淺談建筑配電能耗平臺與環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)的研究

摘要：針對目前國內(nèi)高耗能建筑缺少有效的能源監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的可視化建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案，給出了平臺結構，并詳細介紹了平臺的配置和系統(tǒng)的特點。

關鍵詞：建筑能耗；環(huán)境監(jiān)測；節(jié)能；物聯(lián)網(wǎng)

0.引言

隨著我國城市化進程的加速，預計到2020年，全國城市生活人口將達到56%以上，第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比例有可能超過45%。[1]相應的建筑物和設施也將成倍增加，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。隨著能耗問題日益突顯，如何實現(xiàn)能耗管理和能源成本小化成為中國的首要任務。準煤高出7倍。北京16家旅館中，能耗大的旅館能耗費是能耗小的旅館能耗費的將近3倍。北京全市的賓館、飯店、商廈、寫字樓等大型公共建筑面積僅占民用建筑的5.4%，但全年耗電量卻高達33億kW·h，接近全市居民生活。

1.建筑能耗分析

目前，建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的三大“耗能大戶"。現(xiàn)在我國每年新建房屋20億m2中，99%以上是高能耗建筑；而既有的約430億m2建筑中，只有4%采取了能源效率措施，單位建筑面積采暖能耗為發(fā)達國家新建建筑的3倍以上。根據(jù)測算，如果不采取有力措施，到2020年中國建筑能耗將是現(xiàn)在的3倍以上。

在我國的能源消費中，建筑能耗占了很大的比例，據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗在我國能源總消費中所占的比例已經(jīng)達到27．6％，發(fā)達國家的建筑能耗一般占全國總能耗的30～40％。[2]在建筑能耗中，國家辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計，國家辦公建筑和大型公共建筑單位面積年耗電量達到70～300kW·h，為普通居民住宅的10～20倍，占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%。以北京為例，[3]據(jù)調(diào)查，北京機構能源消費中，單位建筑面積年耗電量約為80～150kW·h，是居民住宅的4～8倍；行政年人均用能3.35t標準煤，比全市人均生活用能0.47t標用電的50%，單位面積年均耗電量是普通住宅的5～10倍。

這類建筑普遍缺乏細致的用能計量，已有的數(shù)據(jù)無法滿足能耗分析需求、無法及時準確的發(fā)現(xiàn)用能問題。為了更好地開展大型公共建筑節(jié)能工作，我們做了詳細掌握建筑的各種能耗，并通過對這些能耗和建筑環(huán)境情況進行分析來發(fā)現(xiàn)建筑用能所存在的問題，為以后的節(jié)能管理和節(jié)能改造提供依據(jù)，而建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)在這個過程中則起了舉足輕重的作用。

1. 系統(tǒng)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)圍繞建筑能耗中的電、水、氣、熱耗、冷耗5類能源系統(tǒng)進行監(jiān)測，結合建筑內(nèi)部的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對能耗數(shù)據(jù)進行分析。在實現(xiàn)技術上采用現(xiàn)場總線（modbus）儀表實現(xiàn)5類能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，采用基于泛在無線傳感網(wǎng)(UNIT)的探測器實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，采用工業(yè)數(shù)據(jù)庫與組態(tài)軟件實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的匯總和分析。系統(tǒng)結構如圖1。

該系統(tǒng)包含了能耗監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測兩個部分。其中能耗監(jiān)測按照能源類別分類分項進行監(jiān)測、統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析，分類為：電量、水量、氣量、熱耗量、冷耗量5類；其中電量分兩級分項進行監(jiān)測，電量①級分項：照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊用電4個分項，電量②級分項：照明插座用電包括房間照明用電、插座用電、走廊用電、應急照明用電和室外景觀照明用電5個②級分項，空調(diào)用電包括冷熱站用電和空調(diào)末端用電2個②級分項，動力用電包括電梯用電、水泵用和通風機用電3個②級分項，特殊用電包括信息房、洗衣房、廚房、餐廳、游泳池、健身房6個②級分項，其它分類能耗不做分項監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測部分分為：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測等。

2.1系統(tǒng)平臺構建

通本系統(tǒng)是以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，為大型公共建筑的實時數(shù)據(jù)采集、開關狀態(tài)監(jiān)測及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測、控制設備構成任意復雜的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用分層分布式計算機網(wǎng)絡結構，一般分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡通訊層和現(xiàn)場設備層。

2.1.1站控管理層

站控管理層針對能耗監(jiān)測系統(tǒng)的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的上層部分。主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設備，如工業(yè)級計算機、打印機、UPS電源等組成。監(jiān)測系統(tǒng)軟件具有良好的人機交互界面，對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息計算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運行狀況。

監(jiān)控主機：用于數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)轉發(fā)。為系統(tǒng)內(nèi)或外部提供數(shù)據(jù)接口，進行系統(tǒng)管理、維護和分析工作。

打印機：系統(tǒng)召喚打印或自動打印圖形、報表等。模擬屏：系統(tǒng)通過通訊方式與智能模擬屏進行數(shù)據(jù)交換，形象顯示整個系統(tǒng)運行狀況。

UPS：保證計算機監(jiān)測系統(tǒng)的正常供電，在整個系統(tǒng)發(fā)生供電問題時，保證站控管理層設備的正常運行。

2.1.2網(wǎng)絡通訊層

通訊層主要是由通訊管理機、以太網(wǎng)設備及總線網(wǎng)絡組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負責對現(xiàn)場設備回送的數(shù)據(jù)信息進行采集、分類和傳送等工作的同時，轉達上位機對現(xiàn)場設備的各種控制命令。

通訊管理機：是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和智能通訊管理房。它具備了數(shù)據(jù)采集與處理、通訊控制器、前置機等功能。

以太網(wǎng)設備：包括工業(yè)級以太網(wǎng)交換機。

通訊介質(zhì)：系統(tǒng)主要采用屏蔽雙絞線、光纖以及無線通訊等。

2.1.3現(xiàn)場設備層

現(xiàn)場設備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場總線連接的分布式I/O控制器構成數(shù)據(jù)采集終端，向數(shù)據(jù)房上傳存儲的建筑能耗數(shù)據(jù)。測量儀表擔負著基層的數(shù)據(jù)采集任務，其監(jiān)測的能耗數(shù)據(jù)完整、準確并實時傳送至數(shù)據(jù)房。

2.2系統(tǒng)主要部件技術性能指標

2.2.1數(shù)據(jù)采集器

采用數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)對電、水、氣、熱耗、冷耗量的數(shù)據(jù)采集。支持對多種類型用能計量裝置的數(shù)據(jù)采集，包括電能表（含單相電能表、三相電能表、多功能電能表）、電力監(jiān)測儀、電量計測模塊，水表、燃氣表、冷熱量計、流量計等。

2.2.2電量采集系統(tǒng)

配置方案：通過1個三相總電量表監(jiān)測建筑總能耗，通過4個分項電量表監(jiān)測照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊用電4個①級分項電量。通過16個分項電量表監(jiān)測16項的二級分項電量。所有電表均為通過Modbus協(xié)議傳送電量數(shù)據(jù)到采集器，采集器通過局域網(wǎng)上傳到監(jiān)控主機上并

在監(jiān)控軟件上進行數(shù)據(jù)處理和分析，監(jiān)測到的各種數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)房和上級調(diào)度相連，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和能耗的合理調(diào)配。

電量監(jiān)測指標主要有電流、電壓、頻率、視在頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及電能等。

2.2.3用水量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個具有Modbus協(xié)議的水表實現(xiàn)對建筑用水總量的監(jiān)測，實現(xiàn)對建筑日、月、年用水量的監(jiān)測和分析。

2.2.4用氣量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個具有Modbus協(xié)議的氣表實現(xiàn)對建筑用氣總量的監(jiān)測，實現(xiàn)對建筑日、月、年用氣量的監(jiān)測和分析。

2.2.5制熱量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個具有Modbus協(xié)議的熱量表實現(xiàn)對建筑用熱量總耗的監(jiān)測，實現(xiàn)對建筑日、月、年用熱量的監(jiān)測和分析。

2.2.6制冷量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個具有Modbus協(xié)議的冷量表實現(xiàn)對建筑用冷量總耗的監(jiān)測，實現(xiàn)對建筑日、月、年用冷量的監(jiān)測和分析。

2.2.7環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

配置方案：基于物聯(lián)網(wǎng)技術，通過基于無線自組織傳感網(wǎng)的環(huán)境探測器實現(xiàn)建筑室內(nèi)環(huán)境的參數(shù)監(jiān)測，檢測的環(huán)境參數(shù)有：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測等。環(huán)境探測器通過無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)房，數(shù)據(jù)房集合環(huán)境參數(shù)實現(xiàn)對能耗系統(tǒng)的分析。

2.2.8數(shù)據(jù)房和監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)房和監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)數(shù)據(jù)庫和組態(tài)軟件進行實現(xiàn)，它可實現(xiàn)參數(shù)列表、實時曲線圖、數(shù)據(jù)棒圖、實時數(shù)據(jù)、折算數(shù)據(jù)、累計數(shù)據(jù)、歷史、報警畫面、數(shù)據(jù)報表等多種統(tǒng)計和分析功能。

3.系統(tǒng)特點

該項目針對現(xiàn)代建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點數(shù)量大、較密集、布線復雜的特點，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的可視化建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，通過構建基于無線傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)和開發(fā)具有能耗管理與節(jié)能策略分析功能的軟件平臺，實現(xiàn)建筑能耗與室內(nèi)環(huán)境的可視化監(jiān)測與管理。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

1. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術對建筑能耗和建筑環(huán)境系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)測，并根據(jù)建筑環(huán)境對建筑能耗狀態(tài)進行分析，得出耗能系統(tǒng)的綜合評價，實施能源的優(yōu)化配置。

2. 監(jiān)測系統(tǒng)的傳感層采用無線傳感技術組建無線傳感網(wǎng)絡，可大大減少布線工作或無需布線，可不對現(xiàn)有耗能設備作任何改造，工程安裝和維修簡單方便。減少建立建筑能耗及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所帶來的施工量以及綜合布線對環(huán)境的影響，減少投資和工期，特別適用于既有建筑和設施。

3. 系統(tǒng)采用模塊化結構，構架簡單，擴展功能強，可方便地滿足用戶未來需求。內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)靈活，可隨時增加或減少傳感節(jié)點系統(tǒng)易于維護，任意節(jié)點的故障不會影響系統(tǒng)工作。

4. 使用智能終端可通過GPRS或互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程管理和監(jiān)測。同時具有本地數(shù)據(jù)存儲功能，確保數(shù)據(jù)完整性。

5. 建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測實現(xiàn)可視化管理，自動生成能耗分析報告，能耗報表自動打印，操作管理便捷。

該系統(tǒng)將建筑能耗監(jiān)測與建筑環(huán)境監(jiān)測有效的結合起來，實現(xiàn)能源優(yōu)化配置；無線組網(wǎng)方式和模塊化結構架構簡單，組網(wǎng)便捷，便于建設和改建；可視化的界面為維護管理人員提供了更為便捷的操作管理模式，易于推廣，是一種建設綠色節(jié)能建筑的有效方法。該項目的應用可使建筑中能源使用效率大大提高，有效緩解目前能源緊張的壓力，具有廣闊的市場前景和良好的經(jīng)濟效益，對緩解國家能源緊缺狀況，實現(xiàn)節(jié)能和減排溫室氣體規(guī)劃目標，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要而深遠的意義。

4.安科瑞建筑能耗分析系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系統(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)定實施能源計算，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，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計算報告。

4.2應用場所

適用于公共建筑、集團公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測與管理的系統(tǒng)設計、施工和運行維護。

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1系統(tǒng)概況

平臺運行狀態(tài)，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時、逐月曲線，當日，當月能耗同比分析滾動顯示。

4.3.2用能概況

對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項等用能進行對比，支持當日逐時趨勢、當月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計對比、總能耗同環(huán)比對比。

4.3.3用能統(tǒng)計

對建筑、區(qū)域、分項、支路等結構按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進行統(tǒng)計，支持報表數(shù)據(jù)導出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進行生成柱狀圖。

4.3.4復費率統(tǒng)計

復費率報表按日、月、年統(tǒng)計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析。支持數(shù)據(jù)導出到EXCEL。

4.3.5同比分析

對建筑、分項、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結合的方式進行用能數(shù)據(jù)同比分析。

4.3.6能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑時段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標值查看。

4.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，支持導出報表。

4.3.8設備管理

設備管理包括，設備類型、設備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設備，確保設備的運行。

4.3.9用戶報告

用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結果，針對用電提供單獨的復費率用能分析，報告可編輯。

5.系統(tǒng)硬件配置

參考文獻

[1]鄭明明,陳碩．建筑能耗監(jiān)測平臺的研究[J]．建筑節(jié)能,2009(9)．

[2]李國勇．智能控制及其Matlab實現(xiàn)[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[3]賈正源，牛曉東．電力負荷預測的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡模型研究[J]．運籌與管理，2000，9（2）.

[4]周巧儀，崔富義，謝路建.筑能耗與環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)的研究[J].

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.