物联网技术的建筑电气节能研究的论文

物联网技术的建筑电气节能研究的论文

　　【摘要】随着物联网技术的发展，建筑电气的节能研究又有了新的思路。本研究提出采用ZigBee网络通讯技术，利用“物联网”组建智能电网能源管理系统进行电气节能，并对该系统所属的环境监测子系统、中央空调控制子系统、照明控制子系统、新风控制子系统、远程抄表子系统、家庭能源管理子系统和光伏发电子系统等各个子系统的节能应用进行了阐述。

　　【关键词】物联网；建筑电气节能；ZigBee网络技术；能源管理系统

　　1引言

　　电力已与我们的日常生产、生活息息相关，并随着人类社会和经济的发展，全人类对电力的需求呈现持续递增的趋势。居民侧用电量占社会总用电量的36.6%，但研究表明该领域的用电效率低，浪费严重[1]。缺乏对居民侧建筑能耗监测和控制，是导致建筑能耗居高不下的重要原因。如何摆脱建筑电气粗放型用电，实施精细化用电、节电是研究者需要解决的问题。随着2009年国家提出“感知中国”的概念，“物联网”被列为我国新兴战略性产业之一。物联网技术的发展对建筑能耗的监测和控制起到关键作用，物联网技术的使用为提高居民侧用电效率、实现建筑电气节能减排提供了新途径。

　　2建筑电气节能的研究现状

　　截至2016年2月，在CNKI中以“篇名”为检索项，以“物联网”为检索词进行初级检索，再在结果中以“节能”为检索词进行二次检索，共检索到相关文献40篇。经过初步分析，这些研究首先主要集中在建筑电气具体方面进行探讨，涵盖了隧道、高校教室、机房、图书馆、自习室、办公楼宇等建筑电气方面的节能；其次这些研究多是从建筑电气整体角度出发对节能效果进行评测、跟踪检查、优化仿真研究；再者这些研究是从物联网智能节能系统、物联网技术的数据处理、物联网智能本身创新、改进、安全方面进行探讨。通过对这些文献的分析发现，许多文献中都强调了新技术、新材料的应用，如使用室内环境温湿度监测与节能系统、智能照明系统等新技术，使用LED节能灯具、真空保温玻璃新材料；不过这些节能新技术之间是相互独立的，也没有考虑到变压器运行损耗，没有形成一个一体化的节能系统和管理平台。本文提出采用ZigBee网络通讯技术，利用“物联网”组建智能电网能源管理系统对建筑能耗进行优化和打点，分类管理进行节能。

　　3物联网技术条件下的建筑电气节能相关技术

　　3.1物联网定义及构架目前，在国内较为多见的“物联网”定义为：物联网是指利用各种信息传感设备，如射频识别装置、红外传感器、全球定位系统、激光扫描等种种装置与互联网结合起来而形成了一个巨大网络，其目的就是使所有物品都与网络连接在一起，使得识别和管理更加方便。可以看出，物联网是一个物-物相连的互联网，将成为新一代信息技术的重要组成部分[2]。从通信过程和对象的视角看，物联网的体系构架由全面感知层、可靠传递层和智能处理层三个层面构成[3]。全面感知层利用各种可用的感知手段实现物体动态的即时采集，可靠传递层通过各种信息网络与互联网的融合将感知的信息实时、准确可靠地传递出去，智能处理层利用云计算等智能计算技术对数据和信息进行分析和处理[4]。3.2物联网构架下的建筑电气节能采用ZigBee网络通讯技术，利用“物联网”组建智能电网能源管理系统。通过物联网、云计算搭建的“智慧能源云管控平台”，对一栋建筑以致一个小区的建筑群进行建筑能耗的优化和打点，能更好地实现节能减排，无需对建筑做结构上的节能改造。因为对建筑电气的节能主要是提高建筑中的能源利用效率，即在采暖、空调、热水供应、照明、家用电器、新风系统、监控安防、新能源汽车、光伏发电等方面进行能耗的节约，其中以空调系统、动力系统和照明在建筑使用方面占据了很大的比重。将一栋建筑或者建筑群按照能耗进行分类，利用物联网组建的能源管理系统将其分为不同的控制子系统，如图1所示。通过动态监控和实时的数据统计、分析，更全面的掌握能源消耗情况，从而进行更好的资源利用。与相对成熟的楼宇自动化系统相比，采用ZigBee网络的物联网技术布线成本低、方便施工、组网能力强、系统扩展性好、具备网络自愈能力并且抗干扰能力强、功耗更低等优点，更能全面的获取建筑在能耗过程中的详细数据，让建筑能耗处于最佳运行状态。

　　4物联网在建筑电气节能中的应用

　　4.1环境监测子系统节能减排，监测先行。通过环境监测子系统感知建筑内不同区域的照度、温湿度、空气质量进行检测，并将获取的各项环境参数发往服务器上的中央空调控制系统、照明空调控制系统、新风控制系统、家庭能源管理子系统和光伏发电子系统中为其进行室内环境调控提供数据及参考。4.2中央空调控制子系统中央空调控制子系统接收来自环境监测子系统的环境参数，结合中央空调温控系统阈值设置（例：低于10℃或高于26℃空调将自动开启制热或制冷模式），同时在空调上加装空调节能控制器来实现对空调系统的控制。4.3照明控制子系统室内照明光源采用LED节能灯的基础上，照明控制子系统通过在房间或工作区安装位置和光照度采集器，将房间内的光照度信息和人员信息传递至照明墙控制器，由它控制照明灯具的开启/关闭，并根据环境的光照度，通过灯具组合的方式调节照度亮度[5]。4.4新风控制子系统新风系统接收来自环境监测系统的空气质量数据，并将接收数据与系统阈值进行综合对比分析。在正常环境条件下，新风系统处于低能耗状态，主要完成空气流通功能；当空气质量不达标，超过系统设定阈值时则启动应急机制，包括实现大功率新风输送以及开启部分氧气供给功能等。同时，不同于传统的新风交换模式直接采用室外新鲜空气作为气体源，本系统采用双向换气式新风系统，在源空气进入室内前通过高导热效率材料进行热交换，将室内欲度上降低了进入室内的新鲜空气与原室内空气的温度差，从而降低了空调的使用频率，实现了节能减排的目标[6]。4.5远程抄表子系统通过远程抄表系统，可以方便、快捷和可靠地实现对建筑物内各用电设备耗电量进行抄读，并能将相关数据自动保存。可以通过抄读的数据分析配电变压器是处于怎样的运行状态、负载率是多少、是否达到了经济运行，同时还可以分析出无功补偿设备运行情况。通过该系统，管理者可以获取综合的能源需量统计报表和分析报告，根据日、月、年的用电量情况全面了解电能消耗情况，辅助制定并不断优化节能方案、智能调整耗能设备的最佳运行状态，更好的整合、利用资源、节约成本，建立有序的管理模式。4.6家庭能源管理子系统该系统将家庭用电分为三类：用电负载、分布式电源和储能设备，其中将用电负载分为可调度负载（包括：洗衣机、干衣机、热水器、洗碗机、电动汽车）和不可调度负载（包括：计算机、打印机、冰箱、家庭娱乐系统、照明系统、安保系统等）[7]。利用传感器采集到的室内环境、人员活动和设备工作状态信息，通过对这些信息的分析来对用电设备进行调度和控制，在满足用户舒适度的前提下减少电能消耗，提高用电效率；同时，将可调度负载尽量安排在负荷低谷期工作，起到调节电力系统峰谷差的目的，进而减少电力系统备用装机容量。4.7光伏发电子系统随着光能发电技术的日益成熟，居民侧的分布式光伏发电将会在日照度高的地区得到较大程度的发展，尤其是在采用储能装置改善了电能质量，维持了整个电力系统稳定的条件下。光伏发电子系统接收来自综合分析子系统的部分参数（如：系统用电的峰谷期），将自身发出的电能在用电量高峰时期满足自身需求，并在高峰期时将多余的电能卖给电网，而在低谷期时将电能暂时进行储存，这样不但起到了削峰填谷的作用更能减少系统中的备用装机容量，进而起到了节能的目的。

　　5结束语

　　在物联网技术膨胀式发展和应用的今天，物联网技术应用于建筑电气的节能仅仅是其应用发展的一小部分。本文探讨了物联网技术条件下，应用ZigBee网络技术组建智能电网能源管理系统后，在中央空调、照明、家庭能源管理等几个部分的节能应用。不久的将来，物联网将依附于超级强大的中心计算机群，以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产水平，实现人类社会的长久发展。基金项目：本文系重庆水利电力职业技术学院科研一般项目“基于物联网的智能建筑电气节能方案研究”。

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