數(shù)字化升級中樓宇智慧能耗管理系統(tǒng)設(shè)計

南京信息職業(yè)技術(shù)學院 胡峰 陳愷

智慧能耗管理系統(tǒng)充分運用現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)手段，以云平臺媒介，輔以數(shù)據(jù)挖掘、現(xiàn)代統(tǒng)計學分析、運籌優(yōu)化等技術(shù)手段，實現(xiàn)從樓宇實時用能監(jiān)測、用能數(shù)據(jù)智能分析、智能告警到智能調(diào)節(jié)的能耗數(shù)據(jù)反應鏈的監(jiān)管[1]。真正意義上可實現(xiàn)實時監(jiān)測與測量能耗信息，是節(jié)能減排目標實現(xiàn)的有力保障。

當今社會下，節(jié)能減排已然成為最受關(guān)注的社會熱點問題之一，雙碳戰(zhàn)略作為國之大計不僅是我國體現(xiàn)大國擔當?shù)闹匾e措，也是為了契合我國的國家安全與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對人類的生存環(huán)境、對各行各業(yè)有著深遠的影響。

當今城市內(nèi)的很多樓宇在外觀結(jié)構(gòu)上相比以往已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，而內(nèi)部電器的智能化程度并不是很高，很多設(shè)備在非必要環(huán)境下依然持續(xù)運行，產(chǎn)生較多的冗余用電情況；同時目前大部分樓宇對于用能監(jiān)管情況的體制比較落后，這是現(xiàn)代樓宇實現(xiàn)智能化進程中的一大障礙，所以建設(shè)一套體系完整的樓宇能耗管理系統(tǒng)是非常有必要的。

1 課題研究基礎(chǔ)和意義

近年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速崛起，為建設(shè)智慧能耗系統(tǒng)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)和研究環(huán)境，以及非常可觀的市場前景，推進樓宇的智慧能耗系統(tǒng)是現(xiàn)代化樓宇發(fā)展的必然結(jié)果。智慧能耗系統(tǒng)利用傳感器在各個用能節(jié)點將能耗數(shù)據(jù)進行采集，發(fā)送回云端服務(wù)平臺進行存儲與分析，實時對整個用能過程進行監(jiān)控，根據(jù)各節(jié)點不同狀態(tài)下的用能需求，智能化調(diào)節(jié)各個節(jié)點的用能方案，挖掘節(jié)能的潛力[2]，對能源管控實現(xiàn)自動智能化管理，減少了能源管理的人力成本，降低不必要的能源消耗，最大限度的提高能源利用率，提高環(huán)境質(zhì)量，最終達到節(jié)能降耗的目的。

但目前我國現(xiàn)代樓宇數(shù)量不斷增加，樓宇內(nèi)部的能耗設(shè)備的規(guī)模也進一步大幅度提升，傳統(tǒng)的平臺已經(jīng)難以滿足簡單的數(shù)據(jù)采集、通信、存儲、分析工作，并且存在靈活性較差、魯棒性較差、系統(tǒng)部署相對復雜等問題[3]，所以本課題提出在云組態(tài)管控架構(gòu)下，搭建一種新型的樓宇能耗管控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能需求分析

智慧能耗系統(tǒng)主要針對寫字樓中常涉及到的燈具、空調(diào)及電梯等重耗能設(shè)備，根據(jù)功能拆分梳理，保證不同模塊的邊界，在各模塊中完成各種任務(wù)的開發(fā)然后與實際設(shè)備進行對接。整個系統(tǒng)按主要包含以下幾個模塊：

（1）能耗數(shù)據(jù)采集模塊。能耗數(shù)據(jù)采集功能是系統(tǒng)最基本的功能了，能夠明確各設(shè)備的耗能情況，一般包括電能耗和水能耗監(jiān)測。

（2）能耗數(shù)據(jù)分析模塊。可對歷史用能情況進行查詢，以圖表對比的方式呈現(xiàn)耗能趨勢；進行綜合用水、用電等數(shù)據(jù)的分析。

（3）能耗診斷優(yōu)化模塊。自動檢測各設(shè)備狀態(tài)并自動生成報表，根據(jù)預設(shè)的診斷依據(jù)檢測設(shè)備耗能情況給出診斷結(jié)果，對耗能設(shè)備進行優(yōu)化控制，諸如自動燈控、自動中央空調(diào)。

（4）告警模塊。對不正常的操作以及能耗使用事件進行告警，包括時間、告警級別、告警類型、告警內(nèi)容。

3 能耗管控系統(tǒng)詳細設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)的框架圖如圖1所示，在這個系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中分為應用層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層4個層面。應用層是用戶直接接觸的前臺層次，所有的圖表數(shù)據(jù)顯示以及用戶操作都在該層完成，主要使用HTML5、VUE等技術(shù)在B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下進行開發(fā)，對不同的用戶終端都有良好的兼容性；平臺層為軟件的后臺層次，所有的數(shù)據(jù)分析存儲、診斷報告和優(yōu)化方案的生成、告警的生成都在該層完成，使用Java語言對其進行開發(fā)；網(wǎng)絡(luò)層是鏈接軟硬件的紐帶與橋梁，利用無線或有線等實時通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)的傳輸，保障整個系統(tǒng)的順利運行；感知層為最底硬件層，通過智能水流計、氣流計、電能計等傳感器設(shè)備收集耗能設(shè)備數(shù)據(jù)和控制調(diào)節(jié)耗能設(shè)備的能耗[4]。

圖1 整體系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Overall system architecture

3.2 耗能數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

（1）耗能數(shù)據(jù)表單設(shè)計。

能耗數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)庫字段設(shè)計如表1所示。

表1 智能終端信息采集字段設(shè)計表Tab.1 Intelligent terminal information collection field design table

（2）傳感數(shù)據(jù)采集部分代碼：

void get_sensor(SensorType type)

{ switch(type) {

case Kongkai_Sensor://當前空開電流傳感器

read_io =Switching_Value();

mb_funcdisc_states.val.disc_BIT0=(unsigned)read_io; break;

case Voltage_Sensor://當前空氣質(zhì)量傳感器

vol =Get_Voltage();

inbuf[1]=vol; break;

case TemHum_Sensor://當前溫度傳感器

call_sht11(&sensor_tem, &sensor_hum);

holdbuf[0]=(u16)(sensor_tem<<8)+sensor_hum; break;

case LED_Sensor://當前溫度傳感器

read_io =Switching_Value();

mb_funcdisc_states.val.disc_BIT0=(unsigned)read_io; break;

...}

3.3 耗能數(shù)據(jù)可視化

該模塊使用SQL Server從上一模塊中取得采集到的數(shù)據(jù)進行匯總計算，生成實時功率、實時水流量、分時用電量、分時用水量、總用水量、總用電量等數(shù)據(jù)，并以圖表的方式呈現(xiàn)給前臺用戶；并在后臺生成統(tǒng)計報告的圖表，以詳細的時間、空間等維度構(gòu)建二維圖表，再輔以細致的條目顯示來完善數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。

數(shù)據(jù)對接部分代碼：

void USART2_IRQHandler()

{{Uart2_Buffer[Uart2_Rx]= USART_Receive Data (USART2); //接收數(shù)據(jù)并

Uart2_Rx++; //存儲 }

if(Uart2_Rx>50){

for(n=0;n<50;n++) //對我們接收到的數(shù)據(jù)進行一位一位的進行比對

{if(Uart2_Buffer[n]==0xDD&&Uart2_Buffer [n+1]==0x01&&Uart2_Buffer[n+2]==0x06&&Uart2_Buffer[n+3]==0x01&&Uart2_Buffer[n+5]==0xEE){//對數(shù)據(jù)進行判定

humi=Uart2_Buffer[n+4]; //將發(fā)過來的數(shù)據(jù)進行接受賦值

printf("用電量為：%.2f ",RoomKK101);//打印到串口方便調(diào)試}

if(Uart2_Buffer[n]==0xDD&&Uart2_Buffer [n+1]==0x02&&Uart2_Buffer[n+2]==0x06&&Uart2_Buffer[n+3]==0x01&&Uart2_Buffer[n+5]==0xEE)

{temp=Uart2_Buffer[n+4];

printf("電壓為：%.2f ",voltage); }

if(Uart2_Buffer[n]==0xDD&&Uart2_Buffer [n+1]==0x03&&Uart2_Buffer[n+2]==0x06&&Uart2_Buffer[n+3]==0x01&&Uart2_Buffer[n+5]==0xEE)

{beam=Uart2_Buffer[n+4];

printf("101室溫濕度：%.2f，%.2f ",sensor_tem, sensor_hum);

}}

4 耗能分析及智能聯(lián)動模塊設(shè)計

4.1 耗能數(shù)據(jù)診斷優(yōu)化模塊設(shè)計

該模塊根據(jù)能耗數(shù)據(jù)分析模塊的分析結(jié)果，進行能耗方案的調(diào)節(jié)，對無需在線設(shè)備進行休眠、對無需滿負載運行的設(shè)備進行電流電壓的調(diào)整，降低運載負荷從而達到節(jié)能的目的。數(shù)據(jù)分頁多線程處理代碼段：

public static List SplitList(List _list, int PageIndex, int PageSize)

{int _PageIndex = PageIndex == 0 ? 1 : PageIndex;

int _PageSize = PageSize == 0 ? 20 : PageSize;

int PageConut = (int)Math.Ceiling(Convert.ToDecimal(_list.Count) / _PageSize);

if (PageConut >= _PageIndex)

{List list = new List();

list = _list.Skip((_PageIndex - 1) * PageSize).Take(_PageSize).ToList();

return list; }

Else

return _list;

}

4.2 燈光智能聯(lián)控模塊

結(jié)合人體紅外感知傳感器，在智能樓宇管控平臺中實現(xiàn)傳感與能耗設(shè)備間聯(lián)動控制，實現(xiàn)人在燈亮，人走燈滅的節(jié)能效果。

execute = function(metabox)

local message = "" --metabox.devices('燈2. LEV').switchSelector(1)

for i, deviceToCheck in pairs(devicesToCheck) do

local name = deviceToCheck['name']

local threshold = deviceToCheck['threshold']

local minutes = metabox.devices(name).last Update.secondsAgo

if ( minutes > threshold) then

metabox.devices('智能空開.Line.17.Status').switch Off().

metabox.devices('燈2.LEV').switchSelector(100)

4.3 空調(diào)智能聯(lián)控模塊

中央空調(diào)作為現(xiàn)代樓宇中一項重要的能源支出，在此次升級改造的能耗系統(tǒng)中也是重中之重。通過讀取設(shè)備溫濕度傳感器或增設(shè)空間溫濕度傳感器，感知環(huán)境溫度變化，設(shè)定閾值后，根據(jù)閾值聯(lián)動空調(diào)待機或運行，可有效節(jié)能。

execute = function(metabox)

local message = "" --metabox.devices('溫濕度傳感.LEV').switchSelector(2)

for i, deviceToCheck in pairs(devicesToCheck) do

local name = deviceToCheck['name']

local threshold = deviceToCheck['threshold']

local minutes = metabox.devices(name).last Update.secondsAgo

if ( minutes > threshold) then

metabox.devices('智能空開.Line.17.Status').switchOn().

metabox.devices('空調(diào)紅外.LEV').switchSe le ctor(300)

5 結(jié)論

通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和可控物聯(lián)網(wǎng)平臺的加入，完成某寫字樓的數(shù)字化升級改造。本文主要解決改造過程中的能耗管控問題，針對能耗具體設(shè)備以及時間、空間分布，按照不同模塊去設(shè)計，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、診斷優(yōu)化、燈控、中央空調(diào)、智能能耗告警等一系列功能，讓樓內(nèi)的能源使用情況可視化呈現(xiàn)，并讓能源的消耗可控化，降低非必要的能源消耗，提升能源的利用效率，最終達成節(jié)能的目的，同時可與其他子系統(tǒng)進行聯(lián)動，構(gòu)建一個完整的樓內(nèi)智能生態(tài)系統(tǒng)。

引用

[1]蔡國榮.樓宇能耗智能管理平臺關(guān)鍵技術(shù)研究與應用[D].上海:上海第二工業(yè)大學,2020.

[2]王恒強.建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京:東南大學, 2019.

[3]楊俊杰.大型樓宇智慧能耗系統(tǒng)應用技術(shù)分析[J].現(xiàn)代建筑電氣, 2020,11(11):40-46.

[4]呂朝磊.智能樓宇能耗監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用[D].蘭州:蘭州理工大學,2018.