淺析基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園能耗智慧監(jiān)控平臺的設(shè)計及應(yīng)用

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活質(zhì)量不斷提高，由此人們對生活和工作的智能化環(huán)境關(guān)注度也越來越高。當(dāng)下，人們對建筑消費的重點已從“硬件（裝修和耐用的消費品）"消費轉(zhuǎn)向“軟件（功能和環(huán)境品質(zhì)）"消費，如何降低保障室內(nèi)空氣品質(zhì)所需的能耗（空調(diào)、通風(fēng)、采暖、熱水供應(yīng)）成為關(guān)注熱點。狹義的建筑能耗，即建筑的運行能耗，指人們?nèi)粘Ｓ媚埽绮膳⒖照{(diào)、照明、炊事、洗衣等，是建筑能耗的重要組成。據(jù)統(tǒng)計，在建筑能耗中，空調(diào)能耗占較高比例，約為2/3，建筑能耗與工業(yè)能耗、農(nóng)業(yè)能耗及交通運輸能耗稱為民生能耗，我國空調(diào)能耗約占總能耗的22%。

隨著近幾年校園的不斷合并與擴(kuò)建，我國校園空調(diào)持有量持續(xù)上升，相應(yīng)的能耗也隨之上漲。倘若維持空調(diào)原有能效，預(yù)計到2050年，我國校園空調(diào)能耗將增長一倍以上。因此，建設(shè)建筑節(jié)能型校園是低碳綠色城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)之一。通過結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、自動控制和傳感等技術(shù)，建設(shè)校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺，包括校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺的總體設(shè)計和校園建筑能耗空調(diào)監(jiān)控模型的搭建與子系統(tǒng)的設(shè)計，從而實現(xiàn)智慧監(jiān)控，進(jìn)一步提高校園建筑能耗空調(diào)的運行效率，實現(xiàn)節(jié)能減排。

1 校園建筑能耗存在的問題

學(xué)校是我國公建節(jié)能和綠色建筑的重要領(lǐng)域，住建部發(fā)布的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五"規(guī)劃》中多次提及綠色節(jié)能校園建設(shè)。在政府大力支持與學(xué)校的積極響應(yīng)下，目前各學(xué)校都著力建設(shè)綠色節(jié)能型校園。但當(dāng)前學(xué)校節(jié)能工作仍然面臨著很大挑戰(zhàn)，存在以下問題。

（1）隨著我國城市化進(jìn)程不斷加快，以及國家對教育領(lǐng)域的大力支持與投入，隨著校園建筑面積的擴(kuò)大，以及空調(diào)、學(xué)生電腦等插電設(shè)備的使用，使得能耗問題變得較為嚴(yán)重，

造成建筑能源的很大浪費。

（2）現(xiàn)有的耗電設(shè)備智能化程度低，部分學(xué)生因節(jié)能意識薄弱，時常在離開教室或公共場所時不關(guān)空調(diào)等耗電設(shè)備，而這些耗電設(shè)備不會根據(jù)環(huán)境的變化按時段、按需求和按人數(shù)等進(jìn)行自動調(diào)整，也不會根據(jù)溫濕度、光照度的變化進(jìn)行多種控制模式的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致浪費大量能耗。

（3）現(xiàn)有校園建筑能耗監(jiān)控平臺技術(shù)水平不高。在平臺的設(shè)計中較少把能耗信息與建筑信息相關(guān)聯(lián)，且數(shù)據(jù)可視化程度不高，真正對能耗的預(yù)測與監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較少，無法實現(xiàn)節(jié)能、低耗、安全和管控等目的。

近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感技術(shù)與云計算技術(shù)等的快速發(fā)展，考慮到學(xué)校巨大的建筑能耗，建設(shè)校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺，打造綠色節(jié)約型校園勢在必行。

2 校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺的總體設(shè)計

通過高效數(shù)字化信號采集技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)通信技術(shù)，構(gòu)成了校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺，主要包括智慧用電單相模塊、智能插座、智能網(wǎng)關(guān)以及云平臺等，支持遠(yuǎn)程管理和控制，可根據(jù)控制策略實施聯(lián)動管理。校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺總體設(shè)計如圖1所示。

該平臺的設(shè)計采用物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)體系與云數(shù)據(jù)中心相連，通過無線傳感模塊對是否有人、溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用智能電源控制器實時正確地掌握空調(diào)等智能硬件設(shè)備的工作狀態(tài)，建立各類安全策略，對異常狀態(tài)及時報警，運用ZigBee技術(shù)接入智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，采用 4G，5G，WiFi，以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)接入云平臺，實現(xiàn)了在無人或人少的情況下，按時段、按需求、按環(huán)境等對智能設(shè)備進(jìn)行控制，避免無人空調(diào)未關(guān)、溫濕度適宜空調(diào)仍高速運轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，實現(xiàn)空調(diào)根據(jù)環(huán)境自動調(diào)節(jié)溫濕度等多種控制模式，達(dá)到節(jié)能降耗要求。云平臺對電量數(shù)據(jù)、能耗信息進(jìn)行了長期存儲，方便查詢，便于用戶了解用電量，實現(xiàn)對校園建筑能耗的實時監(jiān)控。

3 校園建筑能耗空調(diào)監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有校園的特點，提供兩種方式進(jìn)行溫濕度控制，即通過智能電扇控制終端來管理電扇的速度以及運行，允許遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)風(fēng)扇檔位，或通過溫濕度感知、環(huán)境智控終端及空調(diào)構(gòu)成一套溫濕度控制系統(tǒng)，如圖2所示。

3.1 空調(diào)監(jiān)控子系統(tǒng)

智慧溫濕度環(huán)境系統(tǒng)（空調(diào)）主要由溫濕度智能感知模塊、環(huán)境智控終端、無線控制模塊（可控制空調(diào)并帶有自學(xué)習(xí)功能）、學(xué)校現(xiàn)有空調(diào)組成，可以擴(kuò)充網(wǎng)關(guān)接入智慧環(huán)境管控平臺，支持移動端和 PC 端設(shè)備遠(yuǎn)程控制和管理。溫濕度智能感知模塊高速、高精度地檢測環(huán)境溫濕度后將數(shù)據(jù)傳送給環(huán)境智控終端。環(huán)境智控終端根據(jù)手動或遠(yuǎn)程配置好的控制策略進(jìn)行空調(diào)運行控制 ；無線控制模塊負(fù)責(zé)對空調(diào)設(shè)備進(jìn)行無線控制。子系統(tǒng)組成如圖 3 所示。

利用云計算技術(shù)通過云平臺實現(xiàn)對傳感模塊實時數(shù)據(jù)的 長期存儲與正確顯示，控制空調(diào)等智能硬件設(shè)備產(chǎn)生的監(jiān)測數(shù)據(jù)，方便對其進(jìn)行長期管理。

3.2 空調(diào)監(jiān)控子系統(tǒng)功能需求

（1）支持特定情況下手動設(shè)置運行溫度控制目標(biāo)，設(shè)備根據(jù)環(huán)境的真實測量值，自動控制環(huán)境溫濕度直至達(dá)到手動設(shè)定的目標(biāo)值 ；

（2）能夠自動識別教室環(huán)境的溫度、濕度，根據(jù)設(shè)置好的目標(biāo)參數(shù)自動調(diào)節(jié)空調(diào)運行，控制空調(diào)的制熱、制冷、除濕，確保教室環(huán)境始終處于恒定舒適狀態(tài) ；

（3）支持空調(diào)等設(shè)備的遠(yuǎn)程管理，可以遠(yuǎn)程配置空調(diào)管理策略，如溫度達(dá)到 32 ℃后打開空調(diào)，設(shè)置時間段關(guān)閉空調(diào)等 ；

（4）利用采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析，不斷優(yōu)化環(huán)境的控制條件，在確保環(huán)境舒適度的前提下，節(jié)約能源，優(yōu)化人力維護(hù)和管理成本 ；

（5）實現(xiàn)風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)和控制，支持風(fēng)扇遠(yuǎn)程關(guān)閉和開啟。

3.3 校園建筑能耗空調(diào)監(jiān)控模型的搭建

結(jié)合校園建筑的實際情況與用戶使用空調(diào)的行為習(xí)慣，根據(jù)建筑空調(diào)子系統(tǒng)的特征和原理，采用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。搭建的校園建筑能耗空調(diào)監(jiān)控模型如圖4所示。

根據(jù)空調(diào)的運行原理設(shè)計模糊控制器，通過分析歷史數(shù)據(jù)并與相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后建立知識庫，對可能產(chǎn)生的問題進(jìn)行預(yù)警，并對用戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷與預(yù)測，有效降低建筑能耗，實現(xiàn)校園建筑節(jié)能目標(biāo)。

4 高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監(jiān)控與運維

集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動運維， 班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

4.2后勤計費管理

采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)抄表付費管理技術(shù)，實現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計費，實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費率設(shè)置、 賬單統(tǒng)計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補(bǔ)貼方案。通過能源付費管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識。

4.2.1宿舍用電管理

針對學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時通斷功能；可進(jìn)行惡性負(fù)載識別，檢測違規(guī)電氣，并可獲取違規(guī)用電跳閘記錄。

4.2.2商鋪水電收費

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進(jìn)行預(yù)付費管理。

4.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充"信息能源結(jié)構(gòu)中是必*。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必*一部分。

4.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監(jiān)測，提供對路燈靈活智能的管理，實現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個路燈的定時 開關(guān)、強(qiáng)制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時控制方案靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。

4.3能源管理系統(tǒng)

針對校園水、電、氣等各類接入能源進(jìn)行統(tǒng)計分析，包含同比分析、環(huán)比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建筑的分類進(jìn)行采集和統(tǒng)計的各類建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類建筑耗電、教學(xué)類建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對數(shù)據(jù)分門別類的分析，提供領(lǐng)導(dǎo)決策，提高管理效能。

構(gòu)建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容及要求的數(shù)據(jù)庫，能自動完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計報告，能夠監(jiān)測能耗設(shè)備的運行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達(dá)到節(jié)能目的。

4.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動報警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對這些設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識別、定位，實時動態(tài)采集消防信息，通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。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"需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報警，再到控制聯(lián)動，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺內(nèi)運行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現(xiàn)細(xì)節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內(nèi)，相關(guān)報警和事件信息通過手機(jī)短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達(dá)相關(guān)人員。

5.平臺部署硬件選型

5.1電力監(jiān)控與運維平臺