基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

朱靜宜

摘 要：為打造低碳綠色校園，營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，針對(duì)目前校園建筑能耗大，特別是空調(diào)節(jié)能困難等問(wèn)題，特采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺(tái)。通過(guò)設(shè)計(jì)空調(diào)監(jiān)控子系統(tǒng)，搭建空調(diào)監(jiān)控模型實(shí)現(xiàn)了空調(diào)等智能硬件設(shè)備根據(jù)環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)溫濕度等多種控制模式，從而達(dá)到節(jié)能、降耗與降低成本目的。智慧監(jiān)控云平臺(tái)的設(shè)計(jì)使用戶對(duì)電量數(shù)據(jù)、能耗信息等進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了真正的節(jié)能、高效、安全和低耗。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);建筑能耗;智慧監(jiān)控;遠(yuǎn)程管理;網(wǎng)關(guān);能耗

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活質(zhì)量不斷提高，由此人們對(duì)生活和工作的智能化環(huán)境關(guān)注度也越來(lái)越高。當(dāng)下，人們對(duì)建筑消費(fèi)的重點(diǎn)已從“硬件（裝修和耐用的消費(fèi)品）”消費(fèi)轉(zhuǎn)向“軟件（功能和環(huán)境品質(zhì)）”消費(fèi)，如何降低保障室內(nèi)空氣品質(zhì)所需的能耗（空調(diào)、通風(fēng)、采暖、熱水供應(yīng)）成為關(guān)注熱點(diǎn)。狹義的建筑能耗，即建筑的運(yùn)行能耗，指人們?nèi)粘Ｓ媚?，如采暖、空調(diào)、照明、炊事、洗衣等，是建筑能耗的重要組成[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在建筑能耗中，空調(diào)能耗占較高比例，約為2/3，建筑能耗與工業(yè)能耗、農(nóng)業(yè)能耗及交通運(yùn)輸能耗稱為民生能耗，我國(guó)空調(diào)能耗約占總能耗的22%[2]。

隨著近幾年校園的不斷合并與擴(kuò)建，我國(guó)校園空調(diào)持有量持續(xù)上升，相應(yīng)的能耗也隨之上漲。倘若維持空調(diào)原有能效，預(yù)計(jì)到2050年，我國(guó)校園空調(diào)能耗將增長(zhǎng)一倍以上[3]。因此，建設(shè)建筑節(jié)能型校園是低碳綠色城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)之一。通過(guò)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制和傳感等技術(shù)，建設(shè)校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺(tái)，包括校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)和校園建筑能耗空調(diào)監(jiān)控模型的搭建與子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)智慧監(jiān)控，進(jìn)一步提高校園建筑能耗空調(diào)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1 校園建筑能耗存在的問(wèn)題

學(xué)校是我國(guó)公建節(jié)能和綠色建筑的重要領(lǐng)域，住建部發(fā)布的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中多次提及綠色節(jié)能校園建設(shè)[4]。在政府大力支持與學(xué)校的積極響應(yīng)下，目前各學(xué)校都著力建設(shè)綠色節(jié)能型校園。但當(dāng)前學(xué)校節(jié)能工作仍然面臨著很大挑戰(zhàn)，存在以下問(wèn)題。

（1）隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，以及國(guó)家對(duì)教育領(lǐng)域的大力支持與投入，隨著校園建筑面積的擴(kuò)大，以及空調(diào)、學(xué)生電腦等插電設(shè)備的使用，使得能耗問(wèn)題變得較為嚴(yán)重，造成建筑能源的極大浪費(fèi)。

（2）現(xiàn)有的耗電設(shè)備智能化程度低，部分學(xué)生因節(jié)能意識(shí)薄弱，時(shí)常在離開教室或公共場(chǎng)所時(shí)不關(guān)空調(diào)等耗電設(shè)備，而這些耗電設(shè)備不會(huì)根據(jù)環(huán)境的變化按時(shí)段、按需求和按人數(shù)等進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，也不會(huì)根據(jù)溫濕度、光照度的變化進(jìn)行多種控制模式的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致浪費(fèi)大量能耗。

（3）現(xiàn)有校園建筑能耗監(jiān)控平臺(tái)技術(shù)水平不高。在平臺(tái)的設(shè)計(jì)中較少把能耗信息與建筑信息相關(guān)聯(lián)，且數(shù)據(jù)可視化程度不高，真正對(duì)能耗的預(yù)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較少，無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)能、低耗、安全和管控等目的。

近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)等的快速發(fā)展，考慮到學(xué)校巨大的建筑能耗，建設(shè)校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺(tái)，打造綠色節(jié)約型校園勢(shì)在必行。

2 校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

通過(guò)高效數(shù)字化信號(hào)采集技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)通信技術(shù)，構(gòu)成了校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺(tái)，主要包括智慧用電單相模塊、智能插座、智能網(wǎng)關(guān)以及云平臺(tái)等，支持遠(yuǎn)程管理和控制，可根據(jù)控制策略實(shí)施聯(lián)動(dòng)管理。校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺(tái)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

該平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)體系與云數(shù)據(jù)中心相連，通過(guò)無(wú)線傳感模塊對(duì)是否有人、溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用智能電源控制器實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地掌握空調(diào)等智能硬件設(shè)備的工作狀態(tài)，建立各類安全策略，對(duì)異常狀態(tài)及時(shí)報(bào)警，運(yùn)用ZigBee技術(shù)接入智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，采用4G，5G，WiFi，以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)接入云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)人或人少的情況下，按時(shí)段、按需求、按環(huán)境等對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行控制，避免無(wú)人空調(diào)未關(guān)、溫濕度適宜空調(diào)仍高速運(yùn)轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)空調(diào)根據(jù)環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)溫濕度等多種控制模式，達(dá)到節(jié)能降耗要求。云平臺(tái)對(duì)電量數(shù)據(jù)、能耗信息進(jìn)行了長(zhǎng)期存儲(chǔ)，方便查詢，便于用戶了解用電量，實(shí)現(xiàn)對(duì)校園建筑能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 校園建筑能耗空調(diào)監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有校園的特點(diǎn)，提供兩種方式進(jìn)行溫濕度控制，即通過(guò)智能電扇控制終端來(lái)管理電扇的速度以及運(yùn)行，允許遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)風(fēng)扇檔位，或通過(guò)溫濕度感知、環(huán)境智控終端及空調(diào)構(gòu)成一套溫濕度控制系統(tǒng)，如圖2所示。

3.1 空調(diào)監(jiān)控子系統(tǒng)

智慧溫濕度環(huán)境系統(tǒng)（空調(diào)）主要由溫濕度智能感知模塊、環(huán)境智控終端、無(wú)線控制模塊（可控制空調(diào)并帶有自學(xué)習(xí)功能）、學(xué)?，F(xiàn)有空調(diào)組成，可以擴(kuò)充網(wǎng)關(guān)接入智慧環(huán)境管控平臺(tái)，支持移動(dòng)端和PC端設(shè)備遠(yuǎn)程控制和管理。溫濕度智能感知模塊高速、高精度地檢測(cè)環(huán)境溫濕度后將數(shù)據(jù)傳送給環(huán)境智控終端。環(huán)境智控終端根據(jù)手動(dòng)或遠(yuǎn)程配置好的控制策略進(jìn)行空調(diào)運(yùn)行控制;無(wú)線控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線控制。子系統(tǒng)組成如圖3所示。

利用云計(jì)算技術(shù)通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感模塊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)與精準(zhǔn)顯示，控制空調(diào)等智能硬件設(shè)備產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，方便對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期管理。

3.2 空調(diào)監(jiān)控子系統(tǒng)功能需求

（1）支持特定情況下手動(dòng)設(shè)置運(yùn)行溫度控制目標(biāo)，設(shè)備根據(jù)環(huán)境的真實(shí)測(cè)量值，自動(dòng)控制環(huán)境溫濕度直至達(dá)到手動(dòng)設(shè)定的目標(biāo)值;

（2）能夠自動(dòng)識(shí)別教室環(huán)境的溫度、濕度，根據(jù)設(shè)置好的目標(biāo)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)運(yùn)行，控制空調(diào)的制熱、制冷、除濕，確保教室環(huán)境始終處于恒定舒適狀態(tài);

（3）支持空調(diào)等設(shè)備的遠(yuǎn)程管理，可以遠(yuǎn)程配置空調(diào)管理策略，如溫度達(dá)到32 ℃后打開空調(diào)，設(shè)置時(shí)間段關(guān)閉空調(diào)等;

（4）利用采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，不斷優(yōu)化環(huán)境的控制條件，在確保環(huán)境舒適度的前提下，節(jié)約能源，優(yōu)化人力維護(hù)和管理成本;

（5）實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)和控制，支持風(fēng)扇遠(yuǎn)程關(guān)閉和開啟。

3.3 校園建筑能耗空調(diào)監(jiān)控模型的搭建

結(jié)合校園建筑的實(shí)際情況與用戶使用空調(diào)的行為習(xí)慣，根據(jù)建筑空調(diào)子系統(tǒng)的特征和原理，采用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。搭建的校園建筑能耗空調(diào)監(jiān)控模型如圖4所示。

根據(jù)空調(diào)的運(yùn)行原理設(shè)計(jì)模糊控制器，通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)并與相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后建立知識(shí)庫(kù)，對(duì)可能產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警，并對(duì)用戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷與預(yù)測(cè)，有效降低建筑能耗，實(shí)現(xiàn)校園建筑節(jié)能目標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決校園建筑能耗大，特別針對(duì)空調(diào)節(jié)能困難等問(wèn)題，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺(tái)，搭建空調(diào)監(jiān)控模型，并對(duì)空調(diào)監(jiān)控子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗效果與顯著的成本優(yōu)勢(shì)。云監(jiān)控平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶電量數(shù)據(jù)、能耗信息的管控。物聯(lián)網(wǎng)在校園建筑節(jié)能中的巨大優(yōu)勢(shì)有助于實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能、高效、安全、低耗等目標(biāo)，符合國(guó)家建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求。

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