基于电力载波和物联网技术的建筑节能测评系统.pdf

6 4 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 1 年第4期 基 于电力载 波和物联 网技 术 的 建筑节能测评 系统 潘宗岭 ， 王超 ( 1 安徽省产品质量监督检验研 究院 ， 合肥 2 3 0 0 5 1 ； 2 蚌埠东辉 自动化科技有限公 司， 安徽 蚌埠 2 3 3 0 0 0 ) 摘要 ： 建筑物的能耗检 测点众 多， 针对传统的逐点检 测方法效率低 下问题 ， 该 系统采用 电力载 波技术将分散 的检测值 自动传输到各数据采集 系统 中， 再借助 3 G无线 网络远传到物联 网节能测 评服务平台上 ， 由系统 自动计算整体建筑的能耗情况， 并给 出节能综合评价结果。 关键词 ： 建筑能耗 ； 电力载波 ； 物联 网监控平台； 测评 系统 中图分类号 ： T P 2 7 4 5 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 6 4 0 4 A n e w bu i l d i n g e n e r g y s a v i n g e v a l ua t i o n s y s t e m b a s e d o n a p o we r c a r r i e r a nd I nt e r ne t o f t hi ng s t e c h no l o g y PAN Zo n g l i ng ，W ANG Ch a o ( 1 P r o d u c t Q u a l i t y S u p e r v i s i o n a n d I n s p e c t i o n I n s t i t u t e o fA n h u i P r o v i n c e ， H ef e i 2 3 5 1 ， C h i n a ； 2 B e n g b u D o n g h u i A u t o m a t io n T e c h n o l o g y C o ， L t d ， A n h u i B e b u 2 3 3 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ag a i ns t n ume r o u s t e s t p o i n t s o f bu i l d i n g e ne r g y c o n s u mp t i o n，a n d i n e ffic i e n c y t r a di t i o n a l d e t e c t i o n me t h o ds o f po i n t b y po i n t ，t h e s y s t e m a p p l i e s p o we r c a r r i e r t e c h n o l o g y wh i c h t r a ns f e r s t h e d e t e c t e d d i s t r i b u t e d d a t a a u t o ma t i c a l l y t o t h e da t a c o l l e c t i o n s y s t e m ，t h e n wi t h 3 G wi r e l e s s n e t wo r k s t o r e mo t e e ne r g y e v a l u a t i o n s e r v i c e n e t wo r k i n g p l a t f o r m ，t he s y s t e m a u t o ma t i c a l l y c a l c ul a t e s t h e o v e r a l l bu i l d i ng e n e r g y c o n s u mp t i o n，a n d t o g i v e e ne r g ys a v i n g e v a l ua t i o n r e s u l t s Ke y wo r ds ： b ui l di n g e n e r g y c o ns u mp t i o n； p o we r c a r r i e r ； I nt e r ne t o f t hi n g s mo n i t o r i n g p l a t f o r m ； e v a l ua t i o n s y s t e m 0 引言 通常 ， 建筑分为居住建筑和公共建筑两大类 ， 其 对应的节能测评行业标准分别 为 J G J T 1 3 2 -2 0 0 9 居住建筑节能检测标准 和 J G J T 1 7 7 -2 0 0 9公共 建筑节能检测标准 ， 主要通过测试建筑内的环境 温湿度 、 光照度等 表征参数 和建 筑消耗 的 电能 、 热 能、 水、 燃料等输入能耗， 按照上述 2个标准进行计 算评价 。能耗测评系统应包括外 围护结构 的热工性 能、 气密性、 建筑内温湿度、 空调水系统、 空调风系 统、 锅炉系统、 供电系统、 照明系统、 监测与控制系统 等等 。因此检测点的设置既多又广 ， 涉及整幢建筑 体 ， 传统方法采用就地逐点检测 ， 再取各点测试值的 周期均值进行汇总计算 ， 综合评价 ， 显然效率十分低 下 ， 耗费大量的人力物力和时间， 测试活动本身亦不 节能。针对传统测评方法 的种种缺陷 ， 该文采用电 力载波技术和物联网技术构建了一种新型的建筑节 能测评系统 ， 其特点为： 利用电力载波技术将众多分 散的检测值按分组设置 ， 传输 到各数据采集处理系 统中 ， 再借助 3 G无 线通信 网络将经处理后 的各 组 数据远传到物联网能耗测评服务平台上， 随后由系 统 自动计算建筑的能耗情况， 并对其节能效果进行 综合评价 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 51 3 作 者 简 介： 潘 宗 岭( 1 9 6 2 ) ， 男， 安 徽六 安 人， 大 学 本科， 高 级工 程 1 基于电力载波技术的测试单元 自动化技术在产品质量检验中的应用， 建筑能效测 测试单元主要由各种传感器、 变送器、 单片机、 评 标 准和 方 法 。 。 一一。 。 2 0 1 1年第 4期 工业仪表与 自动化装置 6 5 开关 电源和电力载波调制模块所构成 。单片机采用 美国德州仪器公司推 出的高精度 MS C 1 2 1 0微控制 器 ， 其集成度高， 功能强大 ， 与 8 0 5 2内核兼容 ， 但性 能远优 于 8 0 5 2系列芯片。内置 2 4位高精度 一 A D转换器 ， 3 2个数字输A 输出端 口， 并有 3个 1 6 位的计数 定时器 。在相 同的时钟频率下 ， 执行速度 是标准 8 0 5 2内核的 3倍。 由 M S C 1 2 1 0微控制器及相关元件构成其最小系 统， 主要作用是将传感器检测来的模拟信号转换成数 字信号 ， 并按规定的格式进行编码， 产生字符串， 再通 过电力载波实现测试单元与数据采集处理系统之问 的通信。M S C 1 2 1 0的晶振频率选择为 1 1 0 9 5 6 MH z ， 以便于串口通信时波特率 的设置。 用 于 电力 载 波 的 调 制 解 调 模 块 则 选 用 了 G S 1 0 0 0 A电力载波模块 。G S 1 0 0 0 A模块可用其 1 T L 电平串行接 口， 直 接与单 片机 的 R X D、 T X D连接 。 载波数据速率可根据实际应用情况设置。波特率越 低， 则通信越可靠， 抗干扰能力越强， 通信距离也越 远 ； 倘若用户线路状况较好 ， 如 电力 传输线负载较 小、 受干扰较轻 ， 或是直流线路等 ， 就可 以选择 比较 高的波特率进行通信 ； 而当线路负载较重 、 受干扰较 强、 或者想进行更远距离的通信时 ， 则应选择较低波 特率进行通信。建筑 能耗检测系统 主要是数据传 输 ， 要求通信可靠 ， 通信距离更远一些 为宜， 但对数 据传输的速度要求不高 ， 因此将载波波特率设定在 1 0 0 b p s 。 G S 1 0 0 0 A电力载 波模块 的数 据传 输类 型有 2 种 ， 一种是 固定字节长度传输 ( 定 长传输 ) ， 一种是 固定帧长度传输 ( 定帧传输 ) ， 这 2种传输方式各有 优点 ， 该系统由于每个测试点参数仅有一个 ， 所以采 用定长( 1 6位 ) 传输 ， 其 中读写控制指令 4位 、 检测 单元代码 4位 、 检测参数定 义 2位 、 检测值 4位 、 校 验 2位 试单元选择 ， 其 G S 1 0 0 0 A模块 的调制功能发出调制 载波信号 ， 利用 MS C 1 2 1 0微控 制器 的 A D转换 口 和数字输入口， 接收处理传感器来的检测信号； 集采 系统则使用 自身 G S 1 0 0 0 A模块的解调功能 ， 且通过 MS C 1 2 1 0的 R S 2 3 2串行通信接 口与便携式计算 机 组合在一起。该 系统主要是将该层各个测试单元来 的检测信号通过电力载波解调器集 中收集处理 ， 其 中包括各个测试单元 的身份识别 、 检测值初步处理 等。集采系统采用 We b A c c e s s 组态软件进行动态显 示和界面控制 ， 并 通过 3 G无线 网络 与物联 网服务 平 台通信 ， 具有远程访 问和远程测控功能。 传感器 图 1 测试单兀与数据集采系统结构简 图 由于每层的测试单元可能多达几十个 ， 为 了可 靠读取各点的测试值， 集采系统采取巡读和编程读 入的方式进行数据采集。首先 由计算机编程发出读 人指令给集采系统 的单片机 ， 由其按 照编程顺序通 过电力载波和各个测试单元的单片机进行通信数据 交换。通信模式如图 2所示。 M S C1 21 O T ( D RXD GND GS1 0 0 o A RXD T XD GND M S C1 2 l O T XD RXD GND 图 2 测试单元与集采系统之间通过电力载波通信示意图 2 数据集 中采集处 理系统 3 检测布局及传感器件选择 通过电力载波的信号传输距离虽然较远 ， 但会 受到一定的条件限制， 若要满足更远距离的信号传 输， 更宜采用无线通信技术。同时， 因建筑能耗检测 需涵盖整栋建筑， 监测点设置甚多， 为此， 在每一个 测试楼层都配置了一套数据集 中采集处理系统 ( 下 称“ 集采 系统 ” ) 。该 系统 由解调器 、 单 片机 和配有 3 G无线通信模块的便携式计算机构成。 图 1 为测试单元与数据集中采集处理系统结构 简图。二者的硬件主体结构完全相同， 区别在于测 将建筑能耗检测系统布局成 3个测试层 ： 1 ) 顶层测试 主要是对太 阳能热水系统进行性能测试 ， 通过 设置的温度传感器、 辐射传感器、 风速传感器、 流量 传感器等检测太阳能热水器的热性能， 以计算出建 筑获取的可再生能源参数。 2 ) 中间层测试 主要检测外围护结构的热工性能、 气密性、 建筑 内温湿度、 空调风系统、 照明系统等， 以分析计算出 6 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1年第 4期 建筑物外围护结构 的热工缺陷和隔热性能、 外围护 结构热桥部位 内表面温度 、 围护主体部位热传导系 数 、 外窗窗口的气密性 、 室内管网水力平衡度和热损 失率 、 空调能耗 、 单位采暖能耗 、 标准照明能耗等 ， 以 计算出标准工况下建筑能量损益情况 。 3 ) 底层测试 主要检测空调水 系统 、 供热系统 、 供 电系统 、 供 气系统等 ， 主要是进行建筑输入的能量测定。 因为现场冷水 ( 热泵) 机组实际性能系数检测 、 冷源系统能效系数检测 、 水系统供 回水温度检测 、 回 水温度一致性检测、 水泵效率检测等内容的传感器 设置 ， 不可对原系统造成影响， 故不能采用截断或插 入管道的方式安装传感器 ， 因此 ， 对所有的检测位置 都采用了非截入式检测， 即在不影响建筑内设备正 常运行下进行检测。根据适用性原则和有关技术要 求 ， 选择确定了主要检测器件 ： 1 ) 温度检测选 用管状贴壁式铂 电阻作为温度 传感器 ， 误差精度为 0 5 ， 量程为 一 5 01 8 0 c I = ； 2 ) 流量检测选用非 接触式 的外夹 型超 声波 流 量计 ， 可避 免影 响管道 的水质 和使用 ， 精 度为 1 5 级 ， 并配 用 了适应 不 同 口径 和 S U S管 、 铁 管、 P V C 管 、 玻璃磁管等不同材质管道 的传感探头 ； 3 ) 电能检测选用钳式电流传感器和电压传感 器 ， 精度为 0 2级 ； 4 ) 其他室内检测元件均采用便携式传感器 ， 以 便现场检测人员可 以方便进行安装 ， 且不影 响被检 用户的正常使用 。 4评价方法简述 有关标准对每一个测试项 目都规定了测试程序 和计算方法 ， 限于篇 幅， 此处仅举“ 冷源系统 能效 系 数检 测 评 价 方 法 ” 为 例， 予 以 简要 诠 释， 如 图 3 所 示 。 图 3 冷水源检测示意图 1 ) 测试对象： 所有独立的冷源系统； 2 ) 测试方法： 在检测工况条件下每 51 0 ra i n 检测一次， 连续 6 0 m i n 检测并取其平均值； 3 ) 测试内容： 冷水平均流量 ( m h ) ； 冷水平 均进出、 口温差 ( o C) ； 冷水平均密度 P( k g m ) ； 冷水平均定压比热 c ( k J ( k g o C) ) 。 P和 c可根据介质进、 出 口平均温度 由物 理参 数表查取。 4 ) 冷水机组 、 空调器、 水泵 等系统所有涉 及 的 电力耗损也 同步测试 ， 并累积计算平均值之和。 5 ) 冷源系统的能效系数 E E Rs Y s =Q o 其 中： 冷供应量 Q 。 =v p cA t 3 6 0 0 ； Ni 为冷 源系统所有用 电设备平均输入功率之和。 6 ) 标准判定要求 冷源系统能效系数不应小于表 1中的值 ， 符合 即判为合格； 不符合则判为不合格。 表 1 标准判定 其他项 目的检测 和评价方式均有详 细规定 ， 此 处不再详述。 基于上述 的测试 ， 系统将对各个子系统分别进 行单项能效评价和整体能效评价。 5 基于物联 网技术 的监控服 务平台 物联 网概念最早是在 1 9 9 9年提 出的， 含义是 ： 通过信息传感设备， 以及模数化终端， 按约定的协 议 ， 把任何物品与互联 网连接起来 ， 进行信息交换 、 通信和控制， 以实现智能化识别、 定位、 跟踪、 监控和 管理 的一种网络。简 言之 ， 物联 网就是指各类 传感 器和现有 的“ 互联 网” 相互衔接 的一种新 网络。这 里有两层意思： 第一 ， 物联网的核心和基础仍然是互 联 网， 是在互联 网基础上 的延伸和扩展 的 网络 ； 第 二 ， 其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间， 进行信息交换和通信 。 3 G是指将无线通信与互联网等多媒体通信结 合的新一代移动通信系统。该系统就是借助于 3 G 无线通信网络的支持 ， 构建 了一个 物联 网监控服务 平 台， 主要实现 以下 目的： 建立专门网站 ( 包括服务器 、 路 由器 等硬件设 施) ， 编制物联 网控制软件和用户使用界面 ； 通过 I P 地址设定和各个集采 系统 的 S I M卡身份识 别， 实现 2 0 1 1年第4期 工业仪表与自动化装置 6 7 服务平台对各集采系统 中每个检测点的监控。 用户可使用用户名 、 密码 ， 登 录专用 网站 ， 通过 事先约定的授权权限选择对每一个集采系统测试状 态的监控和远程数据交换。同时通过 网络技术可以 为不同需求的人员 、 不同性质的用户 、 不同地域的终 端充分利用这一资源提供服务。 在集采系统上还加装 了 G P S定位模块 ， 以便终 端用户可 以在电子地图上准确显出每个工作的测试 单元所处地理位置 ， 根据授权级别 可以点击各测试 单元查看其相关参数， 修改设定等， 并可同时向多用 户开放接受访问， 以达到测试数据公开透明。 因检测点散 布整个建筑物 ， 要求所有数据采集 与信号传输均具备 良好的同步性 ， 故而采用 了分层 集 中采集处理的方式 ， 以保证数据的时效性和可 比 性。还将监控设备安装在汽车上， 专门制成车载式 中央集中监控系统 ， 去受检建筑物周围巡检 ， 检查前 端设备的工作状态， 验证数据及传输的可靠性。 构建 的建筑节能测评系统， 也可 以在建筑 内设 置好测试点后 ， 实施无人值守远程监控 ， 并且可以同 步向测试监管部门、 被测部 门同时开放 网络访问查 询检测数据等功能。且 由于测试数据全部存放到物 联网的服务器上 ， 大大提高了系统 的可靠性。 该系统还可以及时计算建筑内的局域能耗情 况， 对超耗采取报警提示。因此该系统不仅可以作 为建筑节能评价机构的检测手段 ， 也可 以作为业 主 实时对建筑物的能耗进行监控 ， 以保 障建筑物始终 处于节能运行状态。 建筑节能测评系统网络结构如图 4所示。 检测部门I l 检测监管部门I J 被测业主l J 相关用户l l 其他用户 互联网 物联网节能测评服务平台( 服务器) 3 G无线网络 l l 3 G无线网络 I l 3 G无线网络 集中采集处理系统 1 J I集中采集处理系统2 l I 集中采集处理系统3 圉 1 2 11 3 1 1 4 1 6 结 束 语 2 三 徐 佩 霞 数 ,2据0 1采1 (集2 )系 ：统10 网- 1络2 接 入 的 设 计 采用电力载波技术和物联 网技术构建的新型建 与实现 J _ 数据采集与处理， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 9 9 1 0 2 筑节能测评 系统通过实际应用 ， 显示其具有检测数 3 赵莹 基于物联网架构的 E P C无线通信协议研究 ： ，： 曼 艘 术 北 京 棚 好 时 效 性 和 同 步 性 等 优 势 ，并 节 省 了 大 量 的 有 线 喜 l0 一 “ 连接导线 ， 尤其是可实现远距离传输和多用户监控 ， 5 肖慧彬 物联网中企业信息交互中间件技术开发研究 有利于对节能建筑质量的实时监控 ， 快捷分析和规 D 北京 ： 北方工业大学， 2 0 0 9 范要求。