物聯網技術在建筑節能中的應用研究

摘 要：物聯網作為具有特殊戰略意義的新興產業，隨著國家農業和農村信息化的快速發展，已廣泛應用于眾多關鍵領域。據相關研究顯示，我國大型公共建筑的能耗持續處于國家監測的高位，僅占城市建筑總面積不足4%的建筑卻消耗了高達22%的城市建筑能耗。當前，我國部分建筑的空調和通風等能耗已占據國家總能耗的1/3。面對這一嚴峻形勢，物聯網技術的應用顯得尤為重要。它不僅可以為人們的生活提供便利，更在很大程度上有助于降低我國的能耗問題。

關鍵詞：物聯網；建筑節能；技術應用文章編號：2095-4085（2024）03-0028-03

0 引言

當前，我國建筑行業的耗能已經占到了全社會終端能耗的27%。在我國，農村建筑面積超過了400億m2，其中有95%以上的建筑屬于高耗能建筑。為應對建筑節能的挑戰，我國持續開展相關研究，并將互聯網技術融入其中。通過運用這種技術，我們能夠實時監測能耗狀況，并迅速作出相應的調整，從而實現更高效的能源管理。目前，我國大型公共建筑約有5億m2，年耗電70～300k/wh，僅占城市建筑能源總量的22%，但該比例僅占城市建筑能源總量的4%。目前，我國城市住宅的采暖、空調、通風和照明等能源消費已占到城市建筑能源總量的30%。當前，我國在建筑能耗監控與調控方面仍存在明顯不足，這是導致建筑能耗長期偏高的重要原因之一。

以感知和智能為特點的新技術的涌現和相互融合，使未來信息技術的發展從人類信息主導的互聯網轉向了物與物互聯信息主導的物聯網。物聯網技術的快速發展，將大大提升人們與現實世界的相互作用，給人們的生產和生活帶來巨大的變革。尤其是在通訊、傳感等技術不斷進步的今天，感知技術日益成熟，使得感知節點的制造成本已經達到了可以大規模推廣使用的程度。將物聯網技術運用到建筑節能中，對建筑進行信息采集、傳輸及數據融合處理，對提升建筑智能化程度，實現對建筑能耗的精細化監控，促進建筑節能減排，都有著十分重要的作用。

1 物聯網技術的概述以及在各行業的應用

物聯網技術在農業和日益信息化的農村中應用，可以準確地掌握農業市場信息，實現對物品的智能管理和遠程監控。在我國的農業產業中，物聯網技術已經得到了廣泛應用，并取得了一些進展［1］。

隨著傳感和通訊技術的不斷進步，物聯網被視為未來最具前景的技術之一，并有望成為本世紀最具影響力的重大科學技術。物聯網基本上就是一些“物體”或者能夠通過網絡進行通信的智能物體所構成的應用與服務。這是一種智能化的網絡，目的在于為那些無所不在的智能化物體提供一種沉浸式的聯系。物聯網可以將各個廠商的設備連接起來，為最終的用戶提供最大的效益。而互聯網又是物聯網中信息傳輸的核心載體。

物聯網技術引領著新一輪的信息化浪潮，在智能化樓宇中具有廣泛的應用前景。物聯網技術必須發展到一定階段，才能與云計算技術完美結合，從而實現真正意義上的普及。從眾多建筑物和系統中收集的大量且無處不在的數據具有可用性和計算兼容性，因此需要對其進行深入的分析和挖掘。通過這種方式，可以實現對物理世界精確、快速和智能的管理與控制，進而實現智能化。這將極大地提升能源效率和生產效率。物聯網的快速發展，迫切需要云技術的支持。云計算的平臺管理技術，可以讓分散在各地、數目龐大的服務器互相協作，便于商業部署和執行，從而以智能方式保證大型系統的可靠運轉，達到資源共享的目的［2］。

2 建筑節能的未來走向

（1）在大型的公共建筑物中，最常使用的就是建筑物的自動化系統。利用建筑物的自動化與控制網的數據通信協議和歐洲的設備安裝總線的協議，來確保建筑物中公用機械設備的正常運轉。雖然建筑系統自動化技術已經得到了廣泛應用，但是依然存在著一些困難，比如，建筑內電氣設備的布線成本較高，安裝復雜。而且，在建筑物系統自動化的其它方面，仍存在著一些問題。比如，不能完全地獲得建筑物在能耗過程中的具體數據，這樣，就不可能使建筑物內部的耗能系統達到最優。因此，一種更低成本、更低能耗、更大范圍、更方便管理的網絡通信技術誕生了［3］。

（2）從部分報道中可以看出，若將 WSN技術應用于照明系統，則可以減少約30%的能耗。另外，有幾家生產單位，已經開發出了一整套基于無線傳感器的網絡化的照明控制產品，通過對照明系統的遙控和自控，可減少照明系統的能耗。

3 物聯網技術在生活中的應用

（1）溫濕度采集裝置、空調監控器和人體位置采集裝置是中央空調監測子系統中的重要部件。溫濕度采集裝置的作用是采集一定范圍內的溫度，并把采集到的數據信息傳送到空調監視器，可進一步地將當前溫度與之前預備設置的溫度相比較；人體位置采集裝置可以向空調監控裝置提供建筑區域的人員信息，并且可以通過相關的數據進行分析，從而可以適當的調節運行模式，保證空調的正常運行。

（2）在電梯運行方面，互聯網的投入很大?；ヂ摼W在電氣運行中起到數據監測以及信息控制的作用，可以及時了解乘坐電梯人員的狀況和相關的運行情況，從而保證運行順暢，還可以及時知道電器在運行中所消耗的能量。在此基礎上，提出一種基于智能優化的電梯控制系統，可以達到節能降耗的目的［4］。

（3）電能表數據的采集是一項比較繁瑣的工作。在現實生活中，為了能夠更好地解決對電表數據的采集和傳輸，可以采用為電表接入無線通信模塊，或者是連接無線數據采集器的方式，對電表進行遠程數據的采集，并逐漸構建出一套電力抄表的體系。

（4）從現實生活的需求出發，在對建筑耗能系統的監測過程中，要對數據的采集功能不斷的進行更新和改進。其中，數據采集點占比很大，它的功能是對建筑過程中的施工溫度以及所消耗的電量進行及時的監測，并且在用電量過高或者溫度過高的情況下發出預警來提示相關施工人員。因為電梯在運行過程中是不能停止的，可以通過中斷的方式來采集數據。并且，終端節點大部分都是未工作的，所以，可以通過電池來為其供電。

4 基于物聯網的建筑能耗測控系統

4.1 建筑能耗測量與控制系統

在建筑能耗測量與控制系統中存在著大量的數據采集節點，也就是系統中的終端節點。終端節點可以定期地對環境溫度、電能表電量等進行采集，也可以采用中斷的方式，比如電梯的起停動作。在大多數情況下，終端節點都是處于睡眠的，所以可以使用電池作為電源［5］。

在此基礎上，可以采用新的物聯網技術，比如，在不需要考慮睡眠的情況下，也可以對終端節點進行控制。在建筑監控中心，施工人員可以將相關的控制數據進行統一整理，將其全部匯集到監控中的綜合分析子系統軟件中，通過此軟件將數據進行統一采集，再向監測中心發出信號，然后通過數據采集網關對各個監測子系統進行監測。能耗的監測與控制是實現建筑節能的前提，不僅是為了降低和控制能耗，更是以相關的技術手段為基礎，對能耗資源進行統一管理。目的是為了對建筑物的耗能情況及時監測，并對不合理的用電情況進行分析，找出更高效的用電方式，針對相關的用電措施不斷的進行更新，從而達到預期的效果。

在該系統的感知層，針對建筑物內部設置了多種分項能耗測量設備，分別對建筑物的照明、空調、辦公、給排水設備、電梯等能耗進行采集，并在網絡層和傳輸層進行了數據的采集和傳送，最后將這些數據傳送到當地的物業管理中心，從而達到對建筑能耗進行在線監控和動態診斷的目的。同時還可以對設備進行最優的利用，同時還可以對物業進行收費。根據當地政府的相關政策，可以將監測到的數據通過互聯網的形式保存到相關職能部門的系統當中，相關部門對于這些數據進行統一處理和分析，從而可以獲取到建筑物的耗能情況，從中尋找能量效率提高的關鍵點，并提出相應的節能對策。

4.2 建筑測控系統性能劃分

本系統包括空調墻控制器、溫濕度傳感器、人體姿態傳感器等。溫濕度采集器的任務是采集小區內的溫度和濕度，并將這些溫度和濕度信息傳輸給空調機，使空調機按照設定的溫度和濕度來調節空調機的運行；人體位置采集器是將人體位置信息反饋至空調控制系統，以輔助空調設備做出適當的調整， 與物聯網的關鍵技術相結合，以無線傳感器網絡中間件為基礎，對智能建筑中的設備進行監測，利用在空調設備和管網中安裝的感知部件，可以獲取各種環境狀態的動態信息。在此基礎上，利用該系統對建筑內的空調系統進行全面、合理的調整。這些耗能設備能夠調節環境狀態，從而為用戶提供舒適的環境體驗。用戶可以通過監測所有設備的工作狀態和環境變量信息，來控制耗能設備［6］。

照明控制系統是安裝于建筑物之內，相關工作人員在安裝過程中應該對安裝的位置和方位有著精確的計算。在實施安裝時，要對整個房間的亮度進行及時的監測，并對不同情況下的電能進行及時的監測和采集，通過對燈具的控制來調節室內的亮度。

升降機控制子系統是利用升降機數據采集器，對升降機的工作狀況進行實時監控，并對升降機進行最優控制，以達到降低升降機能耗的目的。在電能表中添加無線通信模塊，或者直接用無線數據采集器與電能表連接，這樣就能夠實現對電能表數據的遠程采集，組成一個電力抄表子系統，從而實現對電能表數據的自動采集和遠程傳輸。

綜合分析子系統不僅能夠對建筑的能耗情況進行實時統計，還能夠對其進行優化控制，并可以對中央空調、照明、電梯等系統進行遠程控制，從而將建筑的使用能耗和運營成本降到最低。

5 建筑節能的控制策略

（1）運用物聯網技術，對能源和排放的系統設備展開一定程度的改善和限制，這是根據我國對能源和排放多方面的整理和分析而得到的結論。所以，對建筑物進行全面的節能控制成為一項重要工作。在建筑通風與空調節能的分項工程中，對水管、風管的保溫層的溫差進行了某種程度的自動檢測，并對室內各部分的空調用電進行了計算、統計，并設置了自控裝置［7］。

（2）在空調的供暖系統中，在供暖系統的冷、熱兩個子項的節能工作中，進行了一些科學的試驗。并將該方法應用于公共建筑的空調節能實踐，進行了實例分析。在試驗區中，該空調系統采用了以冰蓄冷及城市蒸汽為主的四管空調系統。一是全空氣空調器，采用房頂空調器作為冷熱源；二是在教學展示中心設置地源熱泵，利用不同的冷媒流量，實現多個不同類型的中央空調；三是對工藝過程中的動態過程進行監測和記錄，以調整工藝過程中的分配。

（3）在進行電力檢測和控制節能的項目中：1）對各電源分路進行檢測、計量，根據不同的線路要求，選用不同的智能電表。2）在100 A以上的開關容量時，應配備與之相適應的電流互感器，并使用CT接線進行軟測量，最終，將智能電表與智能數據按照網關的要求，可以使用“總線式”掛接。

（4）在可再生能源項目、雨水利用項目和污水處理項目中：1）對太陽能熱水系統進行智能檢測；對供、回水進行動態監測；并對太陽能光伏發電變換后的電能進行實時監測。2）在雨季的使用項目中，記錄并控制集水槽、水管、水泵、噴灌系統，使雨季的使用在某種程度上達到最大化。3）對排出污水的客井、調水池、反應池、污水升降管道等，進行一些動力測試，主要有：潛污泵、流量計、管道攪拌器、PH值計數泵、加藥裝置及計量泵?？梢宰審U水得到更好的再利用，也可以讓廢水得到合理的排放［8］。

6 結語

當前，我國住宅及公共建筑能耗一體化管理的水平還比較低。利用物聯網技術，并與各種傳感器相結合，能夠很容易地對各個區域的照明和空調使用情況進行統計。再加上對人員位置以及周圍環境的檢測，就能夠更有效地對照明和空調的參數進行控制，從而節省大量的能源。在物聯網應用中，建筑節能是一個熱點，并將在今后的物聯網市場中占有較大份額。這一技術的出現，能夠有效地降低我國建筑領域對能源的需求，提升產品質量，從而更好地實現企業效益。因此，將物聯網技術應用于我國工業建筑的節能減排，是一項十分重要的課題。

參考文獻：

［1］王忠鋒，張連領.物聯網技術在建筑節能中的應用研究［A］.中國儀器儀表學會2010 年學術產業大會論文集［C］.2020：24-33.

［2］鮑向陽.物聯網技術在綠色公共建筑中的節能應用［A］.第三屆夏熱冬冷地區綠色建筑聯盟會議論文集［C］.2023：24-33.

［3］鄭夏翊，李惠萍，駱王成，等.物聯網技術在項目質量安全管理中的應用［J］.土木建筑工程信息技術，2013，5（2）：101-106.

［4］肖晟.樓宇自控系統節能的瓶頸及建筑節能的有效策略［A］.中國建筑業協會智能建筑分會2021年年會暨2022智能建筑行業發展論壇論文集［C］.2023：45-65.

［5］邵珠虹.物聯網環境下建筑用電設備的故障診斷與節能研究［D］.濟南：山東建筑大學，2012（9）：78.

［6］張健.基于物聯網技術的熱能能耗監控系統設計與實現［D］.廈門：廈門大學，2022：34-56.

［7］劉紹軍.淺談建筑節能在我國的發展現狀及前景分析［J］.山西建筑， 2010，36（16）：226-227.

［8］李穎，謝紅橋.我國建筑節能任重道遠［J］.上海建材，2010（2）：17-18.