CN115906396A - 一种被动式建筑能源管理系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种被动式建筑能源管理系统，包括云平台、服务器、协议转换网关、有线或无线网关、发电装置和检测装置，互服务器与协议转换网关通过BACnet协议或TCP/IP协议物联网络通讯，协议转换网关与有线或无线网关通过Lora网关或4G网关实现物联网络通讯，检测装置包括环境监测传感器、计量表具，有线或无线网关与环境监测传感器、计量表具、光伏风力发电以及储能系统通过Modbus‑RTU协议物联网络通讯，通过云平台云计算技术对采集数据进行分析处理后，云平台向就地服务器发送指令和控制策略。本发明不仅实现了被动式建筑的整体用能监测，还可以对未来能源管理趋势做出了一定的预测，系统通过汇总数据并分析，进行负荷预测和预警管理。

Description

一种被动式建筑能源管理系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种管理系统，具体是一种被动式建筑能源管理系统。

背景技术

当下的改造及新建被动式建筑所具备的节能效果，已经逐渐趋于完善。但针对被动式建筑的能源管理及节能效果分析等功能，仍然处于起步阶段。

现状问题：国内现有被动式建筑系统，已经逐渐在节能改造与提高使用品质方面出具成效，但是在整体的能源管理与系统性的数据分析方面依旧欠缺。

下面简单介绍两种已有专利提出的建筑智慧系统技术领域的方案：

方案一：专利公开号(CN113251570A)公开了一种用于被动式超低能耗七恒建筑的智慧系统，包括：数据传输系统：数据传输系统包括各类传感器接收的室内各指标数据信息，还包括GPS定位位置信息；数据交换器：能够将数据传输系统的数据传递给在线云系统以及总服务器；在线云系统：在线云系统包括能够存储用户信息的用户数据库，同时还具备云计算能力；设备控制系统：设备控制系统包括中央处理器，中央处理器能够调用在线云系统传递的最适宜的室内环境数据信息，同时中央处理器通过控制各个设备调节得到最适宜的环境数据信息，从而达到智能控制的效果；总服务器：总服务器中包括总服务器数据库，总服务器数据库能够接收数据信息并根据地域环境进行分类，同时总服务器数据库能够通过数据共享与用户数据库进行对接。该专利针对被动式建筑提出了一种低能耗的智慧管理系统，在被动式建筑“七恒”功能上具有十分有效的作用，通过与计算技术实现了被动式建筑的整体管控。

方案二：专利公开号(CN113324289A)公开了一种全智能被动式超低能耗七恒建筑系统，包括恒温系统、恒湿系统、恒氧系统、恒洁系统、恒静系统、恒压系统、恒智系统，还包括密封系统，密封系统包括密封玻璃结构，外保温结构和断热桥结构；恒温系统包括温度传感器，进风系统、升/降温设备和阳光管理系统；恒湿系统包括湿度传感器，进风系统和除湿加湿器，恒氧、恒洁系统包括二氧化碳传感器、空气质量传感器、进风系统、过滤系统；恒压、恒静系统包括进风系统和密封系统，恒智系统包括控制器、控制显示面板、在线云系统和数据库系统。该专利在智能化被动式建筑改造方面提出了更加有效的方案，通过智能化管理平台实现了被动式建筑的自动化管理。

综上所述，以上研究专利主要关注的是被动式建筑终端控制与远程监控的应用，没有针对被动式建筑能源管理的有效分析和节能数据反馈。没有建立大数据累积分析，无法对不同应用环境下的被动式建筑系统进行合理的变动与调整，缺少有效的数据支撑

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种被动式建筑能源管理系统，在这种被动式建筑能源管理系统中，不仅可以针对建筑内环境进行有效监控管理，还可以通过对用能情况或产能情况，实现建筑用能的整体和部分能效分析。将多余的能源进行储存，对需要用能的部分进行补充，在满足舒适性的情况下，最大程度的利用清洁能源并减少传统能源的使用。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种被动式建筑能源管理系统，包括云平台、服务器、协议转换网关、有线或无线网关、发电装置和检测装置，互服务器与协议转换网关通过BACnet协议或 TCP/IP协议物联网络通讯，协议转换网关与有线或无线网关通过Lora 网关或4G网关实现物联网络通讯，发电装置包括光伏风力发电以及用于储能的储能系统，检测装置包括环境监测传感器、计量表具，有线或无线网关与环境监测传感器、计量表具、光伏风力发电以及储能系统通过Modbus-RTU协议物联网络通讯，通过云平台云计算技术对采集数据进行分析处理后，云平台向就地服务器发送指令和控制策略，且生成数据报表，进行负荷预测，以及能源调控，用于实现被动式建筑各系统的智能能源管理。

进一步地，计量表具包括用电计量、用水计量、用冷热计量，用电计量包括建筑内所有设备的总用电计量，和用电设备的单独计量；用水计量包括生活用水和被动式建筑中的补水计；用冷/热计量包括白天太阳辐射产生的热能计量、太阳能热水热能计量、辅助热能计量；环境监测传感器包括室内环境监测、室外气象监测，其中室内环境监测包括多合一空气质量传感器，检测温度、湿度、O2、CO2、CO、PM2.5、甲醛、大气压，用于监测室内各主要区域的环境情况，用于实现室内能源分配，室外气象监测包括小型气象站，用于监测室外温湿度、PM2.5、 PM10、大气压力、风速、风向、光照强度、噪声数据。

进一步地，光伏风力发电包括使用接口技术直接采集光伏系统数据，或通过加装智能电表采集发电数据，用于记录光伏系统发电情况，使用接口技术采集风力发电数据，室内环境监测还包括室内光照强度监测和室内温度监测，通过在不同光照强度下改变室内光通量等手段，从而调整室内温度变化与分布。

进一步地，服务器包括就地服务器和总服务器，云平台系统包括用于存储用户信息的用户数据库，通过云计算能力处理用户能源管理数据的平台，且设置有软件系统实现功能包括：能耗监测、能效分析、报表统计、负荷预测、预警管理功能。

另外本发明还提供该被动式建筑能源管理系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：根据建筑情况，确定可建设系统范围，明确系统建设内容，进行用能计量采集；

步骤二：构建物联网络系统，将采集数据汇总并上传至服务器与云平台；

步骤三：对建筑内的能源管理情况进行实时监测与数据汇总，定期生成数据报表和管理建议，并通过数据分析处理进行负荷预测，包括发电负荷预测、供电负荷预测、用电负荷预测及预警管理；

步骤四：通过在线云平台针对用能情况进行图形化展示，更直观地展示出建筑内的用能及产能情况，帮助用户进行能源管理；

步骤五：汇总能源管理系统数据，存入综合能源管理数据库，为未来能源管理技术提供技术依据以及方向借鉴。

通过以上设置，相对于背景技术提到的问题及本发明的特点，本发明主要具有以下优点：

(1)本发明设计了一种被动式建筑能源管理系统，提出通过能源管理，提高节能效率，探索节能未来；通过使用各种传感器与监测设备对建筑进行能源与环境监测，将监测数据上传至云平台系统，并通过平台实现能耗监测、能效分析、报表统计、负荷预测、预警管理等功能。

(2)本发明不仅实现了被动式建筑的整体用能监测，还可以对未来能源管理趋势做出了一定的预测；系统通过汇总数据并分析，进行负荷预测(包括发电负荷预测、供电负荷预测、用电负荷预测等)和预警管理。

(3)通过采集数据的汇总、记录、分析，确立标杆值并对各监控点的能耗情况进行能耗水平判定，自动对标，为用户提供可靠的能源使用建议；同时，针对系统设备组成及运行功能特性，结合负荷预测结果对系统进行优化运行，为用户提供舒适性需求的同时，降低系统运行成本，提高系统的运行效率与质量。

(4)利用可视化的管理界面，为用户全方位展示系统整体能源使用情况和相关能源使用数据；可根据系统管理设定值，向用户提供预警报警，用户可以通过管理系统进行查询、管理和处理，对异常区域数据及时感知，进而作出响应。

附图说明

现结合附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明的技术架构组成示意图；

图2为本发明的方案流程图；

图3为灰色预测法模型流程图。

具体实施方式

如图1-3所示，一种被动式建筑能源管理系统，包括云平台、服务器、协议转换网关、有线或无线网关、发电装置和检测装置，互服务器与协议转换网关通过BACnet协议或TCP/IP协议物联网络通讯，协议转换网关与有线或无线网关通过Lora网关或4G网关实现物联网络通讯，发电装置包括光伏风力发电以及用于储能的储能系统，检测装置包括环境监测传感器、计量表具，有线或无线网关与环境监测传感器、计量表具、光伏风力发电以及储能系统通过Modbus-RTU协议物联网络通讯，通过云平台云计算技术对采集数据进行分析处理后，云平台向就地服务器发送指令和控制策略，且生成数据报表，进行负荷预测，以及能源调控，用于实现被动式建筑各系统的智能能源管理。

计量表具包括用电计量、用水计量、用冷热计量，用电计量包括建筑内所有设备的总用电计量，和用电设备的单独计量，其中该处采集数据信息包括相电压/电流、线电压/电流、功率因数、有功功率、无功功率、正向有功电能、反向有功电能；

用水计量包括生活用水和被动式建筑中的补水计，采集信息有瞬时水量、累计水量、流速；用冷/热计量包括白天太阳辐射产生的热能计量、太阳能热水热能计量、辅助热能计量，采集信息包括瞬时热流量、正累计热量、流体速度、进水温度、回水温度等数据；环境监测传感器包括室内环境监测、室外气象监测，其中室内环境监测包括多合一空气质量传感器，检测温度、湿度、O2、CO2、CO、PM2.5、甲醛、大气压，用于监测室内各主要区域的环境情况，用于实现室内能源分配，室外气象监测包括小型气象站，用于监测室外温湿度、PM2.5、PM10、大气压力、风速、风向、光照强度、噪声数据。

光伏风力发电包括使用接口技术直接采集光伏系统数据，或通过加装智能电表采集发电数据，用于记录光伏系统发电情况，使用接口技术采集风力发电数据，数据采集信息包括设备发电量、实时电压、发电功率、储电量、输电量、储能时间、储能电压等电能数据，以及储冷/热液体水温、实时水位等数据信息。

室内环境监测还包括室内光照强度监测和室内温度监测，通过在不同光照强度下改变室内光通量等手段，从而调整室内温度变化与分布。

服务器包括就地服务器和总服务器，云平台系统包括用于存储用户信息的用户数据库，通过云计算能力处理用户能源管理数据的平台，且设置有软件系统实现功能包括：能耗监测、能效分析、报表统计、负荷预测、预警管理功能。

种被动式建筑能源管理系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：根据建筑情况，确定可建设系统范围，明确系统建设内容，进行用能计量采集；

步骤二：构建物联网络系统，将采集数据汇总并上传至服务器与云平台；

步骤三：对建筑内的能源管理情况进行实时监测与数据汇总，定期生成数据报表和管理建议，并通过数据分析处理进行负荷预测，包括发电负荷预测、供电负荷预测、用电负荷预测及预警管理；

步骤四：通过在线云平台针对用能情况进行图形化展示，更直观地展示出建筑内的用能及产能情况，帮助用户进行能源管理；

步骤五：汇总能源管理系统数据，存入综合能源管理数据库，为未来能源管理技术提供技术依据以及方向借鉴，另外系统中还包括了总服务器数据库，总服务器数据库能够汇总所有在线平台记录数据，并根据使用建筑信息不同进行分类，形成数据标准以及相关建筑数据依据，从而实现大数据完善，并为未来相关建筑建设提供数据支撑。

本发明工作原理：本发明还可需要根据用户建筑不同情况，制定不同的现场方案。具体方案制作流程如下：

(1)确定实施现场地理位置，现场实施调研记录；

(2)根据现场建筑情况制定合理的系统接入或建设方案，明确建设内容；

(3)根据需求情况建立物联网络通讯，实现各子系统与总系统之间的通讯和感知；

(4)针对建设内容设计软件系统平台；

(5)汇总平台数据，将一部分运行数据存入在线云平台，整理建立大数据库，为之后的相关类型建设提供数据支撑与服务依据。

另外本发明系统运行相关算法

负荷预测算法：负荷预测的方法可分为确定性负荷预测方法和不确定性负荷预测方法。

确定性负荷预测方法是把电力负荷预测用一个或一组方程描述，电力负荷与变量之间有明确的对应关系，包括时间序列预测法、回归分析法、经典技术预测法、趋势外推预测法等。

为了解决实际电力负荷发展变化规律十分复杂的问题，产生了一类类比对应关系进行推理预测的不确定性预测方法，包括灰色理论预测法、专家系统法、模糊预测法、神经网络法、小波分析预测法等。

本系统中主要采用了灰色理论预测法，灰色系统理论是利用了部分明确的信息，通过形成必要的有限序列和微分方程，寻求各参数间的规律，从而推出不明确信息发展趋势的分析方法。

在灰色模型中，最具一般意义的模型是由h个变量的n阶微分方程描述的模型，称为GM(n，h)模型，作为一种特例的GM(1，1)模型可用以下表示：

式中，X⁽¹⁾表示原始数据经累加后生成的新数列；a称为模型的发展参数，反应X⁽¹⁾及原始数列X⁽⁰⁾的发展趋势；u称为模型的协调系数，反应数据间的变化关系。

解上述微分方程，可以求得GM(1，1)的预测模型为：

以时间为序列的原始数据列是一个随机过程，存在一定的随机性，所以需要用数据累加，得到新的数据序列，从而弱化其随机性。该方法首先建立白化形式的微分方程，根据历史统计数据用最小二乘原理解得参数后，得到预测模型，按此模型就可进行预测，如图3。

需要说明的是，本发明为一种被动式建筑能源管理系统，与之相似的替代方案还可以包括主动式建筑能源管理系统和被动式建筑热能管理系统，其主要方案如下：

A.主动式建筑能源管理系统：通过对主动式建筑内的能源进行计量管理，实现能源管理数据，利用统计报表、数据分析、负荷预测等功能实现主动式建筑能源管理。

B.被动式建筑热能管理系统：包括使用各类传感器，监测通过太阳直射产生的热能和室内各房间或区域的热量交换。利用有效的管理手段对室内热量分布进行合理规划预分配，例如客厅及卧室、书房等区域保证温度恒定在人体舒适范围；厨房、洗手间等区域则可以适当的降低温度，仅在特定时间段区间内提升温度等。

在实施本发明中，用到的计算机语言、软件或硬件：嵌入式编程语言、三维建模软件(如Auto CAD、C4D等)、Lora数传网关、4G 数传网关、Modbus协议转换网关、就地服务器等。

术语解释：

(1)被动式建筑：被动式建筑是一个全新的节能概念，它是在低能耗建筑的基础上发展起来的。所谓被动式住宅是指通过使用保温性能较高的材料和传热系数较低的门窗，采用优化的建筑构造做法达到高效的保温隔热性能，并利用清洁能源和家电设备的散热为室内提供热源，减少或不使用主动供应的能源，使建筑达到舒适温度的要求称为被动式建筑。

(2)负荷预测：负荷预测是根据系统的运行特性、增容决策、自然条件与社会影响等诸多因数，在满足一定精度要求的条件下，确定未来某特定时刻的负荷数据，其中负荷是指电力需求量(功率)或用电量。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种被动式建筑能源管理系统，包括云平台、服务器、协议转换网关、有线或无线网关、发电装置和检测装置，其特征在于：互服务器与协议转换网关通过BACnet协议或TCP/IP协议物联网络通讯，协议转换网关与有线或无线网关通过Lora网关或4G网关实现物联网络通讯，发电装置包括光伏风力发电以及用于储能的储能系统，检测装置包括环境监测传感器、计量表具，有线或无线网关与环境监测传感器、计量表具、光伏风力发电以及储能系统通过Modbus-RTU协议物联网络通讯，通过云平台云计算技术对采集数据进行分析处理后，云平台向就地服务器发送指令和控制策略，且生成数据报表，进行负荷预测，以及能源调控，用于实现被动式建筑各系统的智能能源管理。

2.如权利要求1所述的一种被动式建筑能源管理系统，其特征在于：计量表具包括用电计量、用水计量、用冷热计量，用电计量包括建筑内所有设备的总用电计量，和用电设备的单独计量；用水计量包括生活用水和被动式建筑中的补水计；用冷/热计量包括白天太阳辐射产生的热能计量、太阳能热水热能计量、辅助热能计量；环境监测传感器包括室内环境监测、室外气象监测，其中室内环境监测包括多合一空气质量传感器，检测温度、湿度、O2、CO2、CO、PM2.5、甲醛、大气压，用于监测室内各主要区域的环境情况，用于实现室内能源分配，室外气象监测包括小型气象站，用于监测室外温湿度、PM2.5、PM10、大气压力、风速、风向、光照强度、噪声数据。

3.如权利要求1所述的一种被动式建筑能源管理系统，其特征在于：光伏风力发电包括使用接口技术直接采集光伏系统数据，或通过加装智能电表采集发电数据，用于记录光伏系统发电情况，使用接口技术采集风力发电数据，室内环境监测还包括室内光照强度监测和室内温度监测，通过在不同光照强度下改变室内光通量等手段，从而调整室内温度变化与分布。

4.如权利要求1所述的一种被动式建筑能源管理系统，其特征在于：服务器包括就地服务器和总服务器，云平台系统包括用于存储用户信息的用户数据库，通过云计算能力处理用户能源管理数据的平台，且设置有软件系统实现功能包括：能耗监测、能效分析、报表统计、负荷预测、预警管理功能。

5.如权利要求1-4任意1项权利要求所述的一种被动式建筑能源管理系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据建筑情况，确定可建设系统范围，明确系统建设内容，进行用能计量采集；

步骤二：构建物联网络系统，将采集数据汇总并上传至服务器与云平台；

步骤三：对建筑内的能源管理情况进行实时监测与数据汇总，定期生成数据报表和管理建议，并通过数据分析处理进行负荷预测，包括发电负荷预测、供电负荷预测、用电负荷预测及预警管理；

步骤四：通过在线云平台针对用能情况进行图形化展示，更直观地展示出建筑内的用能及产能情况，帮助用户进行能源管理；

步骤五：汇总能源管理系统数据，存入综合能源管理数据库，为未来能源管理技术提供技术依据以及方向借鉴。

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