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物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑電氣節(jié)能研究的論文
【摘要】隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，建筑電氣的節(jié)能研究又有了新的思路。本研究提出采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，利用“物聯(lián)網(wǎng)”組建智能電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)進行電氣節(jié)能，并對該系統(tǒng)所屬的環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、中央空調(diào)控制子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng)、新風(fēng)控制子系統(tǒng)、遠程抄表子系統(tǒng)、家庭能源管理子系統(tǒng)和光伏發(fā)電子系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用進行了闡述。
【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；建筑電氣節(jié)能；ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；能源管理系統(tǒng)
1引言
電力已與我們的日常生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，并隨著人類社會和經(jīng)濟的發(fā)展，全人類對電力的需求呈現(xiàn)持續(xù)遞增的趨勢。居民側(cè)用電量占社會總用電量的36.6%，但研究表明該領(lǐng)域的用電效率低，浪費嚴重[1]。缺乏對居民側(cè)建筑能耗監(jiān)測和控制，是導(dǎo)致建筑能耗居高不下的重要原因。如何擺脫建筑電氣粗放型用電，實施精細化用電、節(jié)電是研究者需要解決的問題。隨著2009年國家提出“感知中國”的概念，“物聯(lián)網(wǎng)”被列為我國新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展對建筑能耗的監(jiān)測和控制起到關(guān)鍵作用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用為提高居民側(cè)用電效率、實現(xiàn)建筑電氣節(jié)能減排提供了新途徑。
2建筑電氣節(jié)能的研究現(xiàn)狀
截至2016年2月，在CNKI中以“篇名”為檢索項，以“物聯(lián)網(wǎng)”為檢索詞進行初級檢索，再在結(jié)果中以“節(jié)能”為檢索詞進行二次檢索，共檢索到相關(guān)文獻40篇。經(jīng)過初步分析，這些研究首先主要集中在建筑電氣具體方面進行探討，涵蓋了隧道、高校教室、機房、圖書館、自習(xí)室、辦公樓宇等建筑電氣方面的節(jié)能；其次這些研究多是從建筑電氣整體角度出發(fā)對節(jié)能效果進行評測、跟蹤檢查、優(yōu)化仿真研究；再者這些研究是從物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)能系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理、物聯(lián)網(wǎng)智能本身創(chuàng)新、改進、安全方面進行探討。通過對這些文獻的分析發(fā)現(xiàn)，許多文獻中都強調(diào)了新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，如使用室內(nèi)環(huán)境溫濕度監(jiān)測與節(jié)能系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)等新技術(shù)，使用LED節(jié)能燈具、真空保溫玻璃新材料；不過這些節(jié)能新技術(shù)之間是相互獨立的，也沒有考慮到變壓器運行損耗，沒有形成一個一體化的節(jié)能系統(tǒng)和管理平臺。本文提出采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，利用“物聯(lián)網(wǎng)”組建智能電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)對建筑能耗進行優(yōu)化和打點，分類管理進行節(jié)能。
3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)條件下的建筑電氣節(jié)能相關(guān)技術(shù)
3.1物聯(lián)網(wǎng)定義及構(gòu)架目前，在國內(nèi)較為多見的“物聯(lián)網(wǎng)”定義為：物聯(lián)網(wǎng)是指利用各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別裝置、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成了一個巨大網(wǎng)絡(luò)，其目的就是使所有物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，使得識別和管理更加方便�？梢钥闯觯锫�(lián)網(wǎng)是一個物-物相連的互聯(lián)網(wǎng)，將成為新一代信息技術(shù)的重要組成部分[2]。從通信過程和對象的視角看，物聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)架由全面感知層、可靠傳遞層和智能處理層三個層面構(gòu)成[3]。全面感知層利用各種可用的感知手段實現(xiàn)物體動態(tài)的即時采集，可靠傳遞層通過各種信息網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合將感知的信息實時、準確可靠地傳遞出去，智能處理層利用云計算等智能計算技術(shù)對數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理[4]。3.2物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架下的建筑電氣節(jié)能采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，利用“物聯(lián)網(wǎng)”組建智能電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算搭建的“智慧能源云管控平臺”，對一棟建筑以致一個小區(qū)的建筑群進行建筑能耗的優(yōu)化和打點，能更好地實現(xiàn)節(jié)能減排，無需對建筑做結(jié)構(gòu)上的節(jié)能改造。因為對建筑電氣的節(jié)能主要是提高建筑中的能源利用效率，即在采暖、空調(diào)、熱水供應(yīng)、照明、家用電器、新風(fēng)系統(tǒng)、監(jiān)控安防、新能源汽車、光伏發(fā)電等方面進行能耗的節(jié)約，其中以空調(diào)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和照明在建筑使用方面占據(jù)了很大的比重。將一棟建筑或者建筑群按照能耗進行分類，利用物聯(lián)網(wǎng)組建的能源管理系統(tǒng)將其分為不同的控制子系統(tǒng)，如圖1所示。通過動態(tài)監(jiān)控和實時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析，更全面的掌握能源消耗情況，從而進行更好的資源利用。與相對成熟的樓宇自動化系統(tǒng)相比，采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)布線成本低、方便施工、組網(wǎng)能力強、系統(tǒng)擴展性好、具備網(wǎng)絡(luò)自愈能力并且抗干擾能力強、功耗更低等優(yōu)點，更能全面的獲取建筑在能耗過程中的詳細數(shù)據(jù)，讓建筑能耗處于最佳運行狀態(tài)。
4物聯(lián)網(wǎng)在建筑電氣節(jié)能中的應(yīng)用
4.1環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)節(jié)能減排，監(jiān)測先行。通過環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)感知建筑內(nèi)不同區(qū)域的照度、溫濕度、空氣質(zhì)量進行檢測，并將獲取的各項環(huán)境參數(shù)發(fā)往服務(wù)器上的中央空調(diào)控制系統(tǒng)、照明空調(diào)控制系統(tǒng)、新風(fēng)控制系統(tǒng)、家庭能源管理子系統(tǒng)和光伏發(fā)電子系統(tǒng)中為其進行室內(nèi)環(huán)境調(diào)控提供數(shù)據(jù)及參考。4.2中央空調(diào)控制子系統(tǒng)中央空調(diào)控制子系統(tǒng)接收來自環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)，結(jié)合中央空調(diào)溫控系統(tǒng)閾值設(shè)置（例：低于10℃或高于26℃空調(diào)將自動開啟制熱或制冷模式），同時在空調(diào)上加裝空調(diào)節(jié)能控制器來實現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的控制。4.3照明控制子系統(tǒng)室內(nèi)照明光源采用LED節(jié)能燈的基礎(chǔ)上，照明控制子系統(tǒng)通過在房間或工作區(qū)安裝位置和光照度采集器，將房間內(nèi)的光照度信息和人員信息傳遞至照明墻控制器，由它控制照明燈具的開啟/關(guān)閉，并根據(jù)環(huán)境的光照度，通過燈具組合的方式調(diào)節(jié)照度亮度[5]。4.4新風(fēng)控制子系統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)接收來自環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并將接收數(shù)據(jù)與系統(tǒng)閾值進行綜合對比分析。在正常環(huán)境條件下，新風(fēng)系統(tǒng)處于低能耗狀態(tài)，主要完成空氣流通功能；當(dāng)空氣質(zhì)量不達標(biāo)，超過系統(tǒng)設(shè)定閾值時則啟動應(yīng)急機制，包括實現(xiàn)大功率新風(fēng)輸送以及開啟部分氧氣供給功能等。同時，不同于傳統(tǒng)的新風(fēng)交換模式直接采用室外新鮮空氣作為氣體源，本系統(tǒng)采用雙向換氣式新風(fēng)系統(tǒng)，在源空氣進入室內(nèi)前通過高導(dǎo)熱效率材料進行熱交換，將室內(nèi)欲度上降低了進入室內(nèi)的新鮮空氣與原室內(nèi)空氣的溫度差，從而降低了空調(diào)的使用頻率，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)[6]。4.5遠程抄表子系統(tǒng)通過遠程抄表系統(tǒng)，可以方便、快捷和可靠地實現(xiàn)對建筑物內(nèi)各用電設(shè)備耗電量進行抄讀，并能將相關(guān)數(shù)據(jù)自動保存�？梢酝ㄟ^抄讀的數(shù)據(jù)分析配電變壓器是處于怎樣的運行狀態(tài)、負載率是多少、是否達到了經(jīng)濟運行，同時還可以分析出無功補償設(shè)備運行情況。通過該系統(tǒng)，管理者可以獲取綜合的能源需量統(tǒng)計報表和分析報告，根據(jù)日、月、年的用電量情況全面了解電能消耗情況，輔助制定并不斷優(yōu)化節(jié)能方案、智能調(diào)整耗能設(shè)備的最佳運行狀態(tài)，更好的整合、利用資源、節(jié)約成本，建立有序的管理模式。4.6家庭能源管理子系統(tǒng)該系統(tǒng)將家庭用電分為三類：用電負載、分布式電源和儲能設(shè)備，其中將用電負載分為可調(diào)度負載（包括：洗衣機、干衣機、熱水器、洗碗機、電動汽車）和不可調(diào)度負載（包括：計算機、打印機、冰箱、家庭娛樂系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安保系統(tǒng)等）[7]。利用傳感器采集到的室內(nèi)環(huán)境、人員活動和設(shè)備工作狀態(tài)信息，通過對這些信息的分析來對用電設(shè)備進行調(diào)度和控制，在滿足用戶舒適度的前提下減少電能消耗，提高用電效率；同時，將可調(diào)度負載盡量安排在負荷低谷期工作，起到調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)峰谷差的目的，進而減少電力系統(tǒng)備用裝機容量。4.7光伏發(fā)電子系統(tǒng)隨著光能發(fā)電技術(shù)的日益成熟，居民側(cè)的分布式光伏發(fā)電將會在日照度高的地區(qū)得到較大程度的發(fā)展，尤其是在采用儲能裝置改善了電能質(zhì)量，維持了整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下。光伏發(fā)電子系統(tǒng)接收來自綜合分析子系統(tǒng)的部分參數(shù)（如：系統(tǒng)用電的峰谷期），將自身發(fā)出的電能在用電量高峰時期滿足自身需求，并在高峰期時將多余的電能賣給電網(wǎng)，而在低谷期時將電能暫時進行儲存，這樣不但起到了削峰填谷的作用更能減少系統(tǒng)中的備用裝機容量，進而起到了節(jié)能的目的。
5結(jié)束語
在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)膨脹式發(fā)展和應(yīng)用的今天，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于建筑電氣的節(jié)能僅僅是其應(yīng)用發(fā)展的一小部分。本文探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)條件下，應(yīng)用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組建智能電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)后，在中央空調(diào)、照明、家庭能源管理等幾個部分的節(jié)能應(yīng)用。不久的將來，物聯(lián)網(wǎng)將依附于超級強大的中心計算機群，以更加精細和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)水平，實現(xiàn)人類社會的長久發(fā)展�；痦椖浚罕疚南抵貞c水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研一般項目“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑電氣節(jié)能方案研究”。
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