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淺談基於物聯網平台的建築能耗監控係統的設計與功能介紹

時間:2020-08-14 點擊次數:81

 

 

 

劉單單

                                     富二代抖音视频電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要:基於Niagara物聯網平台架構研究了綠色建築能耗監控係統,將綠色建築內各不同設備和係統集成到同一平台,實現綠色建築運營的數據可視化和統一管控,達到綠色建築節能運營的目的,並以一綠色建築辦公區域為例進行設計和安裝應用。

關鍵詞:物聯網架構;綠色建築;監控係統;設備管控

0 引言

      建築行業的迅速發展使得中國建築能耗嚴重問題逐漸凸顯,綠色建築作為節能建築的代表之一,發展迅速。根據中國綠色建築評價標準,綠色建築被評為 一星、二星和三星,而且綠色建築的評價標準逐漸向實際運行節能效果轉變,越來越多的研究人員開始對綠色建築全生命周期碳排放和能耗給予關注和研究。隨著綠色建築逐漸向智能化發展和物聯網技術的廣泛應用,建築內部各子係統相對較多,例如消防係統、安保係統、車庫係統、空調係統等,且涉及到不同廠家和不同種類產品,係統之間相對獨立,集成難度較大。隨著技術的發展,業主可能不斷對設備進行更新和升級,目前建築能耗監控係統難以擴容,拓展性差,且老舊項目的改造和數據采集等工作更是較為複雜,集成度低。基於國內外的研究成果,在研究和分析的基礎上,提出了基於 Niagara 物聯網架構的綠色建築能耗監控係統,通過 Niagara 網絡控製器對多種設備進行集成,並以一辦公建築為示範,在 Niagara 框架軟件平台上二次開發,實現采集數據的有效存儲,並可通過瀏覽器實現遠程訪問和監控。

1 物聯網平台架構研究

1.1 Niagara 平台

       Niagara 平台是由 Tridium 公司研發的用於設備之間通信連接的二次開發軟件框架平台。此框架平台采用Baja 標準,很好地解決了樓宇自動化行業私有通信協議與係統不可兼容的問題,具有很好的通用性,能夠連接目前樓宇內所有設備和係統,包括空調係統、製冷係統、照明係統、可再生能源係統、安防係統等,它基於Internet 標準,使用者可以借助電腦或移動終端 Web 瀏覽器通過局域網或者互聯網進行遠程訪問和監控。Niagara 除了具有強大的集成優勢外,其平台內部集成各種組件、對象模型、數據庫、數據查詢、日誌查詢、報警管理、遠程診斷與維護等功能,采用開放式的架構設計,大大縮短了開發時間,降低了維護成本。

1.2 典型架構設計

       物聯網,簡而言之就是物物相連的互聯網,以互聯網為基礎,實現物與物之間、物與人之間的通信連接。在建築領域,建築管控係統常用架構有BA(樓宇設備自控)網絡架構、局域網絡架構、廣域網絡架構。基於物聯網的典型架構可分為 3 層,即現場層、網絡控製層、用戶層。

 

圖 1 物聯網典型架構圖

1.2.1 現場層 

       現場層是綠色建築監控係統的感知元件,實現對現場數據的采集和傳輸,通常由各種傳感器(流量計、溫度計、壓力傳感器、室內環境品質檢測儀、電量表等)組成,還包括用於控製現場各參數的執行設備(控製閥、製冷機組、新風機組、變頻器等)。

 

1.2.2 網絡控製層 

      網絡控製層以現場總線形式將現場層各設備和傳感器集成通信連接,可建立在局域網、互聯網和雲平台之上,將數據經過整合處理後傳輸到用戶層。網絡控製層的架構核心部件是 Niagara 網絡控製器 JACE,該控製器具有較高的開放性和互聯性。同時,網絡控製器可將用戶層指令和相關程序傳送至現場層設備,實現對現場層設備的管控。 

1.2.3 用戶層 

      用戶層用於實現物聯網和用戶的人機交互,對現場層的數據實現展示和存儲功能,用戶可通過參數設定和遠程監控等方式實現對現場層設備的管理。同時,可對用戶層數據進行深入分析和挖掘,采用智能算法來提高整個係統的自學習能力,達到智能化控製的目的。

2 建築能耗監控係統

      建築能耗監控係統是對現場的各種檢測儀表和設備運行狀態等數據進行采集,通過網絡控製層將數據傳輸至用戶層,在用戶層實現數據的顯示、存儲和分析。同時,用戶層可通過網絡控製層發送指令至現場層,實現對現場環境的控製。隨著互聯網和大數據時代的到來,用戶可通過互聯網對建築運營情況進行遠程監控。在建築運營過程中,用戶層也將積累大量的數據,通過對數據的挖掘,實現節能降耗、提高室內環境品質和設備故障診斷等。

3 項目實例

3.1既有建築項目概況

       項目位於天津市濱海新區,選取一綠色建築的二層作為項目現場。此實例為既有項目改造,總麵積約500 m,共包含4個獨立的辦公區間。室內空調係統為風機盤管+新風機組係統,控製方式為麵板手動控製,有供暖和製冷兩種控製邏輯,無通信功能。風機盤管為兩管製,進水管設有電磁閥,冬季供熱水,夏季供冷水。電燈為手動開關控製,無室內空氣品質檢測設備。

       通過對項目進行改造,實現基於 Niagara 平台架構的綠色建築能耗監控平台的搭建,能夠對室內電量損耗實現分項計量,電燈和空調能夠自動和手動控製,並在會議室安裝電動窗簾,設定不同場景模式,實現室內環境控製。對獨立區域進行室內空氣品質參數的采集和存儲,並聯動新風機組實現室內空氣品質的調控。同時,此平台應具有擴展性,能夠根據實際要求擴容,縮短開發周期,降低維護成本。

3.2 監控係統設計

       監控係統采用物聯網架構設計,包括現場層、網絡控製層和用戶層,其架構如圖 2 所示。現場層設有空調溫控器(通信協議 BACnet)、室內空氣檢測儀(通信協議Modbus)、電量表(通信協議 LonWorks)、現場 DDC控製器 (通信協議 Modbus) 和新風機組 (通信協議 Modbus)。網絡控製層包括1台交換機和2台網絡控製器JACE,通過網絡控製器將現場層不同廠家和不同通信協議集成到同一平台。用戶層設有服務器,實現數據的顯示和存儲功能,基於B/S(瀏覽器 / 服務器)架構的分布式處理方式,用戶可通過電腦或移動終端 Web 瀏覽器實現遠程監控。

 

圖 2 監控係統網絡架構圖

       空調溫控器控製風機盤管風速和電磁閥開關,並通過通信方式與網絡控製器連接。電量表安裝在各回路的空氣開關下端,實現風機盤管、插座和電燈的能耗分項計量。現場安裝有光照度傳感器和控製燈回路的繼電器,並連接至現場 DDC 控製器,現場 DDC 控製器通過通信方式連接至網絡控製器,實現數據傳輸。現場通過室內環境品質檢測儀能夠實時檢測室內溫濕度、CO2 體積分數、CH2O體積分數、PM2.5 和TVOC(總揮發性有機物)體積分數指標。

3.3 軟件係統設計

       監控平台軟件係統基於 Niagara 框架,在 Niagara WorkPlace 界麵進行監控係統的二次開發,可縮短開發周期,且係統的拓展性和兼容性較強,空調係統控製界麵如圖 3 所示。用戶在使用過程中,可對室內參數和控製模式進行設置,係統的控製時間模式和參數設置界麵。框架本身連接著數據庫,能夠實時對數據進行存儲和查詢。辦公室內 CO2 體積分數曆史數據曲線。圖 5 展示了 2019-01-02T00:00—2019-01 -08T20:00 的數據,數據設置為每隔 15 min 記錄一次。

圖 3 空調係統控製界麵

 

圖 4 係統控製時間模式和參數設置界麵

 

圖 5 辦公室內 CO2 體積分數曆史數據曲線

4 富二代抖音短视频下载安装Acrel-5000建築能耗管理係統介紹與選型

4.1係統架構介紹

       Acrel-5000建築能耗分析管理係統以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具,根據現場實際情況采用現場總線、光纖環網或無線通訊中的一種或多種結合的組網方式,為大型公共建築的實時數據采集及遠程管理與控製提供了基礎平台,它可以和檢測設備構成任意複雜的監控係統。開放性、網絡化、單元化、組態化的采用麵向對象的分層、分級、分布式智能一體建立如下層次結構:

圖 6 富二代抖音短视频Acrel-5000建築能耗管理係統架構示意圖

4.2 係統功能介紹

圖7 富二代抖音短视频下载安装Acrel-5000建築能耗管理係統用能統計示意圖

4.2.1支路用能

      係統可以統計各支路某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。係統可查看各支路用能趨勢,可根據已有的日期或者自定義時間進行查詢,並可以將支路用能顯示合計,以圖表形式顯示。

4.2.2分項能耗統計

      係統可以按照分項進行能耗統計與顯示。其中,日分項用能同比分析圖顯示不同分項的當日與昨日能耗柱狀圖;用能餅圖顯示各分項過去31天的用能占比;堆積圖顯示各分項過去31天的能耗趨勢;分項用能排名圖顯示被選中分項對應能耗值排名前10位的支路。

4.2.3分項用能報表

      係統可以統計各分項某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。可查看分項中各支路用能趨勢,可根據已有的日期或者自定義時間進行查詢,統計數據可導出至Excel。

4.2.4能耗的同比環比分析

      係統可將各主要耗能設備的能耗與去年同期值和上月值進行同比環比分析,檢驗節能效果,根據分析結果執行節能績效考核,以及節能目標的修正。統計各支路當年每月用能及去年同期用能。

4.2.5用能數據檢查

      係統可以統計某段時間內各回路與下級支路的用能差值,超過一定百分比後醒目顯示,確保計量體係的完整性、準確性。

4.3係統設備選型

表1 富二代抖音视频Acrel-5000建築能耗管理係統設備選型示意圖

5 結束語

       物聯網架構管理控製層可集成多種通信協議,解決了不同廠家設備和通信協議間無法連接的問題,利用 Niagara 框架將各設備整合到一個完整的平台,實現對現場層的統一管理。 整個架構用戶層采用基於 B/S 架構的分布式設計,係統維護和升級管理隻需在後台進行,管理者可通過PC(個人電腦)、手機等互聯網設備Web瀏覽器實現係統的遠程訪問。通過綠色建築物聯網監控係統實例搭建,實現了對室內空氣品質和各分項能耗計量監測,並能夠實時查詢曆史數據,實現運行工況的曲線展示。該係統具有較好的穩定性,為物聯網架構在綠色建築領域的應用積累了一定的實踐經驗。

 

【參考文獻】

[1]郭而郛,崔雅楠,王瀛,等.綠色居住建築全生命周期碳排放研究[J].中國建設科技,2017,26(5):9-12.

[2]穆永超,周誌華,鄒芳睿,杜濤.基於物聯網平台的綠色建築能耗監控係統.[J]能源與節能,2019.07

[3]富二代抖音视频企業微電網設計與應用手冊.[J]2019.11版

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