基于电力载波和物联网技术的建筑节能测评系统

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
【摘要】Against numerous test points of building energy consumption, and inefficiency traditional detection methods of point by point, the system applies power carrier technology which transfers the detected distributed data automatically to the data collection system, then with 3G wireless networks to remote energy evaluation service networking platform, the system automatically calculates the overall building energy consumption, and to give energy - saving evaluation results.%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3G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.【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》
【年(卷),期】2011(000)004
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】建筑能耗;电力载波;物联网监控平台;测评系统
【作者】潘宗岭;王超
【作者单位】安徽省产品质量监督检验研究院,合肥230051;蚌埠东辉自动化科技有限公司,安徽蚌埠233000
【正文语种】中文
【中图分类】TP274+.5
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《JGJ/T132—2009居住建筑节能检测标准》和《JGJ/T177—2009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3G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。

1 基于电力载波技术的测试单元
测试单元主要由各种传感器、变送器、单片机、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MSC1210微控制器，其集成度高，功能强大，与8052内核兼容，但性能远优于8052系列芯片。

内置24位高
精度Σ-Δ A/D转换器，32个数字输入/输出端口，并有3个16位的计数/定时器。

在相同的时钟频率下，执行速度是标准8052内核的3倍。

由MSC1210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间的通信。

MSC1210的晶振频率选择为11.095 6 MHz，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GS1000A电力载波模块。

GS1000A模块
可用其TTL电平串行接口，直接与单片机的RXD、TXD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100 bps。

GS1000A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(16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。

2 数据集中采集处理系统
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3G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，区别在于测试单元选择，其GS1000A模块的调制功能发出调制载波信号，利用MSC1210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GS1000A模块的解调功能，且通过MSC1210的RS232
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WebAccess组态软件进行动态显示和界面控制，并通过3G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。

图1 测试单元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入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。

图2 测试单元与集采系统之间通过电力载波通信示意图
3 检测布局及传感器件选择
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-50～180℃;
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 SUS管、铁管、PVC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5～10 min检测一次，连续60 min检测并取其平均值;
3)测试内容:冷水平均流量V(m3/h);冷水平均进出、口温差Δt(℃);冷水平均密度ρ(kg/m3);冷水平均定压比热c(kJ/(kg.℃))。

ρ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
其中:冷供应量Q0=V·ρ·c·Δt/3600;∑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 标准判定类型单台制冷量(kW) EER-SYS(kW/kW)1.8 2.0＜528 2.3水冷冷水机组 528～1 163 2.6＞1 163 3.1风冷或蒸发冷却≤50＞50
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1999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。

3G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3G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IP地址设定和各个集采系统的SIM卡身份识别，实现服务平台对各集采
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GPS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。

图4 建筑节能测评系统网络结构示意图
6 结束语
采用电力载波技术和物联网技术构建的新型建筑节能测评系统通过实际应用，显示其具有检测数据采集快，信号传输快，工作效率高，功能强，具有良好的时效性和同步性等优势，并节省了大量的有线连接导线，尤其是可实现远距离传输和多用户监控，有利于对节能建筑质量的实时监控，快捷分析和规范要求。

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