安科瑞 陳聰 周潔 陳正 于洋

【摘要】：針對大型公共建筑能耗高且能源管理不合理的問題，利用計算機網(wǎng)絡技術、通訊技術、計量控制技術等信息化技術，實現(xiàn)能源資源分類分項計量和能源資源運行監(jiān)管功能，清晰描述建筑內(nèi)總的用能現(xiàn)狀；實時監(jiān)測各供電回路的電壓、電流和功率等電力參數(shù)，識別有效負荷與無效能耗，從而可通過技術或行為節(jié)能方式，實現(xiàn)建筑的有效節(jié)能。 

【關鍵詞】：學校；大型公共建筑；節(jié)能；能耗；綠色建筑；   

0    引言   

隨著社會的發(fā)展，能源的消耗量也在迅速增長，特別是建筑能耗的增長特別迅速，已經(jīng)成為除工業(yè)、交通外的第三大能源消耗。按照當前建筑業(yè)的發(fā)展趨勢，在若干年后社會的能源產(chǎn)出將無法滿足能源的需求，所以減小能源的消耗量是一個十分重要的且需要盡早解決的問題。在建筑能耗中，大型公共建筑的能源消耗量占據(jù)了很大的份額，雖然其總能耗量遠不如住宅建筑消耗量大，但是單位面積的能耗消耗量十分巨大，所以大型公共建筑的節(jié)能工作具有很大的潛力。大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的建設使得人們可以充分了解大型公共建筑的能耗使用情況，為提出有效的節(jié)能減排政策與決策奠定基礎，隨著中國城市化進程的推進、經(jīng)濟的發(fā)展，我國建筑能耗總量呈持續(xù)增長的態(tài)勢，并且增長速度有越來越快的趨勢。如果任由建筑能耗照此速度增長，必然給中國能源供應安全帶來大大的壓力，因此建筑節(jié)能勢在必行。 本文以北師大杭州中學為例，通過能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的搭建、數(shù)據(jù)采集與分析等，介紹了能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)在大型共建以及學校中的應用。   

1   項目概述及建設目標   

北京師范大學附屬中學杭州中學位于浙江省杭州市上城區(qū)銀鼓路5號，整個學校包括1~3#教學樓、圖書館、風雨操場、報告廳行政綜合樓、體育場看臺以及地下配電室等。   

整個學校智能化系統(tǒng)建設滿足目前應用為基礎，同時考慮到今后智能化技術的發(fā)展趨勢，北京師范大學附屬中學杭州中學智能化系統(tǒng)需具備技術性、經(jīng)濟實用性、結構合理性、使用可靠穩(wěn)定性、可擴展性。分項計量系統(tǒng)的總體架構由一個節(jié)能監(jiān)管中心、若干個現(xiàn)場采集計量系統(tǒng)組成，各采集計量系統(tǒng)之間通過局域網(wǎng)進行通訊。設置能源管理中心，將各棟樓宇現(xiàn)場讀取的能源計量數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳至數(shù)據(jù)中心，校領導和能源管理專員依據(jù)不同權限可訪問中心服務器，實時查看能耗情況。系統(tǒng)管理平臺軟件采用C/S結構，可以實現(xiàn)完整的管理、操作功能，對客戶端的用戶，在通過多種授權驗證后，同樣提供查詢、數(shù)據(jù)分析結果展示、管理、監(jiān)控等功能。并為后期綠色建筑的申辦打下堅實的基礎。   

2  能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計   

整個能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計是以《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)傳輸技術導則》、《浙江省國家機關辦公建筑和大型公共建筑用電分項計量設計標準》等相關技術導則為基礎，建設符合用戶實際需求的能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)完成了整個學校內(nèi)部能耗計量儀表和能耗數(shù)據(jù)采集裝置的安裝，實現(xiàn)從建筑采集能耗數(shù)據(jù)，遠程傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計與展示的功能。整個系統(tǒng)包括能耗數(shù)據(jù)的原始采集、能耗數(shù)據(jù)的在線傳輸、能耗數(shù)據(jù)的在線分析診斷等，通過能耗計量裝置的安裝，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的原始采集；通過通訊管理機的安裝，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的在線傳輸；通過能耗數(shù)據(jù)的采集存數(shù)，形成可視化趨勢，確定較高能耗范圍 診斷形成高耗原因；通過后期的配置節(jié)能節(jié)電產(chǎn)品 改進運營管理模式，進行節(jié)能降耗；通過節(jié)能降耗前后數(shù)據(jù)對比，查看節(jié)能降耗實施效果。 

 2.1 能耗數(shù)據(jù)的原始采集   

能耗數(shù)據(jù)的原始采集是整個能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，是整個能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本構成元素，指依據(jù)國家機關辦公建筑和大型公共建筑消耗的主要能源種類的劃分，分項能耗數(shù)據(jù)是指分類能耗數(shù)據(jù)中的一類或多類再細分為若干項。如電能又可以分為4類分項，插座照明用電，空調(diào)用電，特殊用電和動力用電，且每一個分項又可再分為若干子項。插座照明用電包括了建筑內(nèi)部主要工作區(qū)域照明，普通設備用電等。可細分為插座照明用電，應急照明及走廊用電，室外照明用電三個子項。空調(diào)用電主要是指為建筑內(nèi)部提供制冷和制熱所消耗的電能，其也包括兩個子項，冷熱站電能使用和空調(diào)末端電能使用。動力用電是為建筑內(nèi)提供動力服務使用的電能，包括電梯用電、水泵用電、通風機用電三個子項。這些分類分項數(shù)據(jù)要在采集器內(nèi)部進行計算和存儲，并定時與數(shù)據(jù)中心建立連接發(fā)送原始數(shù)據(jù)。本項目中，涉及到的能耗信息主要包括耗電量、耗水量，按照分類、分項計量系統(tǒng)的設計要求，本建筑中用電計量采用多功能電度表，在各樓層照明配電箱、空調(diào)配電箱、動力配電箱以及其他特殊用電配電箱安裝多功能電表，實現(xiàn)電能的分項采集；水主要采用遠傳式水表以及超聲波流量計。 多功能電表采用交流采樣技術，能分別測量電網(wǎng)中的電流、電壓、功率、功率因數(shù)和電能等參數(shù)，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus-RTU通信協(xié)議，所有多功能電表有功電度計量精度達到0.5級 

 2.2 數(shù)據(jù)傳輸   

數(shù)據(jù)傳輸是指原始分類分項數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)采集器通過Internet或GPRS等遠程通訊方式將能耗原始數(shù)據(jù)從有離散分布的建筑群上傳到數(shù)據(jù)中心，并將數(shù)據(jù)進行處理，完成原始數(shù)據(jù)存儲的過程。在該過程中，數(shù)據(jù)采集器將定時采集到的數(shù)據(jù)進行累加，形成可擴展標示語言（XML）格式的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中不僅包含需要上傳的數(shù)據(jù)還包括對應的建筑信息和采集器信息等。采集器還要對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行加密處理，一般采用128位aes加密處理以保證數(shù)據(jù)的安全并進行上傳工作。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡包括現(xiàn)場計量采集裝置與采集器之間的485網(wǎng)絡以及采集器與數(shù)據(jù)中心之間以太網(wǎng)，現(xiàn)場計量采集裝置與采集器之間通過RS-485的總線方式，實現(xiàn)計量采集裝的手拉手式的連接，之后接入采集器，每路485總線連接計量采集裝置的數(shù)量在20只左右；采集器與數(shù)據(jù)中心之間通過建筑內(nèi)部智能化網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠傳傳輸，整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構如下圖所示：

 2.3 能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能設計   

能耗綜合主界面   

通過綜合能耗主界面可以反映醫(yī)院當年用能各分類能耗和折算為標準煤的綜合能耗，并計算得到單位面積能耗；界面下方顯示這能耗的當日逐時用能曲線；單擊每個分類能耗的上部區(qū)域，可跳轉(zhuǎn)到該分類能耗的用能分析主界面；可通過下拉框切換建筑物。   

分項用電數(shù)據(jù)統(tǒng)計   

將電耗進行逐時、逐日、逐月、逐年統(tǒng)計。統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用餅圖、柱狀圖、線圖、區(qū)域圖等各種圖形展示方式，直觀反映各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)的數(shù)值、趨勢和分布情況。   

用電支路趨勢分析   

統(tǒng)計各區(qū)域、各設備電能消耗，準確定位用電消耗回路，制定節(jié)能績效考核制度，推動節(jié)能降耗的有效執(zhí)行。為用能設備建立運行記錄檔案，長期跟蹤記錄設備運行過程中的能效分析評估結果，結合設備維護保養(yǎng)記錄，為設備的運行維護提供依據(jù)。   

能耗數(shù)據(jù)同環(huán)比分析   

將各種類型和各主要耗能設備的能耗與去年同期值和上月值進行同比環(huán)比分析，檢驗節(jié)能效果，根據(jù)分析結果執(zhí)行節(jié)能績效考核，以及節(jié)能目標的修正。   

能耗數(shù)據(jù)分時統(tǒng)計   

將能源類型、負載類型、區(qū)域能耗按照時間區(qū)分，按時、天、月、年、工作日、非工作日等對用能數(shù)據(jù)進行對比分析，掌握能源具體消耗情況?？蓪⒚刻煊媚馨磿r段設置峰、平、谷，統(tǒng)計各時段能耗，降低閑時能耗。   

電能數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和預警   

通過高精度智能儀表以技術手段實現(xiàn)自動化全實時、高密度的實時用能監(jiān)測，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計量誤差。實時監(jiān)視現(xiàn)場儀表的回傳數(shù)據(jù)，對電能進行合理的管控和預警，及時發(fā)現(xiàn)并改正運行中存在的用電異常，隨時處理。按需設置重要設備的超標預警值，超標時醒目提醒并主動記錄。   

3、能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)建設的意義   

大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)是按照國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設的相關技術導則進行設計的一個多層次，多功能，跨區(qū)域，可雙向交換信息的復雜系統(tǒng)。通過搭建這樣的能耗監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測建筑的能耗使用情況，通過能耗數(shù)據(jù)的分類分項計算，數(shù)據(jù)的分時統(tǒng)計，公共展示平臺等，能促使國家機關辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)能運行管理水平，為政府機關制定切實有效的政策和決策提供參考和有力的支持，并過能源綜合管理系統(tǒng)軟件對各電能計量點的用電量實施在線計量、動態(tài)監(jiān)測、集中管理、科學考核，通過有效的末端監(jiān)控管理，綜合性地實現(xiàn)整體節(jié)能，為高能耗建筑的進一步節(jié)能改造提供依據(jù)。