基于BIM與物聯網技術的建筑設備節能管理研究

黃羹墻

（廣西機電職業技術學院）

1 引言

建筑行業是全球最大的能源消耗行業之一，其能源消耗占全球總能耗的40%以上[1]。其中，空調、照明和電梯等設備是建筑能耗的主要來源。隨著全球經濟的不斷發展和人口的增長，建筑行業的快速發展對能源的需求日益增加，而建筑能耗的高峰期一般集中在空調、照明和電梯等設備的運行時段[2]。近年來，隨著信息技術和自動控制技術的不斷發展，以及人們環保意識的提高，越來越多的研究者開始關注如何利用先進的技術手段，實現對建筑設備的節能管理。其中，BIM 和物聯網技術被廣泛應用于建筑能源管理領域，為建筑設備的節能管理提供了更加科學、精細化、智能化的解決方案。

2 BIM 與物聯網技術在建筑設備節能管理中的優勢

建筑設備的運行效率和能源利用效率不僅直接影響建筑物的能耗水平，也對環境產生一定的影響，因此對建筑設備進行節能管理已經成為了一個重要的研究方向。在建筑設備節能管理的研究中，傳統的方法主要是通過對建筑設備進行規劃設計和能源消耗評估，提出相應的節能措施，通過改進設備性能、改進設備運行模式等手段，降低能源的消耗，提高節能效果。然而，目前的建筑設備節能管理存在缺乏整合性、數據質量不高、智能化程度不足等問題[3]。

BIM和物聯網技術的結合可以將建筑設備信息與物理空間進行有機結合，實現對建筑設備的實時監控、控制和管理，提高建筑設備的效率和節能水平。同時，BIM 模型也為物聯網設備提供了更加精準的場景模擬和信息共享，為建筑設備的智能化管理提供了更加有效的手段。

1）提高節能效果

BIM和物聯網技術的應用可以對建筑設備進行全面、系統的管理和優化調度，從而提高節能效果，降低能源消耗和運營成本。通過BIM技術實現設備模擬和預測分析，可以根據設備運行狀態和能耗情況調整控制策略，以實現最佳的能耗效益。

2）增強智能化程度

BIM和物聯網技術的應用可以實現建筑設備的智能化監控和控制，通過感知設備運行狀態、預測能耗和異常檢測等功能，實現設備的自動調節和優化。同時，還可以將設備信息、能耗數據和管理指標等實時傳輸到云端平臺，實現全面的設備遠程監控和數據分析，從而實現智能化的設備運行管理。

3）提高管理效率

通過BIM 技術實現設備的三維建模和模擬，可以快速準確地獲取設備的運行狀態和能耗數據，實現對設備的全面監控和管理。同時，物聯網技術的應用可以實現設備信息和能耗數據的實時收集和傳輸，實現全面數據化的設備管理和優化調度。

4）促進產業升級

通過BIM技術實現設備的全面數字化管理和優化調度，可以提高設備管理的水平和技術含量，為產業的發展提供技術支撐和創新動力。同時，物聯網技術的應用可以實現設備信息和能耗數據的實時傳輸和共享，為產業的數字化轉型和信息化升級提供了支持和保障。

3 基于BIM 與物聯網技術的建筑設備節能管理系統

3.1 系統框架

基于BIM和物聯網技術設計了一套建筑設備節能管理系統，其系統架構如圖1所示。

圖1 系統框架圖

設備層主要通過傳感器和電能計量裝置對建筑內部環境和建筑設備耗能情況進行實時監測，并通過控制器執行處理層得出的優化策略，控制設備運行，以達到節能的目的。傳輸層負責將設備層采集的數據通過云平臺傳輸到處理層，確保數據的實時性和穩定性。處理層基于BIM模型和數據分析技術對采集的數據進行處理和分析，識別建筑設備的能源使用規律，制定用電優化控制策略。應用層提供用戶界面，使用戶可以在三維模型和可視化報表中查看建筑設備的運行狀態、能源消耗情況，生成能源報告等。

3.2 系統功能

①數據采集與處理：利用物聯網技術，對建筑設備進行實時監測，采集設備運行數據，并對數據進行處理，得出設備的運行狀態和能耗信息。

②能耗分析與評估：基于采集的數據，利用BIM技術對建筑能耗進行模擬分析，評估建筑的能源消耗情況，并提供相應的能耗分析報告。

③能源管理優化：基于能耗分析結果，針對能源消耗高的設備或區域，提出相應的優化措施，如設備的優化運行策略、能源消耗的控制和調節等。此外，還可以通過機器學習等方法，預測建筑設備的故障情況，提前進行維護和修復，減少能耗和維護成本。

④數據可視化與管理：將采集的數據進行可視化處理，并提供數據管理功能，包括數據的存儲、查詢、管理和導出等。

⑤建筑信息集成：將建筑設備節能管理系統與BIM 模型集成，實現建筑信息的綜合管理和數據共享，提高建筑設備節能管理效率。

⑥智能化控制：基于物聯網技術和BIM模型，實現建筑設備的智能化控制，包括能耗自適應調節、智能控制等，提高建筑設備節能效果。

3.3 具體實施

本文以廣西某院校的實訓樓為例，說明具體的實施過程。該實訓樓建筑面積為18000m2，共有5層，包含教研室、實訓室、多媒體教室、計算機房、走廊、廁所、風機房等不同類型的空間，需要進行節能管理的建筑設備包括包括照明、空調等系統的設備。

1）收集建筑及其內部設備的相關信息，安裝物聯網設備

收集實訓樓的土建信息和設備信息，土建信息可從施工圖獲得，設備信息包括設備的類型、數量、幾何形狀、構造、位置和屬性等信息，可通過查詢設備說明書以及現場統計獲取。根據需要采集和控制的參數，安裝合適的計量儀表、傳感器、執行器等物聯網設備。其中，計量儀表用于采集建筑設備的用電信息和運行狀態，包括設備的功率、運行時間、工作狀態等信息；傳感器用于采集大樓內部的溫度、濕度、光照等信息；執行器用于控制建筑設備的運行。

2）建立BIM模型

在Autodesk Revit 軟件中分層分專業建立實訓樓的BIM模型，主要包括建筑模型和機電模型，然后進行模型檢查和整合。其中，在Revit軟件中創建與實際設備相對應的模型，需要按照實際的設備布局和管路連接關系進行構建，并且將表示計量儀表和傳感器的構件按實際位置展示在BIM 模型中，如圖2所示。

圖2 實訓樓BIM模型（整體和局部視圖）

3）數據采集與傳輸

使用計量儀表和傳感器采集能耗數據和環境數據，通過無線網絡和有線網絡將采集到的數據傳輸到數據中心的數據庫。

4）數據分析和處理

首先對數據庫中的數據進行清洗和處理，以確保數據的準確性和完整性，然后通過統計分析、模式識別、回歸分析等方法進行數據分析，識別建筑設備的能源使用規律，并結合建筑信息建立設備的能耗模型。例如，可以分析不同設備的用電量、用電時間分布、峰谷用電差異等指標，識別出耗電較大的設備、能源消耗的高峰期等信息，找出能源消耗的規律和問題。

5）生成數據可視化報表

通過數據可視化技術，將分析結果以圖表、報表等形式呈現出來，使建筑設備的能源使用規律更加直觀和清晰。例如，可以制作能源使用趨勢圖、設備用電排名表等報表，以及能源消耗的熱力圖、設備能效分析圖等圖表，幫助決策者更好地了解建筑設備的能源使用情況和規律。

6）制定節能管理策略

根據數據分析和處理的結果，制定相應的節能管理策略。例如，根據環境參數數據分析，調整空調設備的運行時段和溫度等參數，降低設備功率，增加設備能效。此外，還可以針對設備的運行狀況，制定維護和保養策略，延長設備的使用壽命。

7）模擬設備運行

通過BIM插件模擬不同節能優化方案下建筑設備的運行狀態，評估不同方案對能源消耗的影響，并分析其經濟效益和環境效益，從而得出最優方案。這個步驟可以避免實際操作中因為設備運行狀態的復雜性和不確定性帶來的風險，同時還能提供更加全面和準確的分析結果。

8）實施節能控制

根據最優的節能管理策略，通過控制器實現建筑設備的遠程控制，對建筑設備進行優化調度控制。例如控制空調設備的開關、溫度、濕度等參數，并在這個過程中監控設備的能源消耗情況，不斷調整優化控制策略，實現建筑能源的節約和優化。

4 結語

目前，基于BIM 與物聯網的建筑設備節能管理技術仍處于探索和發展階段，存在一些挑戰和問題。例如，在傳感器和控制器的選擇、部署和維護方面，需要充分考慮設備的類型和特點，以及數據采集和傳輸的可靠性和安全性。同時，基于物聯網的數據分析和優化控制也需要充分利用大數據和人工智能等技術，提高數據處理和決策的精準度和效率。

未來，隨著新技術的不斷發展和應用，基于BIM與物聯網的建筑設備節能管理技術將會得到進一步完善和推廣。同時，該技術還可以與智能建筑、可再生能源等領域相結合，形成更加全面和綜合的建筑節能管理解決方案，為實現綠色建筑和可持續發展做出更大的貢獻。