基于BIM与物联网技术的建筑设备节能管理研究

黄羹墙

（广西机电职业技术学院）

1 引言

建筑行业是全球最大的能源消耗行业之一，其能源消耗占全球总能耗的40%以上[1]。其中，空调、照明和电梯等设备是建筑能耗的主要来源。随着全球经济的不断发展和人口的增长，建筑行业的快速发展对能源的需求日益增加，而建筑能耗的高峰期一般集中在空调、照明和电梯等设备的运行时段[2]。近年来，随着信息技术和自动控制技术的不断发展，以及人们环保意识的提高，越来越多的研究者开始关注如何利用先进的技术手段，实现对建筑设备的节能管理。其中，BIM 和物联网技术被广泛应用于建筑能源管理领域，为建筑设备的节能管理提供了更加科学、精细化、智能化的解决方案。

2 BIM 与物联网技术在建筑设备节能管理中的优势

建筑设备的运行效率和能源利用效率不仅直接影响建筑物的能耗水平，也对环境产生一定的影响，因此对建筑设备进行节能管理已经成为了一个重要的研究方向。在建筑设备节能管理的研究中，传统的方法主要是通过对建筑设备进行规划设计和能源消耗评估，提出相应的节能措施，通过改进设备性能、改进设备运行模式等手段，降低能源的消耗，提高节能效果。然而，目前的建筑设备节能管理存在缺乏整合性、数据质量不高、智能化程度不足等问题[3]。

BIM和物联网技术的结合可以将建筑设备信息与物理空间进行有机结合，实现对建筑设备的实时监控、控制和管理，提高建筑设备的效率和节能水平。同时，BIM 模型也为物联网设备提供了更加精准的场景模拟和信息共享，为建筑设备的智能化管理提供了更加有效的手段。

1）提高节能效果

BIM和物联网技术的应用可以对建筑设备进行全面、系统的管理和优化调度，从而提高节能效果，降低能源消耗和运营成本。通过BIM技术实现设备模拟和预测分析，可以根据设备运行状态和能耗情况调整控制策略，以实现最佳的能耗效益。

2）增强智能化程度

BIM和物联网技术的应用可以实现建筑设备的智能化监控和控制，通过感知设备运行状态、预测能耗和异常检测等功能，实现设备的自动调节和优化。同时，还可以将设备信息、能耗数据和管理指标等实时传输到云端平台，实现全面的设备远程监控和数据分析，从而实现智能化的设备运行管理。

3）提高管理效率

通过BIM 技术实现设备的三维建模和模拟，可以快速准确地获取设备的运行状态和能耗数据，实现对设备的全面监控和管理。同时，物联网技术的应用可以实现设备信息和能耗数据的实时收集和传输，实现全面数据化的设备管理和优化调度。

4）促进产业升级

通过BIM技术实现设备的全面数字化管理和优化调度，可以提高设备管理的水平和技术含量，为产业的发展提供技术支撑和创新动力。同时，物联网技术的应用可以实现设备信息和能耗数据的实时传输和共享，为产业的数字化转型和信息化升级提供了支持和保障。

3 基于BIM 与物联网技术的建筑设备节能管理系统

3.1 系统框架

基于BIM和物联网技术设计了一套建筑设备节能管理系统，其系统架构如图1所示。

图1 系统框架图

设备层主要通过传感器和电能计量装置对建筑内部环境和建筑设备耗能情况进行实时监测，并通过控制器执行处理层得出的优化策略，控制设备运行，以达到节能的目的。传输层负责将设备层采集的数据通过云平台传输到处理层，确保数据的实时性和稳定性。处理层基于BIM模型和数据分析技术对采集的数据进行处理和分析，识别建筑设备的能源使用规律，制定用电优化控制策略。应用层提供用户界面，使用户可以在三维模型和可视化报表中查看建筑设备的运行状态、能源消耗情况，生成能源报告等。

3.2 系统功能

①数据采集与处理：利用物联网技术，对建筑设备进行实时监测，采集设备运行数据，并对数据进行处理，得出设备的运行状态和能耗信息。

②能耗分析与评估：基于采集的数据，利用BIM技术对建筑能耗进行模拟分析，评估建筑的能源消耗情况，并提供相应的能耗分析报告。

③能源管理优化：基于能耗分析结果，针对能源消耗高的设备或区域，提出相应的优化措施，如设备的优化运行策略、能源消耗的控制和调节等。此外，还可以通过机器学习等方法，预测建筑设备的故障情况，提前进行维护和修复，减少能耗和维护成本。

④数据可视化与管理：将采集的数据进行可视化处理，并提供数据管理功能，包括数据的存储、查询、管理和导出等。

⑤建筑信息集成：将建筑设备节能管理系统与BIM 模型集成，实现建筑信息的综合管理和数据共享，提高建筑设备节能管理效率。

⑥智能化控制：基于物联网技术和BIM模型，实现建筑设备的智能化控制，包括能耗自适应调节、智能控制等，提高建筑设备节能效果。

3.3 具体实施

本文以广西某院校的实训楼为例，说明具体的实施过程。该实训楼建筑面积为18000m2，共有5层，包含教研室、实训室、多媒体教室、计算机房、走廊、厕所、风机房等不同类型的空间，需要进行节能管理的建筑设备包括包括照明、空调等系统的设备。

1）收集建筑及其内部设备的相关信息，安装物联网设备

收集实训楼的土建信息和设备信息，土建信息可从施工图获得，设备信息包括设备的类型、数量、几何形状、构造、位置和属性等信息，可通过查询设备说明书以及现场统计获取。根据需要采集和控制的参数，安装合适的计量仪表、传感器、执行器等物联网设备。其中，计量仪表用于采集建筑设备的用电信息和运行状态，包括设备的功率、运行时间、工作状态等信息；传感器用于采集大楼内部的温度、湿度、光照等信息；执行器用于控制建筑设备的运行。

2）建立BIM模型

在Autodesk Revit 软件中分层分专业建立实训楼的BIM模型，主要包括建筑模型和机电模型，然后进行模型检查和整合。其中，在Revit软件中创建与实际设备相对应的模型，需要按照实际的设备布局和管路连接关系进行构建，并且将表示计量仪表和传感器的构件按实际位置展示在BIM 模型中，如图2所示。

图2 实训楼BIM模型（整体和局部视图）

3）数据采集与传输

使用计量仪表和传感器采集能耗数据和环境数据，通过无线网络和有线网络将采集到的数据传输到数据中心的数据库。

4）数据分析和处理

首先对数据库中的数据进行清洗和处理，以确保数据的准确性和完整性，然后通过统计分析、模式识别、回归分析等方法进行数据分析，识别建筑设备的能源使用规律，并结合建筑信息建立设备的能耗模型。例如，可以分析不同设备的用电量、用电时间分布、峰谷用电差异等指标，识别出耗电较大的设备、能源消耗的高峰期等信息，找出能源消耗的规律和问题。

5）生成数据可视化报表

通过数据可视化技术，将分析结果以图表、报表等形式呈现出来，使建筑设备的能源使用规律更加直观和清晰。例如，可以制作能源使用趋势图、设备用电排名表等报表，以及能源消耗的热力图、设备能效分析图等图表，帮助决策者更好地了解建筑设备的能源使用情况和规律。

6）制定节能管理策略

根据数据分析和处理的结果，制定相应的节能管理策略。例如，根据环境参数数据分析，调整空调设备的运行时段和温度等参数，降低设备功率，增加设备能效。此外，还可以针对设备的运行状况，制定维护和保养策略，延长设备的使用寿命。

7）模拟设备运行

通过BIM插件模拟不同节能优化方案下建筑设备的运行状态，评估不同方案对能源消耗的影响，并分析其经济效益和环境效益，从而得出最优方案。这个步骤可以避免实际操作中因为设备运行状态的复杂性和不确定性带来的风险，同时还能提供更加全面和准确的分析结果。

8）实施节能控制

根据最优的节能管理策略，通过控制器实现建筑设备的远程控制，对建筑设备进行优化调度控制。例如控制空调设备的开关、温度、湿度等参数，并在这个过程中监控设备的能源消耗情况，不断调整优化控制策略，实现建筑能源的节约和优化。

4 结语

目前，基于BIM 与物联网的建筑设备节能管理技术仍处于探索和发展阶段，存在一些挑战和问题。例如，在传感器和控制器的选择、部署和维护方面，需要充分考虑设备的类型和特点，以及数据采集和传输的可靠性和安全性。同时，基于物联网的数据分析和优化控制也需要充分利用大数据和人工智能等技术，提高数据处理和决策的精准度和效率。

未来，随着新技术的不断发展和应用，基于BIM与物联网的建筑设备节能管理技术将会得到进一步完善和推广。同时，该技术还可以与智能建筑、可再生能源等领域相结合，形成更加全面和综合的建筑节能管理解决方案，为实现绿色建筑和可持续发展做出更大的贡献。