基于物联网平台的建筑能耗监控系统的设计及应用

摘要：基于Niagara物联网平台架构研究了绿色建筑能耗监控系统，将绿色建筑内各不同设备和系统集成到同一平台，实现绿色建筑运营的数据可视化和统一管控，达到绿色建筑节能运营的目的，并以一绿色建筑办公区域为例进行设计和安装应用。

关键词：物联网架构；绿色建筑；监控系统；设备管控

0 引言

建筑行业的迅速发展使得中国建筑能耗严重问题逐渐凸显，绿色建筑作为节能建筑的代表之一，发展迅速。根据中国绿色建筑评价标准，绿色建筑被评为 一星、二星和三星，而且绿色建筑的评价标准逐渐向实际运行节能效果转变，越来越多的研究人员开始对绿色建筑全生命周期碳排放和能耗给予关注和研究。随着绿色建筑逐渐向智能化发展和物联网技术的广泛应用，建筑内部各子系统相对较多，例如消防系统、安保系统、车库系统、空调系统等，且涉及到不同厂家和不同种类产品，系统之间相对独立，集成难度较大。随着技术的发展，业主可能不断对设备进行更新和升级，目前建筑能耗监控系统难以扩容，拓展性差，且老旧项目的改造和数据采集等工作更是较为复杂，集成度低。基于国内外的研究成果，在研究和分析的基础上，提出了基于 Niagara 物联网架构的绿色建筑能耗监控系统，通过 Niagara 网络控制器对多种设备进行集成，并以一办公建筑为示范，在 Niagara 框架软件平台上二次开发，实现采集数据的有效存储，并可通过浏览器实现远程访问和监控。

1 物联网平台架构研究

1.1 Niagara 平台

Niagara 平台是由 Tridium 公司研发的用于设备之间通信连接的二次开发软件框架平台。此框架平台采用Baja 标准，很好地解决了楼宇自动化行业私有通信协议与系统不可兼容的问题，具有很好的通用性，能够连接目前楼宇内所有设备和系统，包括空调系统、制冷系统、照明系统、可再生能源系统、安防系统等，它基于Internet 标准，使用者可以借助电脑或移动终端 Web 浏览器通过局域网或者互联网进行远程访问和监控。Niagara 除了具有强大的集成优势外，其平台内部集成各种组件、对象模型、数据库、数据查询、日志查询、报警管理、远程诊断与维护等功能，采用开放式的架构设计，大大缩短了开发时间，降低了维护成本。

1.2 典型架构设计

物联网，简而言之就是物物相连的互联网，以互联网为基础，实现物与物之间、物与人之间的通信连接。在建筑领域，建筑管控系统常用架构有BA（楼宇设备自控）网络架构、局域网络架构、广域网络架构。基于物联网的典型架构可分为 3 层，即现场层、网络控制层、用户层。

图 1 物联网典型架构图

1.2.1 现场层

现场层是绿色建筑监控系统的感知元件，实现对现场数据的采集和传输，通常由各种传感器（流量计、温度计、压力传感器、室内环境品质检测仪、电量表等）组成，还包括用于控制现场各参数的执行设备（控制阀、制冷机组、新风机组、变频器等）。

1.2.2 网络控制层

网络控制层以现场总线形式将现场层各设备和传感器集成通信连接，可建立在局域网、互联网和云平台之上，将数据经过整合处理后传输到用户层。网络控制层的架构核心部件是 Niagara 网络控制器 JACE，该控制器具有较高的开放性和互联性。同时，网络控制器可将用户层指令和相关程序传送至现场层设备，实现对现场层设备的管控。

1.2.3 用户层

用户层用于实现物联网和用户的人机交互，对现场层的数据实现展示和存储功能，用户可通过参数设定和远程监控等方式实现对现场层设备的管理。同时，可对用户层数据进行深入分析和挖掘，采用智能算法来提高整个系统的自学习能力，达到智能化控制的目的。

2 建筑能耗监控系统

建筑能耗监控系统是对现场的各种检测仪表和设备运行状态等数据进行采集，通过网络控制层将数据传输至用户层，在用户层实现数据的显示、存储和分析。同时，用户层可通过网络控制层发送指令至现场层，实现对现场环境的控制。随着互联网和大数据时代的到来，用户可通过互联网对建筑运营情况进行远程监控。在建筑运营过程中，用户层也将积累大量的数据，通过对数据的挖掘，实现节能降耗、提高室内环境品质和设备故障诊断等。

3 项目实例

3.1既有建筑项目概况

项目位于天津市滨海新区，选取一绿色建筑的二层作为项目现场。此实例为既有项目改造，总面积约500 m，共包含4个独立的办公区间。室内空调系统为风机盘管+新风机组系统，控制方式为面板手动控制，有供暖和制冷两种控制逻辑，无通信功能。风机盘管为两管制，进水管设有电磁阀，冬季供热水，夏季供冷水。电灯为手动开关控制，无室内空气品质检测设备。

通过对项目进行改造，实现基于 Niagara 平台架构的绿色建筑能耗监控平台的搭建，能够对室内电量损耗实现分项计量，电灯和空调能够自动和手动控制，并在会议室安装电动窗帘，设定不同场景模式，实现室内环境控制。对独立区域进行室内空气品质参数的采集和存储，并联动新风机组实现室内空气品质的调控。同时，此平台应具有扩展性，能够根据实际要求扩容，缩短开发周期，降低维护成本。

3.2 监控系统设计

监控系统采用物联网架构设计，包括现场层、网络控制层和用户层，其架构如图 2 所示。现场层设有空调温控器（通信协议 BACnet）、室内空气检测仪（通信协议Modbus）、电量表（通信协议 LonWorks）、现场 DDC控制器 （通信协议 Modbus） 和新风机组 （通信协议 Modbus）。网络控制层包括1台交换机和2台网络控制器JACE，通过网络控制器将现场层不同厂家和不同通信协议集成到同一平台。用户层设有服务器，实现数据的显示和存储功能，基于B/S（浏览器 / 服务器）架构的分布式处理方式，用户可通过电脑或移动终端 Web 浏览器实现远程监控。

图 2 监控系统网络架构图

空调温控器控制风机盘管风速和电磁阀开关，并通过通信方式与网络控制器连接。电量表安装在各回路的空气开关下端，实现风机盘管、插座和电灯的能耗分项计量。现场安装有光照度传感器和控制灯回路的继电器，并连接至现场 DDC 控制器，现场 DDC 控制器通过通信方式连接至网络控制器，实现数据传输。现场通过室内环境品质检测仪能够实时检测室内温湿度、CO2 体积分数、CH2O体积分数、PM2.5 和TVOC（总挥发性有机物）体积分数指标。

3.3 软件系统设计

监控平台软件系统基于 Niagara 框架，在 Niagara WorkPlace 界面进行监控系统的二次开发，可缩短开发周期，且系统的拓展性和兼容性较强，空调系统控制界面如图 3 所示。用户在使用过程中，可对室内参数和控制模式进行设置，系统的控制时间模式和参数设置界面。框架本身连接着数据库，能够实时对数据进行存储和查询。办公室内 CO2 体积分数历史数据曲线。图 5 展示了 2019-01-02T00:00—2019-01 -08T20:00 的数据，数据设置为每隔 15 min 记录一次。

图 3 空调系统控制界面

图 4 系统控制时间模式和参数设置界面

图 5 办公室内 CO2 体积分数历史数据曲线

4 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系统介绍与选型

4.1系统架构介绍

Acrel-5000建筑能耗分析管理系统以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，根据现场实际情况采用现场总线、光纤环网或无线通讯中的一种或多种结合的组网方式，为大型公共建筑的实时数据采集及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测设备构成任意复杂的监控系统。开放性、网络化、单元化、组态化的采用面向对象的分层、分级、分布式智能一体建立如下层次结构：

图 6 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系统架构示意图

4.2 系统功能介绍

图7 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系统用能统计示意图

4.2.1支路用能

系统可以统计各支路某段时间内逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。系统可查看各支路用能趋势，可根据已有的日期或者自定义时间进行查询，并可以将支路用能显示合计，以图表形式显示。

4.2.2分项能耗统计

系统可以按照分项进行能耗统计与显示。其中，日分项用能同比分析图显示不同分项的当日与昨日能耗柱状图；用能饼图显示各分项过去31天的用能占比；堆积图显示各分项过去31天的能耗趋势；分项用能排名图显示被选中分项对应能耗值排名*位的支路。

4.2.3分项用能报表

系统可以统计各分项某段时间内逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。可查看分项中各支路用能趋势，可根据已有的日期或者自定义时间进行查询，统计数据可导出至Excel。

4.2.4能耗的同比环比分析

系统可将各主要耗能设备的能耗与去年同期值和上月值进行同比环比分析，检验节能效果，根据分析结果执行节能绩效考核，以及节能目标的修正。统计各支路当年每月用能及去年同期用能。

4.2.5用能数据检查

系统可以统计某段时间内各回路与下级支路的用能差值，超过一定百分比后醒目显示，确保计量体系的完整性、准确性。

4.3系统设备选型

表1 安科瑞Acrel-5000建筑能耗管理系统设备选型示意图

5 结束语

物联网架构管理控制层可集成多种通信协议，解决了不同厂家设备和通信协议间无法连接的问题，利用 Niagara 框架将各设备整合到一个完整的平台，实现对现场层的统一管理。 整个架构用户层采用基于 B/S 架构的分布式设计，系统维护和升级管理只需在后台进行，管理者可通过PC（个人电脑）、手机等互联网设备Web浏览器实现系统的远程访问。通过绿色建筑物联网监控系统实例搭建，实现了对室内空气品质和各分项能耗计量监测，并能够实时查询历史数据，实现运行工况的曲线展示。该系统具有较好的稳定性，为物联网架构在绿色建筑领域的应用积累了一定的实践经验。

【参考文献】

[1]郭而郛，崔雅楠，王瀛，等.绿色居住建筑全生命周期碳排放研究［J］.中国建设科技，2017，26(5)：9-12.

[2]穆永超，周志华，邹芳睿，杜涛.基于物联网平台的绿色建筑能耗监控系统.[J]能源与节能,2019.07

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.[J]2019.11版