制設(shè)備指令的傳達、內(nèi)部存儲計算、網(wǎng)絡(luò)安全防范、用戶權(quán)限等內(nèi)部核心管理工作。

(4)數(shù)據(jù)層：主要是實現(xiàn)進行大數(shù)據(jù)對比和分析，是能效監(jiān)管系統(tǒng)的關(guān)鍵層，不僅針對一個單位用戶進行數(shù)據(jù)采集與智能控制，還可對多個單位用戶數(shù)據(jù)進行采集與智能控制。

(5)用戶層：就是用戶實際體驗。用戶借助手機、計算機及平板等設(shè)備，就可以實現(xiàn)對前端設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集與智能控制，通過網(wǎng)絡(luò)、人工智能及大數(shù)據(jù)分析，給用戶展示最終的結(jié)果與結(jié)論。

2.1.2基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)組成模塊

基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)組成模塊(圖2)分為數(shù)據(jù)采集、分析處理和匯總模塊；服務(wù)器端管理、配置與控制模塊；客戶端管理和操作模塊3大模塊。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)組成模塊

數(shù)據(jù)采集、分析處理和匯總模塊，采用C++技術(shù)實現(xiàn)，支持多并發(fā)高效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲使用Oracle數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。功能包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)匯總上報等；硬件包括控制器、監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集器等各類受控設(shè)備。

服務(wù)器端管理、配置與控制模塊，采用J2EE架構(gòu)進行開發(fā)，使用spring+hibernate組件技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)。功能包括系統(tǒng)管理、控制主機管理、監(jiān)測儀表管理、協(xié)議接口管理、故障維護管理、統(tǒng)計報表、能耗診斷、設(shè)備遠(yuǎn)程控制等。硬件采用4臺服務(wù)器，分別為數(shù)據(jù)庫主服務(wù)器、備份服務(wù)器、采集服務(wù)器、WEB服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫選用Oracle數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)版。

客戶端管理和操作模塊可在電腦上使用，也可發(fā)布為安卓系統(tǒng)端和蘋果IOS系統(tǒng)端在手機上使用。功能包括個人數(shù)據(jù)維護、設(shè)備管理、智能控制、報表查看、告警處理等。

2.1.3節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(圖3)設(shè)計按照前端、后端方式，前端網(wǎng)絡(luò)主要用于管理主機、監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集器執(zhí)行器、智能儀器等各類受控設(shè)備接入，后端網(wǎng)絡(luò)鏈接各種應(yīng)用的服務(wù)器區(qū)。通過節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，讓前端的數(shù)據(jù)采集、分析處理模塊和服務(wù)器端的管理、配置、控制模塊整合為一體，達到整體的節(jié)能效果。

前端網(wǎng)絡(luò)采用核心、匯聚、接入3層構(gòu)架方式，接入層以千兆光纖上聯(lián)至匯聚交換機，匯聚以千兆光纖上聯(lián)核心層，核心層通過千兆光纖上聯(lián)至專網(wǎng)防火墻，專網(wǎng)防火墻通過千兆光纖上聯(lián)到校園數(shù)據(jù)中心。接入層通過雙絞線聯(lián)接不低于1G的帶寬接入各受控設(shè)備管理節(jié)點。

后端網(wǎng)絡(luò)，通過核心交換機鏈接各種應(yīng)用服務(wù)器?？紤]到后端服務(wù)器的高可靠保障和業(yè)務(wù)壓力，服務(wù)器上行方式以光纖不低于1G的帶寬鏈接到核心交換機。同時，鏈接的服務(wù)器放置防火墻、IPS等安全防護設(shè)備，對后端服務(wù)器進行2～7層安全防護，再通過校園網(wǎng)絡(luò)中心的安全防護接入內(nèi)外網(wǎng)以便客戶端的使用。

圖3 節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

2.2 教學(xué)樓照明節(jié)能改造

2.2.1照明節(jié)能改造概述

據(jù)統(tǒng)計，該教學(xué)樓共安裝560盞0.6×0.6m LED面板燈，開燈天數(shù)為260d，由于節(jié)能用電意識不強，造成教室無人使用時照明依然處于使用狀態(tài)，每天平均使用10h，整燈功率為36W，估算年耗電量為52 416kWh。

針對教學(xué)樓照明這種的用電狀態(tài)，照明節(jié)能改造利用能效監(jiān)管系統(tǒng)，在每間教室的電源開關(guān)處安裝采集器、執(zhí)行器及照明控制器，實現(xiàn)每個教室的用電計量、監(jiān)測，根據(jù)自然光照度自動調(diào)節(jié)燈具亮度，根據(jù)統(tǒng)計人數(shù)提供相應(yīng)照明，達到節(jié)能的目的。

2.2.2節(jié)能數(shù)據(jù)采集

照明用電計量，主要利用采集器進行數(shù)據(jù)采集。采集器，通過RS485總線方式與智能電表連接并進行通訊和數(shù)據(jù)采集。采集器有一個網(wǎng)絡(luò)接口RJ45，可以通過節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與管理主機進行通訊和數(shù)據(jù)傳輸，還有一個串行接口RS23，用于在線調(diào)試與設(shè)置。

2.2.3節(jié)能照明控制

節(jié)能照明控制是根據(jù)采集到的電量數(shù)據(jù)，通過節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與管理主機或客戶端進行聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)教室遠(yuǎn)程燈光控制操作與監(jiān)測，根據(jù)教室實際人數(shù)提供相應(yīng)節(jié)能照明。節(jié)能照明控制，主要由節(jié)能照明控制器執(zhí)行。照明控制器配置RS485總線端口，TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接口等通訊端口，配置有6路繼電器常開觸點輸出，每個回路可輸出最大16A電流，連接3000W以下的燈具。

2.2.4改造燈具

更換部分燈具為智能調(diào)光LED燈具，并安裝照度傳感器。照度傳感器具有自動檢測周圍光線照度的功能，可以根據(jù)周邊和自然光的亮度來調(diào)整自身燈具的亮度，以達到節(jié)能照明的目的。

2.2.5計數(shù)照明

一間64人的教室，智能調(diào)光LED燈具安裝14盞。其中，講臺安排2盞，為1組燈(第一組燈)，其余每3盞燈一組，分別為第二組燈、第三組燈、第四組燈、第五組燈。以上5組燈分別接到節(jié)能照明控制器的1-5控制回路,如圖4所示。

一間教室通常有前后2扇門，在每一扇門上方安裝2個紅外計數(shù)傳感器(A紅外計數(shù)傳感器和B紅外計數(shù)傳感器)，A傳感器安裝在門前，B傳感器安裝在門后。

圖4 教室節(jié)能照明控制示意器

當(dāng)人員進出教室時，如果是從前門進出，門前的A傳感器即先感應(yīng)到，門后的B傳感器后感應(yīng)到，由此判斷是人員進出教室。反之，如果是從后門進出，則同樣可以判斷，由門后的B傳感器先感應(yīng)到，門前的A傳感器后感應(yīng)到，以此來統(tǒng)計教室內(nèi)人數(shù)。

系統(tǒng)會根據(jù)教室內(nèi)統(tǒng)計人數(shù)開啟相應(yīng)的燈。人數(shù)多，開的燈就多，人數(shù)少，開的燈就少，以達到節(jié)能照明的目的。

2.2.6改造效果

節(jié)能改造后，經(jīng)過基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)控制和自動調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)顯示，每天常亮燈數(shù)大約減少到400盞，每天平均使用減少為8h，年耗電量大約為29 952kWh，較改造之前的52 416kWh，節(jié)能量22 464kWh，節(jié)約40%能耗，節(jié)能效果明顯。

2.3 教學(xué)樓空調(diào)節(jié)能改造

2.3.1空調(diào)節(jié)能改造概述

據(jù)統(tǒng)計，該教學(xué)樓共安裝VRV變頻多聯(lián)機空調(diào)35臺，每臺功率為3675W，運行時間集中在夏季，大約全年運行1500h，加上全年的待機時間，估算年耗電量為20 000kWh。該空調(diào)節(jié)能改造項目采用智能管理的技術(shù)手段，對VRV變頻多聯(lián)機空調(diào)進行節(jié)能改造，即通過合理的開關(guān)機及電源斷電，以達到有效節(jié)能。

2.3.2空調(diào)節(jié)能改造方法

通過與空調(diào)廠家溝通，針對空調(diào)節(jié)能改造最理想的方式即在原有的線路和結(jié)構(gòu)不改動的情況下，在空調(diào)室外機主電源線路添加智能表和執(zhí)行器，在室內(nèi)機的每一臺機組的電源線進線外加裝空調(diào)控制器(圖5)，這樣可以通過能效監(jiān)管系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制空調(diào)，實現(xiàn)空調(diào)的開關(guān)控制供電時段、能耗的對比、分析等數(shù)據(jù)處理工作。

2.3.3空調(diào)控制器

空調(diào)控制器是空調(diào)節(jié)能改造的核心部件，安裝在每一個室內(nèi)機的電源進線處，這樣可以供電工作，也可以控制室內(nèi)機的電源通斷?？照{(diào)控制器具有紅外學(xué)習(xí)功能，可以學(xué)習(xí)或復(fù)制任何紅外遙控器的紅外編碼；也具有紅外發(fā)射功能，可以將紅外學(xué)習(xí)到的編碼進行實時控制操作，控制空調(diào)電源的開啟和關(guān)閉。它有2種通訊方式：RS485總線端口和LORA(433MHz)無線半雙工通訊。當(dāng)空調(diào)控制器與管理主機通過RS485總線方式或LORA無線通訊方式進行通訊連接后，管理主機即可以控制相關(guān)空調(diào)器電源的開啟和關(guān)閉及其它各種功能操作。

值得一提的是，LORA低功耗廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)，作為物聯(lián)網(wǎng)控制通訊協(xié)議之一，是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。

圖5 空調(diào)節(jié)能改造示意圖

2.4 節(jié)能改造效果

經(jīng)過節(jié)能改造，通過能效監(jiān)管系統(tǒng)對空調(diào)進行集中控制后，能保證溫度設(shè)定在26℃，并能根據(jù)教室使用情況關(guān)閉VRV空調(diào)室內(nèi)機，防止人為浪費。同時，福建地區(qū)空調(diào)真正使用的時間也就夏季3～5個月，其他時間的空調(diào)都屬于待機狀態(tài)。在沒有切斷電源的情況下，空調(diào)內(nèi)部也在待機耗能。在這種情況下，就可以按時間段關(guān)閉所有空調(diào)的用電待機耗能，不用電能就是最大的節(jié)能和省電。據(jù)系統(tǒng)顯示，改造后空調(diào)年耗電量大約為14 600kWh，節(jié)能量5400kWh，節(jié)約27%能耗，節(jié)能效果明顯。

3 結(jié)論

在節(jié)能改造前，2016年學(xué)?？傆秒娏繛? 212 330kWh，2017年學(xué)?？傆秒娏繛? 435 620kWh，總能耗呈逐年增長的趨勢。經(jīng)過該節(jié)能改造后，2018年學(xué)?？傆秒娏繛? 958 094kWh，節(jié)能量2 477 526kWh，節(jié)能率21%，達到節(jié)能的要求。如果電價按0.533元/度計算的話，節(jié)約電費約132萬元。此外，通過基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)的使用，把原來需要一定數(shù)量的人工來管理照明和空調(diào)設(shè)備，現(xiàn)在只需要在一個機房就可遠(yuǎn)程把控可視化儀器設(shè)備，節(jié)省了人力和物力，經(jīng)濟效益顯著。

此次節(jié)能改造，有助于明確高校等大型公共建筑今后的電能運維方向，即“能耗數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)可視化、節(jié)能指標(biāo)化、管理動態(tài)化、決策科學(xué)化、服務(wù)人性化”，省能省工且管理便捷。