基于物聯網技術的校園建筑能耗智慧監控平臺設計

朱靜宜

摘 要：為打造低碳綠色校園，營造良好的學習環境，針對目前校園建筑能耗大，特別是空調節能困難等問題，特采用物聯網技術構建校園建筑能耗智慧監控平臺。通過設計空調監控子系統，搭建空調監控模型實現了空調等智能硬件設備根據環境自動調節溫濕度等多種控制模式，從而達到節能、降耗與降低成本目的。智慧監控云平臺的設計使用戶對電量數據、能耗信息等進行監控，實現了真正的節能、高效、安全和低耗。

關鍵詞：物聯網;建筑能耗;智慧監控;遠程管理;網關;能耗

0 引 言

隨著社會經濟的飛速發展，人民生活質量不斷提高，由此人們對生活和工作的智能化環境關注度也越來越高。當下，人們對建筑消費的重點已從“硬件（裝修和耐用的消費品）”消費轉向“軟件（功能和環境品質）”消費，如何降低保障室內空氣品質所需的能耗（空調、通風、采暖、熱水供應）成為關注熱點。狹義的建筑能耗，即建筑的運行能耗，指人們日常用能，如采暖、空調、照明、炊事、洗衣等，是建筑能耗的重要組成[1]。據統計，在建筑能耗中，空調能耗占較高比例，約為2/3，建筑能耗與工業能耗、農業能耗及交通運輸能耗稱為民生能耗，我國空調能耗約占總能耗的22%[2]。

隨著近幾年校園的不斷合并與擴建，我國校園空調持有量持續上升，相應的能耗也隨之上漲。倘若維持空調原有能效，預計到2050年，我國校園空調能耗將增長一倍以上[3]。因此，建設建筑節能型校園是低碳綠色城市建設的重要環節之一。通過結合物聯網、自動控制和傳感等技術，建設校園建筑能耗智慧監控平臺，包括校園建筑能耗智慧監控平臺的總體設計和校園建筑能耗空調監控模型的搭建與子系統的設計，從而實現智慧監控，進一步提高校園建筑能耗空調的運行效率，實現節能減排。

1 校園建筑能耗存在的問題

學校是我國公建節能和綠色建筑的重要領域，住建部發布的《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》中多次提及綠色節能校園建設[4]。在政府大力支持與學校的積極響應下，目前各學校都著力建設綠色節能型校園。但當前學校節能工作仍然面臨著很大挑戰，存在以下問題。

（1）隨著我國城市化進程不斷加快，以及國家對教育領域的大力支持與投入，隨著校園建筑面積的擴大，以及空調、學生電腦等插電設備的使用，使得能耗問題變得較為嚴重，造成建筑能源的極大浪費。

（2）現有的耗電設備智能化程度低，部分學生因節能意識薄弱，時常在離開教室或公共場所時不關空調等耗電設備，而這些耗電設備不會根據環境的變化按時段、按需求和按人數等進行自動調整，也不會根據溫濕度、光照度的變化進行多種控制模式的調節，導致浪費大量能耗。

（3）現有校園建筑能耗監控平臺技術水平不高。在平臺的設計中較少把能耗信息與建筑信息相關聯，且數據可視化程度不高，真正對能耗的預測與監控技術應用較少，無法實現節能、低耗、安全和管控等目的。

近幾年隨著物聯網技術、傳感技術與云計算技術等的快速發展，考慮到學校巨大的建筑能耗，建設校園建筑能耗智慧監控平臺，打造綠色節約型校園勢在必行。

2 校園建筑能耗智慧監控平臺的總體設計

通過高效數字化信號采集技術結合物聯網相關通信技術，構成了校園建筑能耗智慧監控平臺，主要包括智慧用電單相模塊、智能插座、智能網關以及云平臺等，支持遠程管理和控制，可根據控制策略實施聯動管理。校園建筑能耗智慧監控平臺總體設計如圖1所示。

該平臺的設計采用物聯網三層架構體系與云數據中心相連，通過無線傳感模塊對是否有人、溫濕度等環境數據進行采集，利用智能電源控制器實時精準地掌握空調等智能硬件設備的工作狀態，建立各類安全策略，對異常狀態及時報警，運用ZigBee技術接入智能物聯網網關，采用4G，5G，WiFi，以太網等網絡通信技術接入云平臺，實現了在無人或人少的情況下，按時段、按需求、按環境等對智能設備進行控制，避免無人空調未關、溫濕度適宜空調仍高速運轉等現象，實現空調根據環境自動調節溫濕度等多種控制模式，達到節能降耗要求。云平臺對電量數據、能耗信息進行了長期存儲，方便查詢，便于用戶了解用電量，實現對校園建筑能耗的實時監控。

3 校園建筑能耗空調監控子系統的設計

根據現有校園的特點，提供兩種方式進行溫濕度控制，即通過智能電扇控制終端來管理電扇的速度以及運行，允許遠程調節風扇檔位，或通過溫濕度感知、環境智控終端及空調構成一套溫濕度控制系統，如圖2所示。

3.1 空調監控子系統

智慧溫濕度環境系統（空調）主要由溫濕度智能感知模塊、環境智控終端、無線控制模塊（可控制空調并帶有自學習功能）、學校現有空調組成，可以擴充網關接入智慧環境管控平臺，支持移動端和PC端設備遠程控制和管理。溫濕度智能感知模塊高速、高精度地檢測環境溫濕度后將數據傳送給環境智控終端。環境智控終端根據手動或遠程配置好的控制策略進行空調運行控制;無線控制模塊負責對空調設備進行無線控制。子系統組成如圖3所示。

利用云計算技術通過云平臺實現對傳感模塊實時數據的長期存儲與精準顯示，控制空調等智能硬件設備產生的監測數據，方便對其進行長期管理。

3.2 空調監控子系統功能需求

（1）支持特定情況下手動設置運行溫度控制目標，設備根據環境的真實測量值，自動控制環境溫濕度直至達到手動設定的目標值;

（2）能夠自動識別教室環境的溫度、濕度，根據設置好的目標參數自動調節空調運行，控制空調的制熱、制冷、除濕，確保教室環境始終處于恒定舒適狀態;

（3）支持空調等設備的遠程管理，可以遠程配置空調管理策略，如溫度達到32 ℃后打開空調，設置時間段關閉空調等;

（4）利用采集的環境數據進行自動分析，不斷優化環境的控制條件，在確保環境舒適度的前提下，節約能源，優化人力維護和管理成本;

（5）實現風扇速度調節和控制，支持風扇遠程關閉和開啟。

3.3 校園建筑能耗空調監控模型的搭建

結合校園建筑的實際情況與用戶使用空調的行為習慣，根據建筑空調子系統的特征和原理，采用物聯網等技術實現數據采集。搭建的校園建筑能耗空調監控模型如圖4所示。

根據空調的運行原理設計模糊控制器，通過分析歷史數據并與相關數據進行比較后建立知識庫，對可能產生的問題進行預警，并對用戶產生的數據進行診斷與預測，有效降低建筑能耗，實現校園建筑節能目標。

4 結 語

為解決校園建筑能耗大，特別針對空調節能困難等問題，采用物聯網技術構建校園建筑能耗智慧監控平臺，搭建空調監控模型，并對空調監控子系統進行設計，實現節能降耗效果與顯著的成本優勢。云監控平臺的應用實現了對用戶電量數據、能耗信息的管控。物聯網在校園建筑節能中的巨大優勢有助于實現真正的節能、高效、安全、低耗等目標，符合國家建設節約型社會的要求。

參考文獻

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[2]建筑能耗基本定義[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/%E5%BB%BA%E7%AD%91%E8%83%BD%E8%80%97/4672043？fr=aladdin，2016-5-10.

[3]政府信息采購網.推進空調行業低碳節能轉型 助力生態文明建設[EB/OL]. http：//www.vkhvacr.com/index.php？m=content&c=index&a=show&catid=23&id=27451，2018-10-24.

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