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淺析物聯(lián)網(wǎng)技術在建筑能耗預測系統(tǒng)中的應用

更新時間：2023-09-08　點擊次數(shù)： 319次

劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

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時監(jiān)測與預測，本研究探索基于物聯(lián)網(wǎng)技術的建筑能耗感知預測系統(tǒng)的建設方法，提出系統(tǒng)架構及相關配置情況，闡述系統(tǒng)的典型應用，為能耗感知預測系統(tǒng)的研發(fā)提供思路，助力實現(xiàn)建筑運行過程中節(jié)約能耗、提高能源使用效率的目的，提高現(xiàn)代化城市管理能力。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術；建筑能耗預測；能耗監(jiān)測系統(tǒng)

1引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展與人口數(shù)量的增加，人們對能源的需求也急速增長，統(tǒng)計結果表明，全國建筑全過程能耗與碳排放變化總體上呈現(xiàn)出一致性的階段性特點，2005 年~2019 年，我國建筑的全過程能耗由9.34億噸標準煤上升22.3億噸標準煤，年均增長率 6.3%，建筑全過程碳排放由 22.34 億噸二氧化碳增長到 49.97 億噸二氧化碳，年平均增長率為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%，雖然年均增長率逐漸放緩，但是建筑運行過程中能源消耗依然占很大比重，因此，建筑物的能耗監(jiān)測與預警成為眾多學者的研究對象。胡瑩堅[1] 為避免地下室中布線困難等問題，開發(fā)了基于 LoRa 技術的建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)；陳輝[2] 以建筑物耗能特點為研究對象，在建筑物節(jié)能標準中提取影響能耗的主要因素，并建立神經(jīng)網(wǎng)絡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、傳感器技術與軟件開發(fā)技術為實現(xiàn)手段，結合當前國內(nèi)外高校在能耗監(jiān)測應用系統(tǒng)開發(fā)與應用方面所積累的經(jīng)驗，為某高校開發(fā)了校園能耗監(jiān)測綜合管理平臺。開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電力能耗感知預測系統(tǒng)，對建筑物電力能耗進行實時預測和監(jiān)控，存儲過往歷史數(shù)據(jù)，預測用電高峰期與低谷期，實現(xiàn)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(tǒng)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術概述

21世紀以來，物聯(lián)網(wǎng)技術發(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)技術主要通過前端設備的布置，將采集到的信號與網(wǎng)絡進行連接，通過有線或者無線方式將信號實時傳輸[4] ，實現(xiàn)對物體的有效定位、識別等功能。物聯(lián)網(wǎng)技術架構主要分為三層，即：感知層、網(wǎng)絡層和應用層[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)絡層在接收到信息后，使用互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡等技術將信息傳送到應用層，通過應用層對信息進行智能處理，實現(xiàn)物體實時監(jiān)控或控制的智能化管理體系。

物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和通信技術的進步加快了我國智慧城市的發(fā)展進程，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(tǒng)架構

建筑能耗感知預測系統(tǒng)主要依托于物聯(lián)網(wǎng)技術以及智慧城市管理平臺（見圖1），整體系統(tǒng)架構根據(jù)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(jù)系統(tǒng)實際應用功能分為能耗數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)及能耗預測子系統(tǒng)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(tǒng)對建筑物已發(fā)生的耗能進行有效記錄與存儲，能耗預測子系統(tǒng)根據(jù)傳感設備采集到的預測指標對建筑物能耗進行預測，便于建筑管理人員對能耗進行有效把控。 1684827728186

3系統(tǒng)功能

3.1能耗感知模塊

物聯(lián)網(wǎng)技術的本質(zhì)是通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物與物之間的相互連接，并實現(xiàn)物與物之間的信息聯(lián)通和交互[5] 。建筑物能耗的實時感知依賴互聯(lián)網(wǎng)設備的布置，能耗數(shù)據(jù)通過傳感器設備采集后，利用無線通信技術傳輸?shù)椒掌鳎掌鲗?shù)據(jù)進行處理后存儲在后臺數(shù)據(jù)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數(shù)據(jù)，包括能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)用于建筑物能耗實時感知，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)用于能耗預測。能耗感知模塊會對房間的能耗實時監(jiān)測對比，當房間內(nèi)的耗能超過歷史消耗能耗的高值時，則會在系統(tǒng)頁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時數(shù)據(jù)，還可對歷史數(shù)據(jù)進行分類篩選、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(tǒng)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對建筑物未來能耗進行準確預測，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)絡進行建筑物能耗預測，其基本流程如圖2所示，通過傳感器采集室外溫度等所需信息，將采集到的信息傳輸?shù)焦芾砥脚_，將模型數(shù)據(jù)擬合后便得到建筑能耗預測結果，將結果返回用戶界面。BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，基于下降法進行求解[6] ，能夠模擬人的思維模式對機制進行學習，被廣泛地應用于建筑領域的能耗預

測。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡包括輸入層、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(diào)維持溫度以及人員密度四個指標，經(jīng)過擬合后得到建筑物耗電量結果，即輸出層，其神經(jīng)元個數(shù)為一，而隱含層的神經(jīng)元個數(shù)是通過算法訓練過程中的不斷調(diào)整達到優(yōu)的。

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

4系統(tǒng)典型應用

4.1 信息存儲功能

智慧城市管理平臺后臺內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，存儲建筑能耗歷史數(shù)據(jù)，便于管理者查詢使用的同時，可用于算法訓練優(yōu)化迭代。

4.2 信息查詢功能

可以按照時間段對能耗數(shù)據(jù)進行查詢篩選，同時，還可以按照能耗量篩選數(shù)據(jù)，便于管理者分析歷史數(shù)據(jù)，合理制定能源使用策略。

4.3 能耗異常預警功能

系統(tǒng)可對能耗實時感知，并與歷史平均數(shù)據(jù)進行對比，若出現(xiàn)過高或過低的異常情況，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行調(diào)查。

4.4 能耗預測功能

構建BP神經(jīng)網(wǎng)絡，使用物聯(lián)網(wǎng)設備采集相關指標，自動預測耗電量，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)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標準，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關，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(shù)據(jù)服務。

該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)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、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)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、電力運維等領域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設備運行（包括歷史和實時參數(shù)，并根據(jù)實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機結合起來，運用先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術，進行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)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(jié)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：管理操作員賬戶及權限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數(shù)進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

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

預付費看板

充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術，對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能。

智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術對安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實現(xiàn)定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，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(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

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，對引發(fā)電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實現(xiàn)第一時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然"的目的。

智慧消防

通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。優(yōu)化了原先針對“九小場所"和?；飞a(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應于所有公建和民建，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"、用電管理“精細化"的實際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置