基于物联网的新型智能建筑用电节能设计与研究

李 苗

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司）

0 引言

近年来，随着以低碳环保理念为核心的节能技术在建筑领域的深入推进，低能耗建筑、近零能耗建筑、净零能耗建筑等新概念已经成为了建筑领域的研究热点，但我国在建筑节能方面的研究还不完善，工程经验也远远没有成熟［1-2］。当前我国的大部分建筑还在使用传统的开关设备，对于电能的利用十分不合理，造成了建筑用电中电能浪费现象十分严重，与我国构建经济节约和环境友好型社会的理念不契合［3］。因此对建筑用电节能设计展开深入研究是十分必要的，建筑电气节能系统的研发成为了实现建筑用电节能的有效途径［4-5］。

1 建筑用电节能设计原则

建筑电气节能设计需要遵循以下设计原则进行：

（1）绿色环保原则：必须环境保护为核心切入点，进行能源的高效运用，制定出具有经济性、可靠性、稳定性的节能系统设计方案［6］。

（2）适用性原则：建筑电气的节能设计其目的是满足用户的节能需求，但就其基本来说还是用电，不能为了单纯追求节能而不考虑用电体验，因此就要求设计师在充分了解建筑结构、负荷分布的基础少展开节能设计［7-8］。

（3）经济性原则：系统的节能设计必须与经济效益相结合，同样不能为追求节能而配置不实用的节能设备，从而导致节能经济成本的非必要增加，这样反而效果不佳，这就要求设计师综合各方面因素选择节能材料和设备，并合理配置设备位置和数量［9］。

（4）美观性原则：再充分考虑节能性和功能性的基础上，还需要加入美观性设计，同时做到节能和美观兼具。

2 系统总体方案设计

基于物联网的建筑用电节能系统，总体结构如图1所示。具体包括了如下几个部分，即无线环境监测节点、智能开关设备、通信模块。

图1 建筑用电节能系统架构

利用物联网技术构建的建筑电气节能系统集成了数据采集技术、无线通信技术、计算机技术等。将这几种先进的技术融合在一起共同完成建筑用电节能任务。

3 系统硬件方案设计

为了保证基于物联网的建筑用电节能系统正常工作，必须以稳定可靠的硬件作为基础。无线环境监测节点主要负责对空间内的光线强度、电量等数据进行采集；通信单元主要负责在智能设备和无线环境监测节点之间，构建无线传感数据通道；智能网关负责数据传输，能够将智能设备的数据向监控单元发送，也能够将相应的控制指令下发；终端控制单元不仅提供了视频监视功能，便于用户实时查看房间，还提供了人机交互界面，用于对智能开关设备和智能插排进行控制；监控单元作为整个系统的控制中心负责协调各部分进行工作；剩余两个部分是智能开关设备和智能插排；只有这些组成部分相互配合才能够保证用电节能系统的高效运转。

3.1 无线环境监测节点

无线环境监测节点主要包含了四个部分，即控制模块、电源模块、传感模块、通信模块，具体的硬件架构如图2所示。

图2 无线环境监测节点硬件架构

（1）控制模块

在无线环境监测节点中，控制模块的核心是微处理器，对于微处理器要具备处理速度快、功耗低的特点。然而通常情况下，处理速度快的处理器的功耗较高；功耗低的处理器处理速度又较慢。因此，在进行处理器选型时，要对处理速度和功耗进行合理兼顾。目前，在进行无线环境监测时，选用ATmega8L微处理器作为主控芯片，该芯片具有体积小、功耗低、运算速度快、稳定性高的特点，并且外设比较齐全，主要有串行通信接口、看门口、脉冲宽度输出等。正是基于该芯片的特点，一般会选用此芯片进行环境监测节点的设计与开发。

（2）电源模块

在进行无线环境监测节点电源模块设计的时候，必须要保证电源的连续工作性，这样就能够最大程度降低更换电池的频率，继而实现无线环境检测节点更高效的运行。电源模块分为两部分，第一部分将220V的交流电通过开关电源芯片变换成5V的直流电输出；第二部分将5V的直流电进行稳压和滤波处理，降压为更为安全稳定的3.3V直流电。

（3）传感模块

在对建筑空间内的光线强度进行监测的时候，为了最大限度保证监测精度，在无线环境监测节点的内部会配置有光线传感器、信号调理电路、模数转换器、通信总线等。通过光线传感器能够对建筑内的光线强度进行更好的采集，采集到的光线强度数据通过调理电路进行滤波、放大，在通过模数转换器将模拟量信号变换为数字量信号，最后通过总线方式进行传输，以保证数据的准确性和精度。

（4）通信模块

通信模块作为基于物联网的建筑节能系统的重要组成部分，实现无线传感网络协议和以太网协议的转换，主要包括了无线收发模块、主控模块、接口模块、电源模块四大部分。无线收发模块负责与无线环境监测节点进行通信，实现数据的接收与发送，主控模块作为智能网关的核心，负责整个网关的工作控制，完成协议的转换，接口模块负责完成与以太网之间的信息交互，电源模块负责向智能网关提供电能。

3.2 智能开关设备

在基于物联网的建筑电气节能，无线智能开关对于节能起到关键作用。因此在设计智能开关设备的时候，需要严格保证设计质量。无线智能开关中配置有无线通信模块，这个无线通信模块会与其他无线设备共同连接在无线通信网络中，这样就能够取代原有的墙壁开关，对建筑内的电路进行远程控制或自感应控制。这样住户就不需要过度关注房间电源的关闭问题了。通过手机终端就能够查看到建筑内部的电源状态，需要关闭的远程操作关闭即可。

3.3 智能网关

智能网关作为基于物联网的建筑节能系统的重要组成部分，实现无线传感网络协议和以太网协议的转换，主要包括了无线收发模块、主控模块、接口模块、电源模块四大部分。无线收发模块负责与无线环境监测节点进行通信，实现数据的接收与发送，主控模块作为智能网关的核心，负责整个网关的工作控制，完成协议的转换，接口模块负责完成与以太网之间的信息交互，电源模块负责向智能网关提供电能。

4 节能方法分析与试验论证

通常情况下，建筑用电节能系统的主要节能措施是通过对光照度进行有效控制和空调运行的控制、合理配置相关运行设备的位置，同时对可再生能源进行高效利用。

光照度是指通过传感器得到环境情况，由控制单元完成光照度计算后通过执行单元协调控制建筑内的照明系统工作，如果光照度不达标继续开启照明系统，光照度达标后关闭照明系统，进行光线调节。

首先将建筑物进行虚拟化处理，形成一个三维的坐标系，其内部的墙体、门窗、陈设等都按照一定的规则进行转化，数据都进行归一化处理，具体的计算方法如下：

其中，η为光通量；L1、L2、L3分别代表了建筑内各个位置到光源的距离；λ为建筑内举架高度与光源高度的比值；S为建筑内的面积。

任何光源的光束都是呈现发散式照射的，所以在进行光照强度计算的时候，将建筑空间认作半球体，光源发出的光与折射光垂直时，光照强度最强，约束条件为：

其中，φ为光源发出的光与折射光之间的夹角；m1、m2、m3、m4分别为建筑物内各个角落的位置。

空调控制是指通过传感器得到环境情况，由控制单元完成制冷量计算后通过执行单元协调控制建筑内的空调工作，如果制冷量不达标继续开启空调，制冷量达标后关闭空调，进行温度调节。

建筑用电能量的源头来自于发电厂，为了提高能量的利用率，可以在建筑附近配置变压器，降低传输损耗。可再生能源作为建筑用电节能研究的热点，通过将再生能源进行合理利用，以降低整体的外部能量输入，从而实现消耗的降低。

建筑物中的空间分布情况直接受到门、窗、台阶等的影响。这就导致了同样的空间大小由于空间分布原因会需要不同量的光照和制冷量，因此必须对单一空间进行单独核算得到所需要的光照强度和制冷量目标值。将以上节能方法模型应用于某高层办公建筑，并对比应用节能系统后的照明、空调、电梯等单日用电量数据见表。

表 建筑用电负荷单日用电量

从以上数据分析可知，应用节能系统后，较大程度上实现了能源的节约，提高了能源的利用率。

5 结束语

在进行建筑用电节能设计的时候，需要根据建筑的实际特点进行，在建筑用电节能系统中设计了无线环境监测节点、智能开关设备、智能插排、智能网关、终端控制单元、通信单元、监控单元等。这些设备协同配合，共同实现建筑的用电节能控制。通过软件硬件相配合完成建筑区域数据的采集，并计算得到调节量，通过调节量的变化完成建筑的节能控制。通过实际测试，本文所提出的建筑用电节能方法，完全能够保证建筑所需要的能量，又能有效降低非必要的能源消耗，可以进行大规模的推广应用，既能够保证社会效益，又能够保证经济效益。