基于建筑能耗监测管理的楼宇智能化分析

王晓晨

（国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

建筑能耗监测管理系统是楼宇智能化体系中的一个重要组成部分，其通过对楼宇中的各类设施设备进行运行能耗数据监测，可以为设备运行调控提供依据，让楼宇保持正常运行的同时，减少能耗，降低楼宇的智能化运作成本，由此满足当代楼宇智能化建设在节能减排、成本管控方面的需求，深入优化楼宇的智能化建设水平。

1 在智能化楼宇中建筑能耗监测管理的作用

就目前来看，在楼宇的智能化运行中，建筑能耗监测管理的作用主要体现在以下3 个方面。①信息透明，在楼宇的运行中，通过能耗监测管理所获得的信息会以可视化数据的形式集中展示，让管理者对各类设施的能耗情况一目了然，这有助于管理者及时发现故障带来的能耗异常问题，提高运维工作效果。②节能减排，在能耗监测管理中，通过监测太阳能等楼宇中的绿色能源设备，可以实现对绿色能源发电情况的管控，为楼宇的绿色能源互补微循环提供依据，由此更好地支持楼宇的节能减排。③强化整体管理，建筑能耗监测管理中，通过根据区域功能，对相关的用电信息进行日、月度、季度、年度的统计分析，可以为楼宇的整体设备运作管理提供依据，强化设备的整体管理。

2 基于建筑能耗监测管理的楼宇智能化建设原则

为了更好地会发挥建筑能耗监测管理的效能，需要在开展楼宇智能化建设的过程中，遵循以下4 项原则：①统一性原则，应按照整体规划，遵循统一的标准进行统一的楼宇智能化建设，确保监测管理系统能够与楼宇的整体智能化系统相匹配，为管理系统的正常运行奠定基础。②先进性原则，在楼宇智能化建设中，需要优先选用先进的设计、技术路线、测试技术、组件，为能耗监测管理运行提供有力的支持，保证管理的效率和效果。③安全可靠原则，应在楼宇系统建设中注重对安全防护、抗干扰能力、容错能力的考虑，由此塑造出安全、稳定的管理系统，让管理工作得以稳定、安全、可靠地开展。④实用性原则，楼宇的管理操作系统构建应当符合国家、国际的通用标准，且应具有操作友好、便于维护拓展的特征，以支持后续能耗监测管理的顺利开展。

3 基于建筑能耗监测管理的楼宇智能化建设策略

3.1 物联网组网策略

在楼宇智能化建设中，为了达到智慧城市的建设要求，实现智慧物联信息化建设标准化、信息化、规范化管理，需要建立基于物联网的楼宇智能管理体系，以通过对建筑进行智慧化的能耗监测管理，达到节能减排、降低运营成本的效果。为此，在基于建筑能耗监测管理的楼宇智能化建设中，需要先做好物联网组网，为后续的楼宇智能化能耗监测管理运行提供条件。

在物联网组网过程中，常用的物联网拓扑结构主要有3 种，即星状网（图1）、网状网（图2）、树状网（图3）。其中，树状网结构的开发、维护成本低、难度低，现场施工布置比较容易，同时其的信息传输能力、覆盖能力也可以满足智能楼宇的能耗监测管理需求，因此，在楼宇智能化建设中，通常会运用星状网拓扑结构进行物联网的建设。在此过程中，需基于集中控制，构建分级的网络，并用多个星型网络拓扑，组建出物联网的多跳网络，物联网中的终端节点可以通过最近的协调节点或路由节点入网。其中，协调阶段作为互联网络的根节点，以路由节点为中继。在此物联网组网策略中，物联网的信息传输方式为无线传输，所以无须布线，同时，物联网结构中的终端、中继，可采用电池供电的形式，由此缩减维护成本。此外，这种组网策略，支持根据实际需求进行灵活组网，而且其所需的运行功率较低，穿透性也比较强，因此，运用上述组网策略，能够构建出低能耗、性能好的物联网体系。

图1 星状网结构

图2 网状网结构

图3 树状网结构

3.2 能耗数据采集策略

在楼宇的智能化建设中，为了顺利实现能耗监测管理，需要运用传感器对各类设备的能耗信息进行采集，然后再利用物联网技术，将采集到的能耗数据信息传输到数据分析系统中，由此获得能耗监测管理所需的各类信息，如月度耗电量统计表等，为楼宇设施运行的节能减排管控提供依据。

基于此，在能耗数据采集上，需要在每个物联网终端节点处，集成构建出传感单元、无线通信模块，以及MCU 处理单元。其中，传感单元的主要作用是采集各个设备的能耗数据，无线通信模块则用于将这些数据通过物联网传输到数据分析系统中。但为了保证数据的顺利传输，就需要MCU 处理单元，对数据进行处理组包，同时提供通信协议[1]。

但在此过程中，应当注意，考虑到物联网的中继通常设置在楼道内、基站则一般设置在楼顶，与采集点之间的距离至少有几米远，而且采集点是设在建筑内，建筑墙体也会阻隔采集点无线通信模块的射频信号，所以，尽量选择接收灵敏度高、穿透能力强、传输距离远的射频芯片。考虑到楼宇中的设备数量较多，而且能耗监测要求收集实时的能耗数据，这使得MCU 需要存储和处理大量的数据，因此，在能耗数据采集上，应当选择能够提供足够存储空间，且具备顺利完成通信协议和数据处理算法运行能力的MCU。在数据采集环节中，还要注意，在智能化建设中，也要为传输模块中的芯片简单的外围电路，从而降低设计难度，减少传输功耗[2]。

此外，还要注意，应当秉承先进性原则，对传感单元的能耗计量组件进行选用。一般来说，能耗计量组件包括电表、水表、冷热计量表等多种类型，其中，应当保证电表的精度等级＞1 级，水表精度等级≥2 级，冷热计量表的精度等级则应≥3 级，由此保证所采能耗数据的质量，提高建筑能耗监测管理工作的准确性[3]。

3.3 能耗数据传输策略

在楼宇智能化建设中，为了实现建筑能耗监测管理的智能化运作，需要做好能耗数据传输环节的构建，并设置好配套的通信协议、网关程序，创造一个稳定、通畅的能耗数据传输条件，让收集到的能耗数据能够顺利地输入数据分析、显示模块中，以便于管理者随时查看相关数据，以及统计图表，借此完成相应的建筑能耗监测管理[4]。

在能耗数据传输上，通信协议是数据传输的规则，其的存在能够保证数据有序、顺畅的传输。常用的通信协议包括P-ALOHA、CSMA/CD、S-ALOHA 等，但对于楼宇智能化建设来说，P-ALOHA 更能满足建筑能耗监测管理运作需求。P-ALOHA 支持物联网条件下的无线信道工作，而且能够适应建筑内较差的传输环境。运用此协议，可以构建出一个信道竞争系统，系统中每个站均能进行数据帧的自由发送，如果发送失败，则可重发或随机退避。在此过程中，通信协议所构建的信号系统，若出现两个或多个站，在数据帧的发送时间上存在重叠，那么就会出现碰撞，让这些站发送的数据出错，并全部需要重新传输，此时，P-ALOHA 可以让各站等待一段时间后再重传，以错开传输，减少再次碰撞[5]。

在能耗数据传输中，数据均需要通过蜂窝网络，或宽带网络，从物联网的感知层，传输到互联网中，让数据与人之间产生交互，最终发挥其在监测管理上的能效，而网关则是物联网与互联网之间的连接桥梁。通常来说，在网关程序的设计上，应注重塑造其对物联网协议的接入能力、环境适应能力，以及管理终端、中继、协调器的能力，然后通过满足基于上述能力构建需求，进行网关程序设计，使网关能够有效地管控物联网中的各个传感器终端以及节点，并将从物联网感知层传输来的数据进行转换，借助TCP/IP 协议，传输到服务器中，用于后续的能耗数据监测管理工作环节应用。

3.4 楼宇能耗计算策略

在楼宇智能化建设中，为了实现建筑能耗监测管理，需要对收集到数据进行计算，得出总能耗、单位面积能耗等数据，然后通过对这些数据进行整理和分析，了解建筑能情况，制定管理决策、思路，达到对建筑能耗监测管理的效果。

在楼宇能耗计算上，进行总能耗的计算时，可以先将水、电、供热、供冷等方面的能源消耗折算成为标准煤消耗量，由此以统一的计量单位对能耗量进行呈现，这不仅能够为各类对比分析统计图的绘制提供数据，还能方便管理人员进行比较，由此判断节能工作的开展是否具有成效。待折算完成后，还可以计算出单位面积的能耗量，由此找出能耗较高的区域，以制定出针对性的管理措施，在此过程中，折算用的公式如式（1）所示。

式中：Eo——总能耗量；Pi——第i 类能源的折算系统；Esi——消耗的第i 类能源实物量。

此外，在建筑能耗监测管理上，也要做好数据分析模型的建设，并借助科学、合理的数据分析模型，对能耗计算策略进行完善，让楼宇智能化系统能够支持多种的能耗数据图表输出，由此为管理工作提供更加充实、有价值的依据，促进楼宇运行的节能减排、控制楼宇后勤支出，由此深入优化楼宇智能建设的效果。

3.5 管理系统测试策略

在楼宇智能化建设中，为了保证能耗监测管理系统的可靠、稳定运行，需要在上述系统构建工作完成后，对管理系统进行测试，确认无问题后，才能将其投入使用。

在管理系统的测试中，首先，需测试页面的操作性，并对系统进行登录和退出操作，同时，在系统上进行设备的ID 绑定，查看系统是否能够正常显示设备的能耗系统。

其次，进行功能测试，先通过上行指令，用终端节点向基站发送0～50 个字节，查看返回数据测试上行链路功能。如果返回数据为预设的数据，那么上行数据链路无问题，例如，终端节点的波特率为6300、用户串口为UART3，数据格式为OxAA，Ox55，Length，0X01，data[n]，那么返回的数据有两种，即表示发送成功的AA 55 02 02 00，以及表示发送失败的数据AA 55 02 02 01，返回的数据为两者其中任何一组均说明系统上行链路无问题。之后，即可测试下行链路功能。在此过程中，先选好进行测试的设备，然后输入下行链路数据，然后查看终端节点接收到的数据内容，如果发送与接收到的数据内容一致，那么就说明下行链路功能无问题。

最后，进行能耗数据查询测试，在管理系统中输入需要查询的日期，再点搜索键进行能耗数据的查询，得到能耗数据后，需要对该数据的可靠性进行验证。此后，再进入后台数据库，对该设备相应日期的数据进行再次查询，然后将两次查询的结果进行对比，若数据一致，说明能耗传输无误。

待上述测试完毕后，需要对管理系统进行试运行，确认其在楼宇智能化系统的整体中是否能保持稳定的运行状态，确认无问题后，即可将该管理系统正式投入使用，与其他的楼宇智能化系统部分共同运行，实现建筑能耗监测管理。

4 结语

综上所述，在楼宇智能化建设中充分考虑建筑能耗监测管理可以提高智能楼宇的能源利用效率。在楼宇建设中，通过利用物联网技术，构建出性能良好、运行稳定、功能实用的建筑能耗监测管理系统，可以帮助管理者对设备的运行进行有效的管控，以更好地支持楼宇智能化运行的节能减排，从而推动智能楼宇建设水平的发展。