淺談建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀及應用分析

淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:建筑能耗分項計量和能源管理系統(tǒng)可實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的采集、匯總、分析、顯示等功能，但在利用數(shù)據(jù)分析結(jié)果指導決策實現(xiàn)節(jié)能減排目標方面仍存在不足。分析了如何在能源管理的基礎上進一步深入研究，并借鑒*經(jīng)驗實現(xiàn)基于需求的能效管理。
關鍵詞:節(jié)能；分項計量；能源管理；能效管理
0引言
       我國是一個能源消耗大國，人口眾多，能源相對缺乏，人均能源占有量僅為世界平均水平的40%，而建筑能耗已占到社會總能耗的40%左右。但能源效率目前僅為33%，比發(fā)達國家落后20a，能耗強度大大高于發(fā)達國家及世界平均水平，約為美國的3倍，日本的7.2倍。
       為實現(xiàn)到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量比2005年下降40%～50%的目標，提高能源利用效率已成為我國在未來經(jīng)濟發(fā)展中的一個緊迫問題。
1我國建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀
       在建筑能耗管理方面的技術措施常有分項計量系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)(Energy Management System，EMS)、能效管理系統(tǒng)(Energy Efficiency Management System，EEMS)，這些系統(tǒng)在功能和發(fā)展階段上存在差異。
       能耗分項計量系統(tǒng)源自住房和城鄉(xiāng)建設部2008年6月頒布的《辦公建筑及大型公共建筑樓宇分項計量設計安裝技術導則》等五個技術導則中的相關要求。2008年10月1日，我國正式實施了國務院頒布的《公共機構節(jié)能條例》，其中明確指出:“公共機構應當實行能源消費計量制度，區(qū)分用能種類，用能系統(tǒng)，實行能源消費分戶、分類、分項計量，并對能源消耗狀況實行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)、糾正用能浪費現(xiàn)象。”之后，各省、市、自治區(qū)陸續(xù)頒布針對建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)范標準，眾多企業(yè)紛紛開始研發(fā)并實施能耗分項計量系統(tǒng)，越來越多的公共建筑、建筑開始應用能耗分項計量系統(tǒng)。分項計量系統(tǒng)在于通過對建筑安裝分類和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸?shù)仁侄渭皶r采集能耗數(shù)據(jù)，進行在線監(jiān)測。
       EMS是在實現(xiàn)能耗分項計量的基礎上，對建筑的電力、燃氣、水等各分類能耗數(shù)據(jù)進行匯總、分析。了解建筑能耗狀況，為節(jié)能降耗提供直觀科學的依據(jù)，為企業(yè)查找能耗，促進企業(yè)管理水平的進一步提高及運營成本的進一步降低，使能源使用更加合理，控制浪費，達到節(jié)能減排、降低能耗的目的。
       EEMS應用智能化集成系統(tǒng)技術，在EMS基礎上，通過對電耗、氣耗、水耗、材耗、環(huán)境因素、使用人的舒適度、成本等數(shù)據(jù)進行匯總分析，掌握建筑設施的實時運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)整設備參數(shù)；根據(jù)數(shù)據(jù)積累的統(tǒng)計值，比對找出設備(設施)運行異常、資源消耗的異常，并預測未來的能耗需求，優(yōu)化控制策略，改進運行狀況，提升建筑物的整體能效。
       本文將根據(jù)近期對上海市十幢大型公共建筑所做的調(diào)研，具體分析建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)目前發(fā)揮的作用及存在的不足。
2建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)實例分析
2.1 分項計量系統(tǒng)
       上海市針對建筑能耗陸續(xù)頒布了《大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)工程技術規(guī)范》、《公共建筑用能監(jiān)測工程技術規(guī)范》和《辦公建筑用能監(jiān)測系統(tǒng)工程技術規(guī)范》等規(guī)范性文件，并且建成了市級和區(qū)級兩級建筑能耗監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了對全市幾百幢大型公共建筑和辦公建筑能耗的集中監(jiān)測。
       近期調(diào)研的10幢大型公共建筑均按照上海市《公共建筑用能監(jiān)測工程技術規(guī)范》的要求設置了用能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對水、電、燃氣等用能情況的分項實時監(jiān)測。
       分項計量系統(tǒng)所采用的能源架構如圖1所示。

圖1 分項計量系統(tǒng)基本能源架構

       其中能源按照水、電、燃氣進行分類；水主要記錄大樓用水總量；電耗分為照明插座、空調(diào)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、特殊用電等四大類，每類又分為若干個子項進行計量；燃氣消耗主要記錄廚房餐廳用氣和冷熱源用氣。
2.2 EMS
       EMS是在分項計量系統(tǒng)的基礎上，對建筑能耗數(shù)據(jù)進行匯總分析，了解掌握建筑能耗水平、耗能設備及系統(tǒng)、分析用能異常原因，為節(jié)能減排、降低能耗提供條件。
       目前，已經(jīng)應用EMS的建筑大致可分為兩類:
       (1)以統(tǒng)計公共建筑的實時和歷史能耗為目的，旨在制定不同類型的公共建筑用能基準，為制定建筑用能政策作指導，同時據(jù)此可以做宏觀分析和調(diào)控。
       (2)以一棟或者幾棟具體建筑物為目標，旨在了解掌握該建筑內(nèi)設備和系統(tǒng)能耗情況，從而優(yōu)化用能設備的運行，為建筑物節(jié)能改造提供依據(jù)和策略。此類建筑大多以商業(yè)建筑、酒店為主。
       EMS可以實現(xiàn)如下功能:
       (1)實現(xiàn)能耗概覽、能效對標、能耗分項統(tǒng)計、能效、設備能耗追蹤分析、能耗報警、能耗報告、報表等常規(guī)功能。
       (2)能源費用占比分析，直觀顯示建筑水、電、燃氣等能源消耗比例。
       (3)電量分項能耗分析。根據(jù)耗電用途不同，可以逐月、逐年顯示動力、空調(diào)、照明插座、特殊用電的消耗比例。
       (4)用能情況的同比、環(huán)比分析。統(tǒng)計建筑整體或區(qū)域能耗的時用量、日用量和年用量，以曲線圖、柱狀圖等不同方式顯示，支持報表輸出。
       圖2所示的大樓由于采用冷熱雙效直燃溴化鋰主機供冷及供暖，因此近三年耗電情況都比較平穩(wěn)，夏季耗電略高于冬季及過渡季耗電。

圖2 某大樓近三年逐月能耗分析

       圖3所示的大樓辦公區(qū)域采用變頻多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)，某租戶租用了15F、16F、20F三個樓層，通過EMS可以清楚地了解6～10月該客戶的空調(diào)用電情況，其中夏季7、8月的耗電量明顯高于其余三個月。

圖3 某租戶近期逐月逐層空調(diào)耗電量分析

       圖4則對入住大樓的不同租戶同期單位面積能耗進行評比，尋找節(jié)能潛力大的客戶。

圖4 某大樓內(nèi)不同租戶間近三月單位面積能耗對比

       圖5選取某園區(qū)內(nèi)兩幢相似辦公樓24h用電進行比較，非工作時間段內(nèi)用電負荷基本平穩(wěn)，但6#樓在6:00左右用電出現(xiàn)一個尖峰值，需查明原因；工作時間段內(nèi)用電負荷逐漸增加并于中午前后升至高值；午休時間段內(nèi)負荷逐漸降低并在13:00左右降至低值；下午上班后負荷逐漸升高，達到頂點后逐漸降低。

圖5 某園區(qū)內(nèi)2幢樓24h辦公用電分析

       由上面的分析可知:通過對逐時用電負荷的分析，可以發(fā)現(xiàn)異常點，并掌握客戶用電規(guī)律，可以在樓際間進行對比，方便了能源管理。
       圖6記錄了某大樓11月6日15:00到11月7日15:00間24h內(nèi)的逐時用水量，包括大樓內(nèi)的3個員工餐廳、2個員工浴室、衛(wèi)生間及空調(diào)用水等。由圖可知工作時間內(nèi)用水量較大，24:00之后用水量逐漸降低，在5:00～6:00間用水量達到小值。由圖6還發(fā)現(xiàn)，用水量小值并非為0，而理論上應該沒有用水點，因此需要進一步查實是否存在漏水點，從而減少浪費，降低能耗。

圖6某大樓24h用水情況分析

2.3 EEMS
       EEMS以能源管理和節(jié)能決策為目標，實時采集與能耗相關的數(shù)據(jù)和信息，通過分析、控制和管理等各種手段，優(yōu)化使用能源和消除能源浪費，用更少的能源投入提供同等的能源服務。
       從國內(nèi)行業(yè)的現(xiàn)狀來看，這是把傳統(tǒng)的建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)、建筑設備集成管理系統(tǒng)、能耗分項監(jiān)測系統(tǒng)、EMS的基本功能合而為一，是一個以能源管理為中心的管控一體化大系統(tǒng)，可實現(xiàn)的功能如圖7所示。

圖7 能效管理系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能

       EEMS實施的目的就是通過智能化系統(tǒng)集成來實現(xiàn)對即有系統(tǒng)能源消耗的節(jié)約與改善，是一個不斷循環(huán)改進的過程，應當遵循圖8所示的工作流程。

圖8 能效管理實施流程

       圖9所示為某辦公建筑某日24h的能耗數(shù)據(jù)，按照圖8所示工作流程進行數(shù)據(jù)測量、收集、評估、分析、整改、再測量、再評估、再分析、再整改不斷循環(huán)，取得了較好的節(jié)能效果，提高了能效。對原始數(shù)據(jù)進行評估分析，采取了一定的控制措施，圖9證實按照圖8的循環(huán)過程不斷改進可降低能耗、提高能源使用效率。

圖9 某辦公樓能耗運行數(shù)據(jù)

       能效管理工作的在于根據(jù)歷史能耗數(shù)據(jù)建立未來能耗需求模型，實現(xiàn)基于需求響應的優(yōu)化控制和管理。
       日本很早就開始了對能效管理平臺的研究，2012年橫濱市建立了綜合能效管理平臺。基于需求的能效管理平臺實現(xiàn)了以下功能:
       (1)統(tǒng)計分析歷史能耗數(shù)據(jù)，以30min為周期建立能耗與天氣的模型，預測未來的能源需求量。
       (2)根據(jù)當日天氣變化調(diào)整上述需求量預測值，建立能耗需求模型。
       (3)以30min為周期，實時采集當日能源使用數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)與預測模型偏離的情況，則通過與樓宇自動化系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)的聯(lián)動控制進行干預，以期將實際消耗量控制在預測范圍內(nèi)。
       (4)在需要采取措施進行節(jié)電的時間段內(nèi)，可以通過電子郵件或者短信方式向用戶或者租戶發(fā)出“節(jié)電請求”，在“節(jié)電請求”期間采取的措施有減少公共區(qū)域照明開啟數(shù)量；夏季將公共區(qū)域空調(diào)設定溫度升高1～2℃，冬季將公共區(qū)域空調(diào)設定溫度降低1～2℃，從而減少空調(diào)系統(tǒng)耗電；加大綠色能源的供應量；提高“節(jié)電請求”期間電費單價，促使用戶自覺節(jié)約用電。
       (5)在大型開發(fā)區(qū)、高科技園區(qū)內(nèi)項目應用EEMS對園區(qū)能源使用進行整體調(diào)配，解決供需矛盾。尤其當園區(qū)內(nèi)建有燃氣分布式發(fā)電、太陽能、風能等新能源時，根據(jù)EEMS的預測需求量，合理制定新能源系統(tǒng)的運行策略，發(fā)揮新能源系統(tǒng)的作用，實現(xiàn)需求響應的控制。
       通過上述分析可知，EEMS功能更加全，在能源管理的基礎上，集成眾多已有的監(jiān)控平臺所建立的綜合信息平臺，來實現(xiàn)既監(jiān)又控的目的；EEMS基于歷史數(shù)據(jù)掌握能源使用規(guī)律，并指導決策，優(yōu)化運行；EEMS在歷史數(shù)據(jù)基礎上建立控制模型，實現(xiàn)基于需求的科學管理；EEMS的工作流程是一個循環(huán)的閉環(huán)過程，需要不斷分析、調(diào)整、檢驗、再分析、再調(diào)整、再檢驗，實現(xiàn)降低能耗、提高能效的目標；EEMS需要更加的運營維護人員參與到整個分析、決策、控制、檢驗過程中，以期更加有效地發(fā)揮能效管理平臺的作用。
3安科瑞能耗監(jiān)控系統(tǒng)介紹
       Acrel-5000能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國家有關規(guī)定實施能源審計，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上人民管理節(jié)能工作的部門報送能源審計報告。
3.1平臺結(jié)構
       Acrel-5000能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用現(xiàn)場總線、光纖環(huán)網(wǎng)或無線通訊中的一種或多種結(jié)合的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實時數(shù)據(jù)采集及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測設備構成任意復雜的監(jiān)控系統(tǒng)。開放性、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)化的采用面向?qū)ο蟮姆謱?、分級、分布式智能一體化結(jié)構。建立如下層次結(jié)構：

3.2平臺功能
       (1)系統(tǒng)可按使用年份統(tǒng)計建筑物各分類能耗——電、水、氣、集中供熱、集中供冷以及其它能源消耗量，自動折算成相應的標準煤消耗量，從而反映建筑物當年各分類能耗用能和綜合能耗。系統(tǒng)以餅圖形式展示建筑4大用電分項能耗的占比情況。系統(tǒng)以曲線圖形展現(xiàn)各類能耗的消耗的消耗趨勢，便于業(yè)主方實時直觀掌握能源消耗情況。
       (2)系統(tǒng)可以根據(jù)分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當日和當月的用能峰值。顯示當日用能、當月用能、當年用能與昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。以條形顯示過去48小時、31天、12個月、3年的能耗情況。右上角顯示過去15分鐘曲線（電表顯示功率曲線，流量表顯示流速曲線）。
       (3)系統(tǒng)依據(jù)建筑物能源消耗的分布情況進行能耗計量點的選取和設置，使得能耗監(jiān)測系統(tǒng)可以覆蓋整個建筑物。系統(tǒng)使用者可通過相關界面調(diào)取該建筑物各能耗節(jié)點的能耗統(tǒng)計報表，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計量誤差。
       (4)系統(tǒng)依據(jù)住建部分類分項能耗數(shù)據(jù)采集導則，將建筑物耗電分為照明插座、空調(diào)、動力和特殊用電進行計量裝置選型和設置，并按用能區(qū)域或功能區(qū)域等劃分并進行統(tǒng)計，以報表和同、環(huán)比棒圖形式展現(xiàn)該區(qū)域的能源消耗。
       (5)系統(tǒng)可針對能源消耗量大的設備或區(qū)域進行準確定位，便于管理層制定節(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(jié)果，結(jié)合設備維護保養(yǎng)記錄，為設備的運行維護提供依據(jù)。
       (6)系統(tǒng)提供分級權限管理功能，對具備權限用戶提供開放的信息維護接口，用戶可自行對建筑和系統(tǒng)監(jiān)測范圍內(nèi)計量點的信息進行增、刪、改和查詢，建筑物信息包括建筑類型、建設年代、建筑面積、建筑物人員數(shù)量等。系統(tǒng)還對無法自動采集的計量信息提供手動錄入功能，便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。
3.3數(shù)據(jù)上傳
       安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)按照用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范定義的系統(tǒng)平臺接口協(xié)議規(guī)范的要求，將用能企業(yè)的基礎信息、計量器具信息、用能數(shù)據(jù)及能效數(shù)據(jù)上傳至省級或國家平臺，上傳數(shù)據(jù)經(jīng)過HTTPS協(xié)議加密傳輸。如果數(shù)據(jù)傳輸失敗或超時（網(wǎng)絡故障），將重發(fā)數(shù)據(jù)，直至接收成功反饋消息。
3.4能源計量表具選型

4結(jié)語

       隨著市場應用范圍的不斷擴大，分項計量系統(tǒng)和EMS發(fā)展已經(jīng)比較成熟。分項計量系統(tǒng)的建設基于完善的規(guī)范標準，隨著IT技術的不斷發(fā)展，EMS的數(shù)據(jù)分析越來越精細、圖表展示越來越豐富、建筑模型越來越逼真，但是對于數(shù)據(jù)分析結(jié)果的應用還不盡如人意。例如，能耗分析的結(jié)果無法直接參與決策，無法根據(jù)歷史能耗數(shù)據(jù)的分析預測今后的能耗情況。

       日本資源廳從2011年開始推進大廈EMS集成業(yè)務，利用云服務進行跨區(qū)域能源管理。截至2013年2月15日，已有接近2700棟大樓安裝了大廈EMS，并且針對住宅建筑、辦公及商業(yè)建筑、園區(qū)、工廠等開發(fā)有完善的解決方案。在這一方面，我國還有一定的差距，相信隨著能耗監(jiān)測平臺的不斷應用和普及，功能更加完善的能效管理平臺也將得到廣泛應用。

【參考文獻】
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