物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑能耗預測系統中的應用

摘 要：在保證建筑使用舒適度的情況下，為對建筑電力能耗情況實(shí)時(shí)監測與預測，本研究探索基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗感知預測系統的建設方法，提出系統架構及相關(guān)配置情況，闡述系統的典型應用，為能耗感知預測系統的研發(fā)提供思路，助力實(shí)現建筑運行過(guò)程中節約能耗、提高能源使用效率的目的，提高現代化城市管理能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ；建筑能耗預測 ；能耗監測系統

1引言

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展與人口數量的增加，人們對能源的需求也急速增長(cháng)，統計結果表明，全國建筑全過(guò)程能耗與碳排放變化總體上呈現出一致性的階段性特點(diǎn) ，2005 年~2019 年 ，我國建筑的全過(guò)程能耗由9.34億噸標準煤上升22.3億噸標準煤，年均增長(cháng)率 6.3%，建筑全過(guò)程碳排放由 22.34 億噸二氧化碳增 長(cháng) 到 49.97 億 噸 二 氧 化 碳 ，年平均增長(cháng)率為5.92%，其中 ，2019 年建筑運行階段碳排放 21.3 億噸，占全國碳排放的21.6%，雖然年均增長(cháng)率逐漸放緩，但是建筑運行過(guò)程中能源消耗依然占很大比重，因此，建筑物的能耗監測與預警成為眾多學(xué)者的研究對象。胡瑩堅[1] 為避免地下室中布線(xiàn)困難等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于 LoRa 技術(shù)的建筑物能耗監測系統；陳輝[2] 以建筑物耗能特點(diǎn)為研究對象，在建筑物節能標準中提取影響能耗的主要因素，并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法對建筑物能耗仿真，提高建筑物能耗評估的智能度；侯驍虎[3] 以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)與軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)為實(shí)現手段，結合當前國內外高校在能耗監測應用系統開(kāi)發(fā)與應用方面所積累的經(jīng)驗，為某高校開(kāi)發(fā)了校園能耗監測綜合管理平臺。開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力能耗感知預測系統，對建筑物電力能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)預測和監控，存儲過(guò)往歷史數據，預測用電高峰期與低谷期，實(shí)現電力資源的“削峰填谷"，可以有效提高能源的使用效率，減少能源浪費。

2建筑能耗感知預測系統

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

21世紀以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為我國信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要通過(guò)前端設備的布置，將采集到的信號與網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接，通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)方式將信號實(shí)時(shí)傳輸[4] ，實(shí)現對物體的有效定位、識別等功能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構主要分為三層，即：感知層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層[4] 。感知層依靠安裝布置在物體上的傳感器設備，對物體信息采集與發(fā)送，網(wǎng)絡(luò )層在接收到信息后，使用互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)將信息傳送到應用層，通過(guò)應用層對信息進(jìn)行智能處理，實(shí)現物體實(shí)時(shí)監控或控制的智能化管理體系。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和通信技術(shù)的進(jìn)步加快了我國智慧城市的發(fā)展進(jìn)程，建筑能耗感知與預測作為智能建筑的重要分支，也將得到更加廣泛的應用。

2.2系統架構

建筑能耗感知預測系統主要依托于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智慧城市管理平臺（見(jiàn)圖1），整體系統架構根據物聯(lián)網(wǎng)基本架構分為感知層、傳輸層和應用層三部分，應用層依據系統實(shí)際應用功能分為能耗數據管理子系統及能耗預測子系統兩部分。

本文研究對象為建筑物的電力耗能，能耗管理子系統對建筑物已發(fā)生的耗能進(jìn)行有效記錄與存儲，能耗預測子系統根據傳感設備采集到的預測指標對建筑物能耗進(jìn)行預測，便于建筑管理人員對能耗進(jìn)行有效把控。

3系統功能

3.1能耗感知模塊

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的本質(zhì)是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現物與物之間的相互連接，并實(shí)現物與物之間的信息聯(lián)通和交互[5] 。建筑物能耗的實(shí)時(shí)感知依賴(lài)互聯(lián)網(wǎng)設備的布置，能耗數據通過(guò)傳感器設備采集后，利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)傳輸到服務(wù)器，服務(wù)器將數據進(jìn)行處理后存儲在后臺數據庫，并在能耗管理平臺展示能耗情況。

傳感裝置用于采集各類(lèi)數據，包括能耗監測數據和環(huán)境監測數據，能耗監測數據用于建筑物能耗實(shí)時(shí)感知，環(huán)境監測數據用于能耗預測。能耗感知模塊會(huì )對房間的能耗實(shí)時(shí)監測對比，當房間內的耗能超過(guò)歷史消耗能耗的高值時(shí)，則會(huì )在系統頁(yè)面對建筑管理人員提示，建筑管理人員不僅可以查看能耗實(shí)時(shí)數據，還可對歷史數據進(jìn)行分類(lèi)篩選、搜索等操作，便于管理人員的決策。

3.2 能耗預測模塊

能耗預測模塊配合能耗管理系統，根據歷史數據對建筑物未來(lái)能耗進(jìn)行準確預測，合理優(yōu)化用電配置，減少建筑用電浪費和碳排放。本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集能耗預測所需指標 ，構建 BP（Back propagation 反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行建筑物能耗預測，其基本流程如圖2所示，通過(guò)傳感器采集室外溫度等所需信息，將采集到的信息傳輸到管理平臺，將模型數據擬合后便得到建筑能耗預測結果，將結果返回用戶(hù)界面。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，基于下降法進(jìn)行求解[6] ，能夠模擬人的思維模式對機制進(jìn)行學(xué)習，被廣泛地應用于建筑領(lǐng)域的能耗預

測。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )包括輸入層、隱含層與輸出層，在本研究當中，輸入層指標包括建筑面積、室外溫度、空調維持溫度以及人員密度四個(gè)指標，經(jīng)過(guò)擬合后得到建筑物耗電量結果，即輸出層，其神經(jīng)元個(gè)數為一，而隱含層的神經(jīng)元個(gè)數是通過(guò)算法訓練過(guò)程中的不斷調整達到優(yōu)的。

本研究中算法的訓練數據為天津市中新生態(tài)城某幼兒園的歷史數據，數據集溫度覆蓋-8%至32℃，基本滿(mǎn)足全年所有工況。算法訓練完成后進(jìn)行封裝，在進(jìn)行能耗預測時(shí)將建筑面積、室外溫度、空調維持溫度以及人員密度四個(gè)指標輸入算法，算法經(jīng)過(guò)擬合計算后得到建筑能耗預測結果，并將結果返回用戶(hù)界面，如圖2結果輸出部分所示。

4系統典型應用

4.1 信息存儲功能

智慧城市管理平臺后臺內置數據庫，存儲建筑能耗歷史數據，便于管理者查詢(xún)使用的同時(shí)，可用于算法訓練優(yōu)化迭代。

4.2 信息查詢(xún)功能

可以按照時(shí)間段對能耗數據進(jìn)行查詢(xún)篩選，同時(shí)，還可以按照能耗量篩選數據，便于管理者分析歷史數據，合理制定能源使用策略。

4.3 能耗異常預警功能

系統可對能耗實(shí)時(shí)感知，并與歷史平均數據進(jìn)行對比，若出現過(guò)高或過(guò)低的異常情況，則在管理平臺中顯示警報，提示建筑管理人員對該建筑或房間的能耗情況進(jìn)行調查。

4.4 能耗預測功能

構建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，使用物聯(lián)網(wǎng)設備采集相關(guān)指標，自動(dòng)預測耗電量，得到某一房間或建筑的預測耗能，給建筑管理人員的能源分配決策提供指導。

5 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)提供能源物聯(lián)網(wǎng)數據服務(wù)的平臺。用戶(hù)僅需購買(mǎi)安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數據服務(wù)。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語(yǔ)言、多終端數據訪(fǎng)問(wèn)。

（2）應用場(chǎng)所

本平臺適用于公寓出租戶(hù)、連鎖小超市、小型工廠(chǎng)、樓管系統集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運維等領(lǐng)域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實(shí)現對各種監測數據的查詢(xún)、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實(shí)現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進(jìn)行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢(xún)供配電室內各設備運行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數，并根據實(shí)際情況進(jìn)行日報、月報和年報查詢(xún)或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)，實(shí)現從能源數據采集、過(guò)程監控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過(guò)程的自動(dòng)化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過(guò)程有機結合起來(lái)，運用先進(jìn)的數據處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線(xiàn)生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現全廠(chǎng)能源系統的統一調度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達到節能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶(hù)及權限分配，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進(jìn)行配置；

3）用戶(hù)管理：對商鋪用戶(hù)執行開(kāi)戶(hù)、銷(xiāo)戶(hù)、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢(xún)等操作；

4）售電管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢(xún)等操作；

5）售水管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售水、退水、記錄查詢(xún)等操作；

6）報表中心：提供售電、售水財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢(xún)，本系統所有的報表及記錄查詢(xún)，都支持excel格式導出。

預付費看板

充電樁管理

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監控、運營(yíng)分析、基礎數據管理等功能。

智能照明

智能照明通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地數據監測，也可以實(shí)現定時(shí)開(kāi)關(guān)策略配置及后臺遠程管理和移動(dòng)管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節能減掛的效果。

監控頁(yè)面

安全用電

安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發(fā)電氣火災的主要因素（導線(xiàn)溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發(fā)現的各種隱患信息及時(shí)推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實(shí)現第一時(shí)間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實(shí)現“防患于未然"的目的。

智慧消防

通過(guò)云平臺進(jìn)行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現科學(xué)預警火災、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責任監管等目標。補充了原先針對“九小場(chǎng)所"和?；飞a(chǎn)企業(yè)無(wú)法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實(shí)現了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現智慧消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統化"、用電管理“精細化"的實(shí)際需求。

（5）系統硬件配置

6結論

綜上所述，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步和智慧城市的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構建建筑物能耗感知預測系統，可以使建筑物能耗可視化、存儲歷史數據、賦能城市管理水平、提高建筑管理能力以及能源使用效率。

參考文獻

[1] 于佳怡，周銳，鐘偉.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑能耗感知預測系統中的應用探析

[1] 胡瑩堅.基于LoRa技術(shù)的建筑物能耗監測系統在人防地下室中的實(shí)現[J].現代建筑電氣，2020，11（8）：28-30.

[2] 陳輝.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )分析的建筑物耗能仿真模型分析[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2022，40（1）：13- 15+138.

[3] 侯驍虎 . 高校校園能耗監測綜合管理平臺的設計與實(shí)現

[4] 企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.0