摘 要：為打造低碳綠色校園，營造良好的學習環境，針對目前校園建筑能耗大，特別是空調節能困難等問題，特采用物聯網技術構建校園建筑能耗智慧監控平臺。通過設計空調監控子系統，搭建空調監控模型實現了空調等智能硬件設備根據環境自動調節溫濕度等多種控制模式，從而達到節能、降耗與降低成本目的。智慧監控云平臺的設計使用戶對電量數據、能耗信息等進行監控，實現了真正的節能、高效、安全和低耗。

關鍵詞：物聯網；建筑能耗；智慧監控；遠程管理；網關；能耗

0 引言

隨著社會經濟的飛速發展，人民生活質量不斷提高，由此人們對生活和工作的智能化環境關注度也越來越高。當下，人們對建筑消費的重點已從“硬件（裝修和耐用的消費品）”消費轉向“軟件（功能和環境品質）”消費，如何降低保障室內空氣品質所需的能耗（空調、通風、采暖、熱水供應）成為關注熱點。狹義的建筑能耗，即建筑的運行能耗，指人們日常用能，如采暖、空調、照明、炊事、洗衣等，是建筑能耗的重要組成。據統計，在建筑能耗中，空調能耗占較高比例，約為2/3，建筑能耗與工業能耗、農業能耗及交通運輸能耗稱為民生能耗，我國空調能耗約占總能耗的22%。

隨著近幾年校園的不斷合并與擴建，我國校園空調持有量持續上升，相應的能耗也隨之上漲。倘若維持空調原有能效，預計到2050年，我國校園空調能耗將增長一倍以上。因此，建設建筑節能型校園是低碳綠色城市建設的重要環節之一。通過結合物聯網、自動控制和傳感等技術，建設校園建筑能耗智慧監控平臺，包括校園建筑能耗智慧監控平臺的總體設計和校園建筑能耗空調監控模型的搭建與子系統的設計，從而實現智慧監控，進一步提高校園建筑能耗空調的運行效率，實現節能減排。

1 校園建筑能耗存在的問題

學校是我國公建節能和綠色建筑的重要領域，住建部發布的《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》中多次提及綠色節能校園建設。在政府大力支持與學校的積極響應下，目前各學校都著力建設綠色節能型校園。但當前學校節能工作仍然面臨著很大挑戰，存在以下問題。

（1）隨著我國城市化進程不斷加快，以及國家對教育領域的大力支持與投入，隨著校園建筑面積的擴大，以及空調、學生電腦等插電設備的使用，使得能耗問題變得較為嚴重，

造成建筑能源的很大浪費。

（2）現有的耗電設備智能化程度低，部分學生因節能意識薄弱，時常在離開教室或公共場所時不關空調等耗電設備，而這些耗電設備不會根據環境的變化按時段、按需求和按人數等進行自動調整，也不會根據溫濕度、光照度的變化進行多種控制模式的調節，導致浪費大量能耗。

（3）現有校園建筑能耗監控平臺技術水平不高。在平臺的設計中較少把能耗信息與建筑信息相關聯，且數據可視化程度不高，真正對能耗的預測與監控技術應用較少，無法實現節能、低耗、安全和管控等目的。

近幾年隨著物聯網技術、傳感技術與云計算技術等的快速發展，考慮到學校巨大的建筑能耗，建設校園建筑能耗智慧監控平臺，打造綠色節約型校園勢在必行。

2 校園建筑能耗智慧監控平臺的總體設計

通過高效數字化信號采集技術結合物聯網相關通信技術，構成了校園建筑能耗智慧監控平臺，主要包括智慧用電單相模塊、智能插座、智能網關以及云平臺等，支持遠程管理和控制，可根據控制策略實施聯動管理。校園建筑能耗智慧監控平臺總體設計如圖1所示。

該平臺的設計采用物聯網三層架構體系與云數據中心相連，通過無線傳感模塊對是否有人、溫濕度等環境數據進行采集，利用智能電源控制器實時正確地掌握空調等智能硬件設備的工作狀態，建立各類安全策略，對異常狀態及時報警，運用ZigBee技術接入智能物聯網網關，采用 4G，5G，WiFi，以太網等網絡通信技術接入云平臺，實現了在無人或人少的情況下，按時段、按需求、按環境等對智能設備進行控制，避免無人空調未關、溫濕度適宜空調仍高速運轉等現象，實現空調根據環境自動調節溫濕度等多種控制模式，達到節能降耗要求。云平臺對電量數據、能耗信息進行了長期存儲，方便查詢，便于用戶了解用電量，實現對校園建筑能耗的實時監控。

3 校園建筑能耗空調監控子系統的設計

根據現有校園的特點，提供兩種方式進行溫濕度控制，即通過智能電扇控制終端來管理電扇的速度以及運行，允許遠程調節風扇檔位，或通過溫濕度感知、環境智控終端及空調構成一套溫濕度控制系統，如圖2所示。

3.1 空調監控子系統

智慧溫濕度環境系統（空調）主要由溫濕度智能感知模塊、環境智控終端、無線控制模塊（可控制空調并帶有自學習功能）、學校現有空調組成，可以擴充網關接入智慧環境管控平臺，支持移動端和 PC 端設備遠程控制和管理。溫濕度智能感知模塊高速、高精度地檢測環境溫濕度后將數據傳送給環境智控終端。環境智控終端根據手動或遠程配置好的控制策略進行空調運行控制 ；無線控制模塊負責對空調設備進行無線控制。子系統組成如圖 3 所示。

利用云計算技術通過云平臺實現對傳感模塊實時數據的 長期存儲與正確顯示，控制空調等智能硬件設備產生的監測數據，方便對其進行長期管理。

3.2 空調監控子系統功能需求

（1）支持特定情況下手動設置運行溫度控制目標，設備根據環境的真實測量值，自動控制環境溫濕度直至達到手動設定的目標值 ；

（2）能夠自動識別教室環境的溫度、濕度，根據設置好的目標參數自動調節空調運行，控制空調的制熱、制冷、除濕，確保教室環境始終處于恒定舒適狀態 ；

（3）支持空調等設備的遠程管理，可以遠程配置空調管理策略，如溫度達到 32 ℃后打開空調，設置時間段關閉空調等 ；

（4）利用采集的環境數據進行自動分析，不斷優化環境的控制條件，在確保環境舒適度的前提下，節約能源，優化人力維護和管理成本 ；

（5）實現風扇速度調節和控制，支持風扇遠程關閉和開啟。

3.3 校園建筑能耗空調監控模型的搭建

結合校園建筑的實際情況與用戶使用空調的行為習慣，根據建筑空調子系統的特征和原理，采用物聯網等技術實現數據采集。搭建的校園建筑能耗空調監控模型如圖4所示。

根據空調的運行原理設計模糊控制器，通過分析歷史數據并與相關數據進行比較后建立知識庫，對可能產生的問題進行預警，并對用戶產生的數據進行診斷與預測，有效降低建筑能耗，實現校園建筑節能目標。

4 高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監控與運維

集成設備所有數據，綜合分析、協同控制、優化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動運維， 班組重新優化整合，減少人力配置。

4.2后勤計費管理

采用先進的網絡抄表付費管理技術，實現電、水、氣等能源綜合計費，實現遠程抄表、費率設置、 賬單統計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養用能群體和部門的節能意識。

4.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發基礎用電額度和定時通斷功能；可進行惡性負載識別，檢測違規電氣，并可獲取違規用電跳閘記錄。

4.2.2商鋪水電收費

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預付費管理。

4.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網、荷、儲、充”信息能源結構中是必不可缺的。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必不可缺的一部分。

4.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實現校園內任一線路，任一個路燈的定時 開關、強制開關、亮度調節，以及定時控制方案靈活設置，確保路燈照明的智能控制和高效節能。

4.3能源管理系統

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統計分析，包含同比分析、環比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建筑的分類進行采集和統計的各類建筑耗電數據。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數據分門別類的分析，提供領導決策，提高管理效能。

構建符合校園節能監管內容及要求的數據庫，能自動完成能耗數據的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統性的能耗審計報告，能夠監測能耗設備的運行狀態，設置控制策略，達到節能目的。

4.4智慧消防系統

智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、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。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統化”需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。

5.平臺部署硬件選型

5.1電力監控與運維平臺