摘 要：在保證建築使用舒適度的情況下，為(wei) 對建築電力能耗情況實時監測與(yu) 預測，本研究探索基於(yu) 物聯網技術的建築能耗感知預測係統的建設方法，提出係統架構及相關(guan) 配置情況，闡述係統的典型應用，為(wei) 能耗感知預測係統的研發提供思路，助力實現建築運行過程中節約能耗、提高能源使用效率的目的，提高現代化城市管理能力。

關(guan) 鍵詞：物聯網技術 ；建築能耗預測 ；能耗監測係統

1引言

隨著經濟的發展與(yu) 人口數量的增加，人們(men) 對能源的需求也急速增長，統計結果表明，全國建築全過程能耗與(yu) 碳排放變化總體(ti) 上呈現出一致性的階段性特點 ，2005 年~2019 年 ，我國建築的全過程能耗由9.34億(yi) 噸標準煤上升22.3億(yi) 噸標準煤，年均增長率 6.3%，建築全過程碳排放由 22.34 億(yi) 噸二氧化碳增 長 到 49.97 億(yi) 噸 二 氧 化 碳 ，年平均增長率為(wei) 5.92%，其中 ，2019 年建築運行階段碳排放 21.3 億(yi) 噸，占全國碳排放的21.6%，雖然年均增長率逐漸放緩，但是建築運行過程中能源消耗依然占很大比重，因此，建築物的能耗監測與(yu) 預警成為(wei) 眾(zhong) 多學者的研究對象。胡瑩堅[1] 為(wei) 避免地下室中布線困難等問題，開發了基於(yu) LoRa 技術的建築物能耗監測係統；陳輝[2] 以建築物耗能特點為(wei) 研究對象，在建築物節能標準中提取影響能耗的主要因素，並建立神經網絡算法對建築物能耗仿真，提高建築物能耗評估的智能度；侯驍虎[3] 以物聯網技術、傳(chuan) 感器技術與(yu) 軟件開發技術為(wei) 實現手段，結合當前國內(nei) 外高校在能耗監測應用係統開發與(yu) 應用方麵所積累的經驗，為(wei) 某高校開發了校園能耗監測綜合管理平台。開發基於(yu) 物聯網技術的電力能耗感知預測係統，對建築物電力能耗進行實時預測和監控，存儲(chu) 過往曆史數據，預測用電高峰期與(yu) 低穀期，實現電力資源的“削峰填穀"，可以有效提高能源的使用效率，減少能源浪費。

2建築能耗感知預測係統

2.1 物聯網技術概述

21世紀以來，物聯網技術發展迅速，已經成為(wei) 我國信息產(chan) 業(ye) 的重要組成部分。物聯網技術主要通過前端設備的布置，將采集到的信號與(yu) 網絡進行連接，通過有線或者無線方式將信號實時傳(chuan) 輸[4] ，實現對物體(ti) 的有效定位、識別等功能。物聯網技術架構主要分為(wei) 三層，即：感知層、網絡層和應用層[4] 。感知層依靠安裝布置在物體(ti) 上的傳(chuan) 感器設備，對物體(ti) 信息采集與(yu) 發送，網絡層在接收到信息後，使用互聯網、無線網絡等技術將信息傳(chuan) 送到應用層，通過應用層對信息進行智能處理，實現物體(ti) 實時監控或控製的智能化管理體(ti) 係。

物聯網技術的發展和通信技術的進步加快了我國智慧城市的發展進程，建築能耗感知與(yu) 預測作為(wei) 智能建築的重要分支，也將得到更加廣泛的應用。

2.2係統架構

建築能耗感知預測係統主要依托於(yu) 物聯網技術以及智慧城市管理平台（見圖1），整體(ti) 係統架構根據物聯網基本架構分為(wei) 感知層、傳(chuan) 輸層和應用層三部分，應用層依據係統實際應用功能分為(wei) 能耗數據管理子係統及能耗預測子係統兩(liang) 部分。

本文研究對象為(wei) 建築物的電力耗能，能耗管理子係統對建築物已發生的耗能進行有效記錄與(yu) 存儲(chu) ，能耗預測子係統根據傳(chuan) 感設備采集到的預測指標對建築物能耗進行預測，便於(yu) 建築管理人員對能耗進行有效把控。

3係統功能

3.1能耗感知模塊

物聯網技術的本質是通過互聯網實現物與(yu) 物之間的相互連接，並實現物與(yu) 物之間的信息聯通和交互[5] 。建築物能耗的實時感知依賴互聯網設備的布置，能耗數據通過傳(chuan) 感器設備采集後，利用無線通信技術傳(chuan) 輸到服務器，服務器將數據進行處理後存儲(chu) 在後台數據庫，並在能耗管理平台展示能耗情況。

傳(chuan) 感裝置用於(yu) 采集各類數據，包括能耗監測數據和環境監測數據，能耗監測數據用於(yu) 建築物能耗實時感知，環境監測數據用於(yu) 能耗預測。能耗感知模塊會(hui) 對房間的能耗實時監測對比，當房間內(nei) 的耗能超過曆史消耗能耗的高值時，則會(hui) 在係統頁麵對建築管理人員提示，建築管理人員不僅(jin) 可以查看能耗實時數據，還可對曆史數據進行分類篩選、搜索等操作，便於(yu) 管理人員的決(jue) 策。

3.2 能耗預測模塊

能耗預測模塊配合能耗管理係統，根據曆史數據對建築物未來能耗進行準確預測，合理優(you) 化用電配置，減少建築用電浪費和碳排放。本研究基於(yu) 物聯網技術采集能耗預測所需指標 ，構建 BP（Back propagation 反向傳(chuan) 播）神經網絡進行建築物能耗預測，其基本流程如圖2所示，通過傳(chuan) 感器采集室外溫度等所需信息，將采集到的信息傳(chuan) 輸到管理平台，將模型數據擬合後便得到建築能耗預測結果，將結果返回用戶界麵。BP神經網絡算法是一種多層前饋神經網絡，基於(yu) 下降法進行求解[6] ，能夠模擬人的思維模式對機製進行學習(xi) ，被廣泛地應用於(yu) 建築領域的能耗預

測。

BP神經網絡包括輸入層、隱含層與(yu) 輸出層，在本研究當中，輸入層指標包括建築麵積、室外溫度、空調維持溫度以及人員密度四個(ge) 指標，經過擬合後得到建築物耗電量結果，即輸出層，其神經元個(ge) 數為(wei) 一，而隱含層的神經元個(ge) 數是通過算法訓練過程中的不斷調整達到優(you) 的。

本研究中算法的訓練數據為(wei) 天津市中新生態城某幼兒(er) 園的曆史數據，數據集溫度覆蓋-8%至32℃，基本滿足全年所有工況。算法訓練完成後進行封裝，在進行能耗預測時將建築麵積、室外溫度、空調維持溫度以及人員密度四個(ge) 指標輸入算法，算法經過擬合計算後得到建築能耗預測結果，並將結果返回用戶界麵，如圖2結果輸出部分所示。

4係統典型應用

4.1 信息存儲(chu) 功能

智慧城市管理平台後台內(nei) 置數據庫，存儲(chu) 建築能耗曆史數據，便於(yu) 管理者查詢使用的同時，可用於(yu) 算法訓練優(you) 化迭代。

4.2 信息查詢功能

可以按照時間段對能耗數據進行查詢篩選，同時，還可以按照能耗量篩選數據，便於(yu) 管理者分析曆史數據，合理製定能源使用策略。

4.3 能耗異常預警功能

係統可對能耗實時感知，並與(yu) 曆史平均數據進行對比，若出現過高或過低的異常情況，則在管理平台中顯示警報，提示建築管理人員對該建築或房間的能耗情況進行調查。

4.4 能耗預測功能

構建BP神經網絡，使用物聯網設備采集相關(guan) 指標，自動預測耗電量，得到某一房間或建築的預測耗能，給建築管理人員的能源分配決(jue) 策提供指導。

5 Acrel-EIOT能源物聯網雲(yun) 平台

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯網開放平台是一套基於(yu) 物聯網數據中台，建立統一的上下行數據標準，為(wei) 互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平台。用戶僅(jin) 需購買(mai) 安科瑞物聯網傳(chuan) 感器，選配網關(guan) ，自行安裝後掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(ye) 數據服務。

該平台提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、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，並支持多平台、多語言、多終端數據訪問。

（2）應用場所

本平台適用於(yu) 公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管係統集成商、小型物業(ye) 、智慧城市、變配電站、建築樓宇、通信基站、工業(ye) 能耗、智能燈塔、電力運維等領域。

（3）平台結構

（4）平台功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實現對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環境友好。在智能化方麵實現供配電監控係統的遙測'、遙信、遙控控製，對係統進行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方麵，可以顯示或查詢供配電室內(nei) 各設備運行（包括曆史和實時參數，並根據實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現從(cong) 能源數據采集、過程監控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產(chan) 以及使用的全過程有機結合起來，運用先進的數據處理與(yu) 分析技術，進行離線生產(chan) 分析與(yu) 管理，實現全廠能源係統的統一調度，優(you) 化能源介質平衡、有效利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節能降耗和提升整體(ti) 能源管理水平的目的。

能耗概況

預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權限分配，查看係統日誌等功能；

2）係統配置：對建築、通訊管理機、儀(yi) 表及默認參數進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執行開戶、銷戶、遠程分合閘、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程售電、退電、衝(chong) 正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表中心：提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢，本係統所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導出。

預付費看板

充電樁管理

通過物聯網技術，對接入係統的充電樁站點和各個(ge) 充電樁進行不間斷地數據采集和監控，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、絕緣檢測故障等一係列故障進行預警。雲(yun) 平台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、財務管理、變壓器監控、運營分析、基礎數據管理等功能。

智能照明

智能照明通過物聯網技術對安裝在城市各區域的室內(nei) 照明、城市路燈等照明回路的用電狀態進行不間斷地數據監測，也可以實現定時開關(guan) 策略配置及後台遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，並達到一定節能減掛的效果。

監控頁麵

安全用電

安全用電采用自主研發的剩餘(yu) 電流互感器、溫度傳(chuan) 感器、電氣火災探測器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩餘(yu) 電流）進行不間斷的數據跟蹤與(yu) 統計分析，並將發現的各種隱患信息及時推送給企業(ye) 管理人員，指導企業(ye) 實現第一時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現“防患於(yu) 未然"的目的。

智慧消防

通過雲(yun) 平台進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。原先針對“九小場所"和危化品生產(chan) 企業(ye) 無法有效監控的空白，適應於(yu) 所有公建和民建，實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“係統化"、用電管理“精細化"的實際需求。

（5）係統硬件配置

6結論

綜上所述，隨著物聯網技術的進步和智慧城市的發展，基於(yu) 物聯網技術構建建築物能耗感知預測係統，可以使建築物能耗可視化、存儲(chu) 曆史數據、賦能城市管理水平、提高建築管理能力以及能源使用效率。

安科瑞侯文莉