摘 要：在保證建筑使用舒適度的情況下，為對建筑電力能耗情況實時監(jiān)測與預(yù)測，本研究探索基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗感知預(yù)測系統(tǒng)的建設(shè)方法，提出系統(tǒng)架構(gòu)及相關(guān)配置情況，闡述系統(tǒng)的典型應(yīng)用，為能耗感知預(yù)測系統(tǒng)的研發(fā)提供思路，助力實現(xiàn)建筑運行過程中節(jié)約能耗、提高能源使用效率的目的，提高現(xiàn)代化城市管理能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ；建筑能耗預(yù)測 ；能耗監(jiān)測系統(tǒng)

1引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展與人口數(shù)量的增加，人們對能源的需求也急速增長，統(tǒng)計結(jié)果表明，全國建筑全過程能耗與碳排放變化總體上呈現(xiàn)出一致性的階段性特點 ，2005 年~2019 年 ，我國建筑的全過程能耗由9.34億噸標(biāo)準(zhǔn)煤上升22.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均增長率 6.3%，建筑全過程碳排放由 22.34 億噸二氧化碳增 長 到 49.97 億 噸 二 氧 化 碳 ，年平均增長率為5.92%，其中 ，2019 年建筑運行階段碳排放 21.3 億噸，占全國碳排放的21.6%，雖然年均增長率逐漸放緩，但是建筑運行過程中能源消耗依然占很大比重，因此，建筑物的能耗監(jiān)測與預(yù)警成為眾多學(xué)者的研究對象。胡瑩堅[1] 為避免地下室中布線困難等問題，開發(fā)了基于 LoRa 技術(shù)的建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)；陳輝[2] 以建筑物耗能特點為研究對象，在建筑物節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中提取影響能耗的主要因素，并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對建筑物能耗仿真，提高建筑物能耗評估的智能度；侯驍虎[3] 以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)與軟件開發(fā)技術(shù)為實現(xiàn)手段，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外高校在能耗監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用方面所積累的經(jīng)驗，為某高校開發(fā)了校園能耗監(jiān)測綜合管理平臺。開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力能耗感知預(yù)測系統(tǒng)，對建筑物電力能耗進行實時預(yù)測和監(jiān)控，存儲過往歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測用電高峰期與低谷期，實現(xiàn)電力資源的“削峰填谷"，可以有效提高能源的使用效率，減少能源浪費。

2建筑能耗感知預(yù)測系統(tǒng)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

21世紀(jì)以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為我國信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要通過前端設(shè)備的布置，將采集到的信號與網(wǎng)絡(luò)進行連接，通過有線或者無線方式將信號實時傳輸[4] ，實現(xiàn)對物體的有效定位、識別等功能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)主要分為三層，即：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4] 。感知層依靠安裝布置在物體上的傳感器設(shè)備，對物體信息采集與發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)層在接收到信息后，使用互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)將信息傳送到應(yīng)用層，通過應(yīng)用層對信息進行智能處理，實現(xiàn)物體實時監(jiān)控或控制的智能化管理體系。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和通信技術(shù)的進步加快了我國智慧城市的發(fā)展進程，建筑能耗感知與預(yù)測作為智能建筑的重要分支，也將得到更加廣泛的應(yīng)用。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)

建筑能耗感知預(yù)測系統(tǒng)主要依托于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智慧城市管理平臺（見圖1），整體系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三部分，應(yīng)用層依據(jù)系統(tǒng)實際應(yīng)用功能分為能耗數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)及能耗預(yù)測子系統(tǒng)兩部分。

本文研究對象為建筑物的電力耗能，能耗管理子系統(tǒng)對建筑物已發(fā)生的耗能進行有效記錄與存儲，能耗預(yù)測子系統(tǒng)根據(jù)傳感設(shè)備采集到的預(yù)測指標(biāo)對建筑物能耗進行預(yù)測，便于建筑管理人員對能耗進行有效把控。

3系統(tǒng)功能

3.1能耗感知模塊

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的本質(zhì)是通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物與物之間的相互連接，并實現(xiàn)物與物之間的信息聯(lián)通和交互[5] 。建筑物能耗的實時感知依賴互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的布置，能耗數(shù)據(jù)通過傳感器設(shè)備采集后，利用無線通信技術(shù)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)進行處理后存儲在后臺數(shù)據(jù)庫，并在能耗管理平臺展示能耗情況。

傳感裝置用于采集各類數(shù)據(jù)，包括能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)用于建筑物能耗實時感知，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)用于能耗預(yù)測。能耗感知模塊會對房間的能耗實時監(jiān)測對比，當(dāng)房間內(nèi)的耗能超過歷史消耗能耗的高值時，則會在系統(tǒng)頁面對建筑管理人員提示，建筑管理人員不僅可以查看能耗實時數(shù)據(jù)，還可對歷史數(shù)據(jù)進行分類篩選、搜索等操作，便于管理人員的決策。

3.2 能耗預(yù)測模塊

能耗預(yù)測模塊配合能耗管理系統(tǒng)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對建筑物未來能耗進行準(zhǔn)確預(yù)測，合理優(yōu)化用電配置，減少建筑用電浪費和碳排放。本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集能耗預(yù)測所需指標(biāo) ，構(gòu)建 BP（Back propagation 反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行建筑物能耗預(yù)測，其基本流程如圖2所示，通過傳感器采集室外溫度等所需信息，將采集到的信息傳輸?shù)焦芾砥脚_，將模型數(shù)據(jù)擬合后便得到建筑能耗預(yù)測結(jié)果，將結(jié)果返回用戶界面。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基于下降法進行求解[6] ，能夠模擬人的思維模式對機制進行學(xué)習(xí)，被廣泛地應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的能耗預(yù)

測。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層與輸出層，在本研究當(dāng)中，輸入層指標(biāo)包括建筑面積、室外溫度、空調(diào)維持溫度以及人員密度四個指標(biāo)，經(jīng)過擬合后得到建筑物耗電量結(jié)果，即輸出層，其神經(jīng)元個數(shù)為一，而隱含層的神經(jīng)元個數(shù)是通過算法訓(xùn)練過程中的不斷調(diào)整達(dá)到優(yōu)的。

本研究中算法的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為天津市中新生態(tài)城某幼兒園的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集溫度覆蓋-8%至32℃，基本滿足全年所有工況。算法訓(xùn)練完成后進行封裝，在進行能耗預(yù)測時將建筑面積、室外溫度、空調(diào)維持溫度以及人員密度四個指標(biāo)輸入算法，算法經(jīng)過擬合計算后得到建筑能耗預(yù)測結(jié)果，并將結(jié)果返回用戶界面，如圖2結(jié)果輸出部分所示。

4系統(tǒng)典型應(yīng)用

4.1 信息存儲功能

智慧城市管理平臺后臺內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，存儲建筑能耗歷史數(shù)據(jù)，便于管理者查詢使用的同時，可用于算法訓(xùn)練優(yōu)化迭代。

4.2 信息查詢功能

可以按照時間段對能耗數(shù)據(jù)進行查詢篩選，同時，還可以按照能耗量篩選數(shù)據(jù)，便于管理者分析歷史數(shù)據(jù)，合理制定能源使用策略。

4.3 能耗異常預(yù)警功能

系統(tǒng)可對能耗實時感知，并與歷史平均數(shù)據(jù)進行對比，若出現(xiàn)過高或過低的異常情況，則在管理平臺中顯示警報，提示建筑管理人員對該建筑或房間的能耗情況進行調(diào)查。

4.4 能耗預(yù)測功能

構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集相關(guān)指標(biāo)，自動預(yù)測耗電量，得到某一房間或建筑的預(yù)測耗能，給建筑管理人員的能源分配決策提供指導(dǎo)。

5 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預(yù)付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應(yīng)用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運維等領(lǐng)域。

（3）平臺結(jié)構(gòu)

（4）平臺功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運行（包括歷史和實時參數(shù)，并根據(jù)實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術(shù)，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機結(jié)合起來，運用先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

預(yù)付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認(rèn)參數(shù)進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠(yuǎn)程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表中心：提供售電、售水財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出。

預(yù)付費看板

充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預(yù)警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能。

智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實現(xiàn)定時開關(guān)策略配置及后臺遠(yuǎn)程管理和移動管理等，降低路燈設(shè)施的維護難度和成本，提升管理水平，并達(dá)到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

安全用電

安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災(zāi)探測器，對引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導(dǎo)企業(yè)實現(xiàn)第一時間的排查和治理，達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然"的目的。

智慧消防

通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。補充了原先針對“九小場所"和?；飞a(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應(yīng)于所有公建和民建，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"、用電管理“精細(xì)化"的實際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)論

綜上所述，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步和智慧城市的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建建筑物能耗感知預(yù)測系統(tǒng)，可以使建筑物能耗可視化、存儲歷史數(shù)據(jù)、賦能城市管理水平、提高建筑管理能力以及能源使用效率。

參考文獻

[1] 于佳怡，周銳，鐘偉.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑能耗感知預(yù)測系統(tǒng)中的應(yīng)用探析

[1] 胡瑩堅.基于LoRa技術(shù)的建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)在人防地下室中的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代建筑電氣，2020，11（8）：28-30.

[2] 陳輝.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析的建筑物耗能仿真模型分析[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2022，40（1）：13- 15+138.

[3] 侯驍虎 . 高校校園能耗監(jiān)測綜合管理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

[4] 企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.0