物聯網技術的建筑電氣節能研究的論文

　　【摘要】隨著物聯網技術的發展，建筑電氣的節能研究又有了新的思路。本研究提出采用ZigBee網絡通訊技術，利用“物聯網”組建智能電網能源管理系統進行電氣節能，并對該系統所屬的環境監測子系統、中央空調控制子系統、照明控制子系統、新風控制子系統、遠程抄表子系統、家庭能源管理子系統和光伏發電子系統等各個子系統的節能應用進行了闡述。

　　【關鍵詞】物聯網；建筑電氣節能；ZigBee網絡技術；能源管理系統

　　1引言

　　電力已與我們的日常生產、生活息息相關，并隨著人類社會和經濟的發展，全人類對電力的需求呈現持續遞增的趨勢。居民側用電量占社會總用電量的36.6%，但研究表明該領域的用電效率低，浪費嚴重[1]。缺乏對居民側建筑能耗監測和控制，是導致建筑能耗居高不下的重要原因。如何擺脫建筑電氣粗放型用電，實施精細化用電、節電是研究者需要解決的問題。隨著2009年國家提出“感知中國”的概念，“物聯網”被列為我國新興戰略性產業之一。物聯網技術的發展對建筑能耗的監測和控制起到關鍵作用，物聯網技術的使用為提高居民側用電效率、實現建筑電氣節能減排提供了新途徑。

　　2建筑電氣節能的研究現狀

　　截至2016年2月，在CNKI中以“篇名”為檢索項，以“物聯網”為檢索詞進行初級檢索，再在結果中以“節能”為檢索詞進行二次檢索，共檢索到相關文獻40篇。經過初步分析，這些研究首先主要集中在建筑電氣具體方面進行探討，涵蓋了隧道、高校教室、機房、圖書館、自習室、辦公樓宇等建筑電氣方面的節能；其次這些研究多是從建筑電氣整體角度出發對節能效果進行評測、跟蹤檢查、優化仿真研究；再者這些研究是從物聯網智能節能系統、物聯網技術的數據處理、物聯網智能本身創新、改進、安全方面進行探討。通過對這些文獻的分析發現，許多文獻中都強調了新技術、新材料的應用，如使用室內環境溫濕度監測與節能系統、智能照明系統等新技術，使用LED節能燈具、真空保溫玻璃新材料；不過這些節能新技術之間是相互獨立的，也沒有考慮到變壓器運行損耗，沒有形成一個一體化的節能系統和管理平臺。本文提出采用ZigBee網絡通訊技術，利用“物聯網”組建智能電網能源管理系統對建筑能耗進行優化和打點，分類管理進行節能。

　　3物聯網技術條件下的建筑電氣節能相關技術

　　3.1物聯網定義及構架目前，在國內較為多見的“物聯網”定義為：物聯網是指利用各種信息傳感設備，如射頻識別裝置、紅外傳感器、全球定位系統、激光掃描等種種裝置與互聯網結合起來而形成了一個巨大網絡，其目的就是使所有物品都與網絡連接在一起，使得識別和管理更加方便。可以看出，物聯網是一個物-物相連的互聯網，將成為新一代信息技術的重要組成部分[2]。從通信過程和對象的視角看，物聯網的體系構架由全面感知層、可靠傳遞層和智能處理層三個層面構成[3]。全面感知層利用各種可用的感知手段實現物體動態的即時采集，可靠傳遞層通過各種信息網絡與互聯網的融合將感知的信息實時、準確可靠地傳遞出去，智能處理層利用云計算等智能計算技術對數據和信息進行分析和處理[4]。3.2物聯網構架下的建筑電氣節能采用ZigBee網絡通訊技術，利用“物聯網”組建智能電網能源管理系統。通過物聯網、云計算搭建的“智慧能源云管控平臺”，對一棟建筑以致一個小區的建筑群進行建筑能耗的優化和打點，能更好地實現節能減排，無需對建筑做結構上的節能改造。因為對建筑電氣的節能主要是提高建筑中的能源利用效率，即在采暖、空調、熱水供應、照明、家用電器、新風系統、監控安防、新能源汽車、光伏發電等方面進行能耗的節約，其中以空調系統、動力系統和照明在建筑使用方面占據了很大的比重。將一棟建筑或者建筑群按照能耗進行分類，利用物聯網組建的能源管理系統將其分為不同的控制子系統，如圖1所示。通過動態監控和實時的數據統計、分析，更全面的掌握能源消耗情況，從而進行更好的資源利用。與相對成熟的樓宇自動化系統相比，采用ZigBee網絡的物聯網技術布線成本低、方便施工、組網能力強、系統擴展性好、具備網絡自愈能力并且抗干擾能力強、功耗更低等優點，更能全面的獲取建筑在能耗過程中的詳細數據，讓建筑能耗處于最佳運行狀態。

　　4物聯網在建筑電氣節能中的應用

　　4.1環境監測子系統節能減排，監測先行。通過環境監測子系統感知建筑內不同區域的照度、溫濕度、空氣質量進行檢測，并將獲取的各項環境參數發往服務器上的中央空調控制系統、照明空調控制系統、新風控制系統、家庭能源管理子系統和光伏發電子系統中為其進行室內環境調控提供數據及參考。4.2中央空調控制子系統中央空調控制子系統接收來自環境監測子系統的環境參數，結合中央空調溫控系統閾值設置（例：低于10℃或高于26℃空調將自動開啟制熱或制冷模式），同時在空調上加裝空調節能控制器來實現對空調系統的控制。4.3照明控制子系統室內照明光源采用LED節能燈的基礎上，照明控制子系統通過在房間或工作區安裝位置和光照度采集器，將房間內的光照度信息和人員信息傳遞至照明墻控制器，由它控制照明燈具的開啟/關閉，并根據環境的光照度，通過燈具組合的方式調節照度亮度[5]。4.4新風控制子系統新風系統接收來自環境監測系統的空氣質量數據，并將接收數據與系統閾值進行綜合對比分析。在正常環境條件下，新風系統處于低能耗狀態，主要完成空氣流通功能；當空氣質量不達標，超過系統設定閾值時則啟動應急機制，包括實現大功率新風輸送以及開啟部分氧氣供給功能等。同時，不同于傳統的新風交換模式直接采用室外新鮮空氣作為氣體源，本系統采用雙向換氣式新風系統，在源空氣進入室內前通過高導熱效率材料進行熱交換，將室內欲度上降低了進入室內的新鮮空氣與原室內空氣的溫度差，從而降低了空調的使用頻率，實現了節能減排的目標[6]。4.5遠程抄表子系統通過遠程抄表系統，可以方便、快捷和可靠地實現對建筑物內各用電設備耗電量進行抄讀，并能將相關數據自動保存。可以通過抄讀的數據分析配電變壓器是處于怎樣的運行狀態、負載率是多少、是否達到了經濟運行，同時還可以分析出無功補償設備運行情況。通過該系統，管理者可以獲取綜合的能源需量統計報表和分析報告，根據日、月、年的用電量情況全面了解電能消耗情況，輔助制定并不斷優化節能方案、智能調整耗能設備的最佳運行狀態，更好的整合、利用資源、節約成本，建立有序的管理模式。4.6家庭能源管理子系統該系統將家庭用電分為三類：用電負載、分布式電源和儲能設備，其中將用電負載分為可調度負載（包括：洗衣機、干衣機、熱水器、洗碗機、電動汽車）和不可調度負載（包括：計算機、打印機、冰箱、家庭娛樂系統、照明系統、安保系統等）[7]。利用傳感器采集到的室內環境、人員活動和設備工作狀態信息，通過對這些信息的分析來對用電設備進行調度和控制，在滿足用戶舒適度的前提下減少電能消耗，提高用電效率；同時，將可調度負載盡量安排在負荷低谷期工作，起到調節電力系統峰谷差的目的，進而減少電力系統備用裝機容量。4.7光伏發電子系統隨著光能發電技術的日益成熟，居民側的分布式光伏發電將會在日照度高的地區得到較大程度的發展，尤其是在采用儲能裝置改善了電能質量，維持了整個電力系統穩定的條件下。光伏發電子系統接收來自綜合分析子系統的部分參數（如：系統用電的峰谷期），將自身發出的電能在用電量高峰時期滿足自身需求，并在高峰期時將多余的電能賣給電網，而在低谷期時將電能暫時進行儲存，這樣不但起到了削峰填谷的作用更能減少系統中的備用裝機容量，進而起到了節能的目的。

　　5結束語

　　在物聯網技術膨脹式發展和應用的今天，物聯網技術應用于建筑電氣的節能僅僅是其應用發展的一小部分。本文探討了物聯網技術條件下，應用ZigBee網絡技術組建智能電網能源管理系統后，在中央空調、照明、家庭能源管理等幾個部分的節能應用。不久的將來，物聯網將依附于超級強大的中心計算機群，以更加精細和動態的方式管理生產和生活，達到“智慧”狀態，提高資源利用率和生產水平，實現人類社會的長久發展。基金項目：本文系重慶水利電力職業技術學院科研一般項目“基于物聯網的智能建筑電氣節能方案研究”。

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