基于物联网技术的建筑能源管理系统
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在我国目前的国情下，宏观层面的建筑能源 管理是由政府主导的，部分工作由第三方参与。 微观的建筑能源管理主要是通过对建筑物的日 常运行维护和对用户耗能行为方式实施有效的 管理，并通过能效改善和节能改造实现节能。宏 观层面的建筑能源管理是以社会或国家的利益 作为工作角度，而微观层面的建筑能源管理则是 以建筑使用者利益为出发点，在具体实施时，微 观层面的建筑能源管理必须以宏观层面的建筑 能源管理为导向，宏观层面的能源管理则最终要 落实到微观层面的能源管理上来，以此来推动建 筑节能事业的发展。
1 物联网及其在能源管理中的应用
1． 1 物联网的定义 物联 网 是 通 过 射 频 识 别 （ Radio Frequency
Identification，RFID） 、传 感 器、全 球 定 位 系 统、激 光扫描器等 信 息 传 感 设 备，按 约 定 的 协 议，把 任 一物品与 互 联 网 连 接 起 来，进 行 信 息 交 换 和 通 信，以 实 现 智 能 化 识 别、定 位、跟 踪、监 控 和 管 理 的一种网络。
（ 2） 网络层。将底层传感器数据传输到互 联网上的网络层。网络层运用各种接入技术，如 以太网、GPRS、3G、WiFi 甚至卫星通信等，最终接 入互联网。云技术强大的存储、查询、计算能力， 也都归属于这一层。
图 1 物联网系统结构图
（ 3） 应用层。根据客户自身需求，利用感知 数据或状态为用户提供有效的特定服务应用层。 应用层是对感知数据的一种特定形式的呈现。 1． 3 物联网在能源管理中的应用
要实现对微观层面的建筑能源管理分析，服 务于宏观层面的建筑能源管理工作，就涉及大量
王 娜（ 1955—） ，女，教授，从事智能建筑方面的研究。 尚伟林（ 1980—） ，男，从事基于物联网应用的智慧建筑产品的研发和项目管理。 李宏侠（ 1987—） ，女，硕士研究生，从事建筑智能化技术、物联网等方面的研究。
对于能源管理效果而言，建立以物联网数据 中心为核心的信息系统，是解决建筑运行能耗管 理问题的关键。在此基础上，将有利于建立专家 系统，为提升现代化管理水平打下基础； 全面和 深入的数据挖掘，为未来规划和决策提供依据； 与其他信息系统相结合，发挥数据聚合的作用， 提高管理能力和效率。建立以物联网数据中心 为核心的物联网信息系统，将完全改变传统管理 模式，以新的数据中心为切入点实现物联网信息 化服务，成为中国物联网产业发展的新方向，为 可持续发展及低碳经济创造新模式。
该建筑能源管理系统的能源管理应用方案 架构如图 3 所示。
图 3 能源管理应用方案架构图
（ 1） 前端机数据采集与汇总。 （ 2） 智能园区公共服务平台提供了智能园 区能源管理系统应用服务。 （ 3） 应用与展示中心通过大屏幕系统，对园 区能耗进行监控，并对能耗数据进行统计与对比。 （ 4） 通过调度操作台对园区能源进行调度
·节能技术·
基于物联网技术的建筑 能源管理系统
张 红1 ， 王 娜1 ， 尚伟林2 ， 李宏侠1 ( 1． 长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710061; 2． 航天恒星空间技术应用有限公司，陕西 西安 710075)
摘 要： 对物联网技术应用于建筑能源管理中的必要性进行了分析，并通过基于
物联网用途广泛，遍及绿色农业、工业监控、 能耗管 理、智 能 电 网、远 程 医 疗、智 能 家 居、智 能 交通和环境监测等多个领域。
将物联网技术引入到宏观层面的建筑能耗 管理中来，搭建有线和无线相结合的网络，底层 运用现场传感器及设备，上层使用托管的云计算 服务，用 云 计 算 的 强 大 能 力，可 轻 松 实 现 基 于 Web 服务的远程管理。利用物联网技术，将能耗 数据汇集到建筑能源管理数据中心，由数据中心 进行数据分析、处理，从而提供更高级的数据应 用服务，进而对建筑群能耗进行综合统筹管理， 解决了传统建筑能耗管理存在的问题。
随着数字化城市的发展，智能建筑正在由单 体向建筑群 方 向 发 展，因 此，建 筑 能 耗 管 理 不 仅 是单个建筑的能耗管理，也需要站在政府或某个
第三方的角度对建筑群甚至整个城市的能耗进 行分析管理，即建筑能耗管理可分为宏观ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理和 微观管理。宏观的建筑能源管理主要是指政策 法规的制订，在建筑设计中贯彻节能标准，对工 程项目的建筑节能进行审核、评估、监管和验收。
2 基于物联网技术的建筑能源管理系统
以航天恒星公司基于物联网的智能园区能
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源管理系统为例，介绍了基于物联网技术的建筑 能源管理系统。该系统通过“飞邻”物联网公共 数据应用服务平台将江阴广电中心的能耗管理 纳入系统，管理者可通过平台提供的信息化门户 访问，了解整栋建筑及各个楼层和各个房间的实 时能耗情况，并能够根据能耗的管理策略进行控 制管理。通过楼控系统和智能仪表系统 （ 前端 机） 将园区所有楼宇配电设施、供水设施等接入， 进行集中调 度 管 理，从 能 源 使 用 情 况、能 源 消 耗 分布、能源 配 给 情 况 等 多 方 面 进 行 数 字 化、图 形 化管理，提 供 能 耗 的 分 析、趋 势 预 警、报 警、联 动 控制等功能，对 于 能 耗 超 标、能 耗 管 控 进 行 集 中 调度。 2． 1 系统结构
不同能源 管 理 系 统，协 议 也 不 同，系 统 接 入 建筑能源管理平台有以下两种模式：
（ 1） 对于标准总线通信协议（ 如 BACnet IP / MSTP、LonWorks、Modbus ASCII / RTU / TCP、OPC 等） 可直接通过即插即用的方式读取子系统的变 量，在集成平台中进行变量映射，根据现场信息 点分布图组态为统一监控界面。
（ 2） 对于 RS-232 /422 /485、SDK、ODBC 等私 有通信协议，根据子系统的协议开发出相应的通 信驱动程序，驱动程序测试通过后，根据协议中 的内容进行变量映射，根据现场信息点分布图组 态为统一监控界面。 2． 1． 3 底层
底层能源管理系统可集中采集现场计量仪 表能耗数据及其他控制参数，同时也可下发命令 给执行器，实现各种控制功能。各种计量仪表通
0引言
随着我国经济的发展，建筑高耗能的问题日 益突出。在我国现有的约 430 亿 m2 建筑中，只 有 4% 采取了节能措施，单位建筑面积采暖能耗 为发达国家新建建筑的 3 倍以上。根据测算，如 果不采取有力的节能措施，到 2020 年，中国建筑 能耗将是现在的 3 倍以上。建筑节能已成为“十 二五”期间节能减排工作的重要一环。国务院于 2011 年 8 月 31 日下发了《“十二五”节能减排综 合性工作方 案 》，强 调 从 规 划、法 规、技 术、标 准、 设计等方面全面推进建筑节能。建筑节能的基 础是建筑能耗管理，即运用建筑智能化技术实现 建筑能耗计量及设备能效分析，采用系统集成的 手段，构建 能 耗 计 量 和 管 理 平 台，通 过 建 筑 物 能 效综合管理，达到节能的效果。
建筑能源管理平台是部署在公共网络云上 的一种物联网数据服务平台，该服务平台能够处 理和分析接入物联网云的各类数据，经过物联网
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数据服务平台处理过的数据可被推送给设备监 视者，同时也可将处理的数据结果直接推送给智 能设备，智能设备通过物联网数据服务平台处理 的结果指令执行某种动作或响应，实现对全系统 的管理，以 及 能 耗 数 据 的 储 存、加 工、查 询、分 析 等高级能源管理功能。
系统通过短信和 GPRS / CDMA 方式传送用 能数据至能源管理平台。底层系统的现场部分 采用工业以太网、Modbus、RS-485 为主要的现场 总线，以有 线 传 输 为 主、无 线 传 输 补 充 的 方 式 传 输能 耗 数 据。无 线 采 集 系 统 上 行 支 持 GPRS、 WiFi、3G、433、ZigBee 等多种通信方式，水、电消 耗量采集将使用基于 Modbus 总线的集抄系统； 部分设备数据采集将使用 RS-485 总线与工业以 太网相结合的方式； 终端信息发布系统直接采用 工业以太网总线。 2． 2 能源管理应用方案架构
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，其用户端延伸和扩展 到了物品与物品之间，进行信息交换和通信。物 联网的本质概括起来主要体现在三个方面：
（ 1） 互联网特征，即对需要联网的“物”一定 要能够实现互联、互通的互联网络。
（ 2） 识别与通信特征，即纳入物联网的“物” 一定要具备自动识别与物物通信的功能。
物联网技术的建筑能源管理系统的具体案例，介绍了物联网在建筑能源管理中的 应用。
关键词： 节能； 物联网； 建筑； 能源管理； 云计算
中图分类号： TU 855 文献标志码： B 文章编号： 1674-8417（ 2012） 07-0010-05
张 红（ 1988—） ，女， 硕 士 研 究 生，从 事 建 筑智能化及物联网方 面的研究。
·节能技术·
过现场总线或以太网（ 有线、无线） 连接到系统采 集终端。
系统还内置 AI、DI、AO、DO 端口，直接采集带 远传功能的电表、水表、燃气表等计量仪表和传感 设备数据，也可下发指令到执行器，执行参数设定 等控制。根据建筑耗能情况分析和上级指令有选 择地对耗能设备进行起停控制，实现节能需求。
（ 3） 智 能 化 特 征，即 网 络 系 统 应 具 有 自 动 化、自我反馈与智能控制的特点。 1． 2 物联网的结构
物联 网 的 结 构 如 图 1 所 示，主 要 由 三 大 块 组成：
（ 1） 感知层。包括各类传感器、控制器等数 据采集控制设备，及构成这些设备互联的底层传 感网络组成的设备感知层。感知层中的智能终 端、智能传感器、射频识别及传感网络，组成了物 联网的底层基础。
系统结构的总体框架包括： 上层（ 建筑能源 管理平台） 、中层（ 通过网络接入集成平台） 和底 层（ 建筑能源管理系统） ，如图 2 所示。
图 2 系统结构总体框架图
系统又分为两层网络： 管理层和现场控制 层。管理 层 采 用 以 太 网 （ Ethernet ） 结 构，遵 循 TCP / IP 协议，支持 100 Mb / s 以上的传输速率，可 通过网桥 或 路 由 器 和 其 他 区 域 网、广 域 网 连 接， 也可通过调制解调器和国际互联网（ Internet） 连 接。系统采用 B / S 结构，支持远程用户工作站， 多个用户可同时浏览，具有远程呼叫等功能。现 场控制层采用能源管理系统现场控制总线和通 信协议。 2． 1． 1 上层
能源管理平台模块均采用 B / S 架构，用户使 用 Web 浏览器即可登录系统，无需在客户端安装 任何软件，方 便 易 用。 经 过 扩 展 后，用 户 也 可 通 过互联网远程访问。能源管理平台还可向市、省 级公司上报分类、分项等能耗数据。能源管理平 台及其他主要的服务模块分别安装于多个专用 服务器上，包括数据接收服务器、数据存储服务 器、数据备份服务器、Web 查询服务器、应用服务 器。数据接收服务器负责接收和处理能耗采集 终端上报的数据； 数据存储服务器负责存储数 据； 数据备份服务器负责数据备份任务，通过备 份服务器实时将数据存储服务器的数据镜像到 本机，实现数据存储冗余，当数据存储服务器出 现 故 障 或 数 据 丢 失 时，可 由 备 份 服 务 器 恢 复 数 据，Web 查询服务器负责运行 Web 服务，用服务 器驱动显示器，在中控室等实现各能耗参数实时 滚动展示和实时监控功能。 2． 1． 2 中层
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的数据采集、整合与处理，这些数据内容庞大，形 式多种多样，并且随着时间推移而不断更新。科 学、高效地 处 理 和 利 用 这 些 数 据，在 以 前 是 无 法 想象的事情，需要配套的技术和解决方案对建筑 能耗进行精细化管理。利用物联网技术，将能耗 数据汇集到建筑能源管理数据中心，由数据中心 进行分析、处 理，从 而 提 供 更 高 级 的 数 据 应 用 服 务，可对建筑群能耗进行综合统筹管理。
1 物联网及其在能源管理中的应用
1． 1 物联网的定义 物联 网 是 通 过 射 频 识 别 （ Radio Frequency
Identification，RFID） 、传 感 器、全 球 定 位 系 统、激 光扫描器等 信 息 传 感 设 备，按 约 定 的 协 议，把 任 一物品与 互 联 网 连 接 起 来，进 行 信 息 交 换 和 通 信，以 实 现 智 能 化 识 别、定 位、跟 踪、监 控 和 管 理 的一种网络。
（ 2） 网络层。将底层传感器数据传输到互 联网上的网络层。网络层运用各种接入技术，如 以太网、GPRS、3G、WiFi 甚至卫星通信等，最终接 入互联网。云技术强大的存储、查询、计算能力， 也都归属于这一层。
图 1 物联网系统结构图
（ 3） 应用层。根据客户自身需求，利用感知 数据或状态为用户提供有效的特定服务应用层。 应用层是对感知数据的一种特定形式的呈现。 1． 3 物联网在能源管理中的应用
要实现对微观层面的建筑能源管理分析，服 务于宏观层面的建筑能源管理工作，就涉及大量
王 娜（ 1955—） ，女，教授，从事智能建筑方面的研究。 尚伟林（ 1980—） ，男，从事基于物联网应用的智慧建筑产品的研发和项目管理。 李宏侠（ 1987—） ，女，硕士研究生，从事建筑智能化技术、物联网等方面的研究。
对于能源管理效果而言，建立以物联网数据 中心为核心的信息系统，是解决建筑运行能耗管 理问题的关键。在此基础上，将有利于建立专家 系统，为提升现代化管理水平打下基础； 全面和 深入的数据挖掘，为未来规划和决策提供依据； 与其他信息系统相结合，发挥数据聚合的作用， 提高管理能力和效率。建立以物联网数据中心 为核心的物联网信息系统，将完全改变传统管理 模式，以新的数据中心为切入点实现物联网信息 化服务，成为中国物联网产业发展的新方向，为 可持续发展及低碳经济创造新模式。
该建筑能源管理系统的能源管理应用方案 架构如图 3 所示。
图 3 能源管理应用方案架构图
（ 1） 前端机数据采集与汇总。 （ 2） 智能园区公共服务平台提供了智能园 区能源管理系统应用服务。 （ 3） 应用与展示中心通过大屏幕系统，对园 区能耗进行监控，并对能耗数据进行统计与对比。 （ 4） 通过调度操作台对园区能源进行调度
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基于物联网技术的建筑 能源管理系统
张 红1 ， 王 娜1 ， 尚伟林2 ， 李宏侠1 ( 1． 长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710061; 2． 航天恒星空间技术应用有限公司，陕西 西安 710075)
摘 要： 对物联网技术应用于建筑能源管理中的必要性进行了分析，并通过基于
物联网用途广泛，遍及绿色农业、工业监控、 能耗管 理、智 能 电 网、远 程 医 疗、智 能 家 居、智 能 交通和环境监测等多个领域。
将物联网技术引入到宏观层面的建筑能耗 管理中来，搭建有线和无线相结合的网络，底层 运用现场传感器及设备，上层使用托管的云计算 服务，用 云 计 算 的 强 大 能 力，可 轻 松 实 现 基 于 Web 服务的远程管理。利用物联网技术，将能耗 数据汇集到建筑能源管理数据中心，由数据中心 进行数据分析、处理，从而提供更高级的数据应 用服务，进而对建筑群能耗进行综合统筹管理， 解决了传统建筑能耗管理存在的问题。
随着数字化城市的发展，智能建筑正在由单 体向建筑群 方 向 发 展，因 此，建 筑 能 耗 管 理 不 仅 是单个建筑的能耗管理，也需要站在政府或某个
第三方的角度对建筑群甚至整个城市的能耗进 行分析管理，即建筑能耗管理可分为宏观ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理和 微观管理。宏观的建筑能源管理主要是指政策 法规的制订，在建筑设计中贯彻节能标准，对工 程项目的建筑节能进行审核、评估、监管和验收。
2 基于物联网技术的建筑能源管理系统
以航天恒星公司基于物联网的智能园区能
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源管理系统为例，介绍了基于物联网技术的建筑 能源管理系统。该系统通过“飞邻”物联网公共 数据应用服务平台将江阴广电中心的能耗管理 纳入系统，管理者可通过平台提供的信息化门户 访问，了解整栋建筑及各个楼层和各个房间的实 时能耗情况，并能够根据能耗的管理策略进行控 制管理。通过楼控系统和智能仪表系统 （ 前端 机） 将园区所有楼宇配电设施、供水设施等接入， 进行集中调 度 管 理，从 能 源 使 用 情 况、能 源 消 耗 分布、能源 配 给 情 况 等 多 方 面 进 行 数 字 化、图 形 化管理，提 供 能 耗 的 分 析、趋 势 预 警、报 警、联 动 控制等功能，对 于 能 耗 超 标、能 耗 管 控 进 行 集 中 调度。 2． 1 系统结构
不同能源 管 理 系 统，协 议 也 不 同，系 统 接 入 建筑能源管理平台有以下两种模式：
（ 1） 对于标准总线通信协议（ 如 BACnet IP / MSTP、LonWorks、Modbus ASCII / RTU / TCP、OPC 等） 可直接通过即插即用的方式读取子系统的变 量，在集成平台中进行变量映射，根据现场信息 点分布图组态为统一监控界面。
（ 2） 对于 RS-232 /422 /485、SDK、ODBC 等私 有通信协议，根据子系统的协议开发出相应的通 信驱动程序，驱动程序测试通过后，根据协议中 的内容进行变量映射，根据现场信息点分布图组 态为统一监控界面。 2． 1． 3 底层
底层能源管理系统可集中采集现场计量仪 表能耗数据及其他控制参数，同时也可下发命令 给执行器，实现各种控制功能。各种计量仪表通
0引言
随着我国经济的发展，建筑高耗能的问题日 益突出。在我国现有的约 430 亿 m2 建筑中，只 有 4% 采取了节能措施，单位建筑面积采暖能耗 为发达国家新建建筑的 3 倍以上。根据测算，如 果不采取有力的节能措施，到 2020 年，中国建筑 能耗将是现在的 3 倍以上。建筑节能已成为“十 二五”期间节能减排工作的重要一环。国务院于 2011 年 8 月 31 日下发了《“十二五”节能减排综 合性工作方 案 》，强 调 从 规 划、法 规、技 术、标 准、 设计等方面全面推进建筑节能。建筑节能的基 础是建筑能耗管理，即运用建筑智能化技术实现 建筑能耗计量及设备能效分析，采用系统集成的 手段，构建 能 耗 计 量 和 管 理 平 台，通 过 建 筑 物 能 效综合管理，达到节能的效果。
建筑能源管理平台是部署在公共网络云上 的一种物联网数据服务平台，该服务平台能够处 理和分析接入物联网云的各类数据，经过物联网
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数据服务平台处理过的数据可被推送给设备监 视者，同时也可将处理的数据结果直接推送给智 能设备，智能设备通过物联网数据服务平台处理 的结果指令执行某种动作或响应，实现对全系统 的管理，以 及 能 耗 数 据 的 储 存、加 工、查 询、分 析 等高级能源管理功能。
系统通过短信和 GPRS / CDMA 方式传送用 能数据至能源管理平台。底层系统的现场部分 采用工业以太网、Modbus、RS-485 为主要的现场 总线，以有 线 传 输 为 主、无 线 传 输 补 充 的 方 式 传 输能 耗 数 据。无 线 采 集 系 统 上 行 支 持 GPRS、 WiFi、3G、433、ZigBee 等多种通信方式，水、电消 耗量采集将使用基于 Modbus 总线的集抄系统； 部分设备数据采集将使用 RS-485 总线与工业以 太网相结合的方式； 终端信息发布系统直接采用 工业以太网总线。 2． 2 能源管理应用方案架构
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，其用户端延伸和扩展 到了物品与物品之间，进行信息交换和通信。物 联网的本质概括起来主要体现在三个方面：
（ 1） 互联网特征，即对需要联网的“物”一定 要能够实现互联、互通的互联网络。
（ 2） 识别与通信特征，即纳入物联网的“物” 一定要具备自动识别与物物通信的功能。
物联网技术的建筑能源管理系统的具体案例，介绍了物联网在建筑能源管理中的 应用。
关键词： 节能； 物联网； 建筑； 能源管理； 云计算
中图分类号： TU 855 文献标志码： B 文章编号： 1674-8417（ 2012） 07-0010-05
张 红（ 1988—） ，女， 硕 士 研 究 生，从 事 建 筑智能化及物联网方 面的研究。
·节能技术·
过现场总线或以太网（ 有线、无线） 连接到系统采 集终端。
系统还内置 AI、DI、AO、DO 端口，直接采集带 远传功能的电表、水表、燃气表等计量仪表和传感 设备数据，也可下发指令到执行器，执行参数设定 等控制。根据建筑耗能情况分析和上级指令有选 择地对耗能设备进行起停控制，实现节能需求。
（ 3） 智 能 化 特 征，即 网 络 系 统 应 具 有 自 动 化、自我反馈与智能控制的特点。 1． 2 物联网的结构
物联 网 的 结 构 如 图 1 所 示，主 要 由 三 大 块 组成：
（ 1） 感知层。包括各类传感器、控制器等数 据采集控制设备，及构成这些设备互联的底层传 感网络组成的设备感知层。感知层中的智能终 端、智能传感器、射频识别及传感网络，组成了物 联网的底层基础。
系统结构的总体框架包括： 上层（ 建筑能源 管理平台） 、中层（ 通过网络接入集成平台） 和底 层（ 建筑能源管理系统） ，如图 2 所示。
图 2 系统结构总体框架图
系统又分为两层网络： 管理层和现场控制 层。管理 层 采 用 以 太 网 （ Ethernet ） 结 构，遵 循 TCP / IP 协议，支持 100 Mb / s 以上的传输速率，可 通过网桥 或 路 由 器 和 其 他 区 域 网、广 域 网 连 接， 也可通过调制解调器和国际互联网（ Internet） 连 接。系统采用 B / S 结构，支持远程用户工作站， 多个用户可同时浏览，具有远程呼叫等功能。现 场控制层采用能源管理系统现场控制总线和通 信协议。 2． 1． 1 上层
能源管理平台模块均采用 B / S 架构，用户使 用 Web 浏览器即可登录系统，无需在客户端安装 任何软件，方 便 易 用。 经 过 扩 展 后，用 户 也 可 通 过互联网远程访问。能源管理平台还可向市、省 级公司上报分类、分项等能耗数据。能源管理平 台及其他主要的服务模块分别安装于多个专用 服务器上，包括数据接收服务器、数据存储服务 器、数据备份服务器、Web 查询服务器、应用服务 器。数据接收服务器负责接收和处理能耗采集 终端上报的数据； 数据存储服务器负责存储数 据； 数据备份服务器负责数据备份任务，通过备 份服务器实时将数据存储服务器的数据镜像到 本机，实现数据存储冗余，当数据存储服务器出 现 故 障 或 数 据 丢 失 时，可 由 备 份 服 务 器 恢 复 数 据，Web 查询服务器负责运行 Web 服务，用服务 器驱动显示器，在中控室等实现各能耗参数实时 滚动展示和实时监控功能。 2． 1． 2 中层
·10·
·节能技术·
的数据采集、整合与处理，这些数据内容庞大，形 式多种多样，并且随着时间推移而不断更新。科 学、高效地 处 理 和 利 用 这 些 数 据，在 以 前 是 无 法 想象的事情，需要配套的技术和解决方案对建筑 能耗进行精细化管理。利用物联网技术，将能耗 数据汇集到建筑能源管理数据中心，由数据中心 进行分析、处 理，从 而 提 供 更 高 级 的 数 据 应 用 服 务，可对建筑群能耗进行综合统筹管理。