綠色建筑能源監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)

文｜上海泰豪智能節(jié)能技術(shù)有限公司 楊文濱 施展翔

1 建筑能耗及建筑節(jié)能

在我國(guó)目前能耗結(jié)構(gòu)中，建筑能源消耗已占我國(guó)總商品能耗的20%～30%。在建筑的全生命周期中，建筑材料和建造過(guò)程所消耗的能源一般只占其總能源消耗的20%左右，大部分能源消耗發(fā)生在建筑物的運(yùn)行過(guò)程中。

目前我國(guó)在大型公共建筑的新建和既有改造項(xiàng)目中，由于對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求的不同理念和不同標(biāo)準(zhǔn)，建筑設(shè)計(jì)盲目追求“與國(guó)外接軌”，“新、特、奇”，造成大量全玻璃、全密閉的高能耗建筑。

我國(guó)的建筑運(yùn)行能耗控制水平，尤其是大型公共建筑的能耗控制水平都遠(yuǎn)低于同等氣候條件的發(fā)達(dá)國(guó)家，更遠(yuǎn)低于美國(guó)大多數(shù)建筑。因此，我國(guó)大型公共建筑的節(jié)能應(yīng)該有很大的空間。通過(guò)建立大型公共建筑分項(xiàng)用能實(shí)時(shí)監(jiān)控及能源管理系統(tǒng)，采集實(shí)際能源消耗數(shù)據(jù)，結(jié)合綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，逐步通過(guò)管理及技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。

2 建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

（1）IEEE Std 739-1995，《IEEE Recommended Practice for Energy Management in Industrial and Commercial Facilities》是由美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)制定的關(guān)于工業(yè)和商業(yè)企業(yè)系統(tǒng)中各系統(tǒng)和設(shè)備能量消耗監(jiān)控和管理的指導(dǎo)性建議。該建議通過(guò)如何實(shí)施能源審計(jì)，考察建筑物各設(shè)備有無(wú)能源浪費(fèi)現(xiàn)象，并對(duì)照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電機(jī)、空壓機(jī)等系統(tǒng)分別給出了能效判斷和提高能效的方法。

（2）《IPMVP國(guó)際節(jié)能效果測(cè)量和認(rèn)證規(guī)程》是由國(guó)際節(jié)能效果測(cè)量和認(rèn)證規(guī)程委員會(huì)頒布，IPMVP為評(píng)估確認(rèn)能效、節(jié)水和可再生能源項(xiàng)目的實(shí)施效果提供了現(xiàn)有最佳技術(shù)及方法。

2.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

為能耗統(tǒng)計(jì)、能源審計(jì)、能效公示、用能定額和超定額加價(jià)等制度的建立準(zhǔn)備條件，促使辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)能運(yùn)行管理水平，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2008年6月正式頒布了一套國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑及大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則，共包括5個(gè)導(dǎo)則：

（1）《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則》。

（2）《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導(dǎo)則》。

（3）《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樓宇分項(xiàng)計(jì)量設(shè)計(jì)安裝技術(shù)導(dǎo)則》。

（4）《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)與維護(hù)技術(shù)導(dǎo)則》。

（5）《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)、驗(yàn)收與運(yùn)行管理規(guī)范》。

3 建筑能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)概述

一般來(lái)講，建筑能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)就是將建筑物或者建筑群內(nèi)的變配電、照明、電梯、空調(diào)、供熱、給排水等能源使用狀況，實(shí)行集中監(jiān)視、管理和分散控制的管理系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)建筑能耗在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析功能的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)稱(chēng)。它由各計(jì)量裝置、數(shù)據(jù)采集器和能耗數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng)組成?；旧希ㄟ^(guò)實(shí)時(shí)的在線監(jiān)控和分析管理實(shí)現(xiàn)以下效果：

（1）對(duì)設(shè)備能耗情況進(jìn)行監(jiān)視。

（2）找出低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備。

（3）找出能源消耗異常。

（4）降低峰值用電水平。

通過(guò)上述過(guò)程及方法實(shí)現(xiàn)降低能源消耗，節(jié)省費(fèi)用。

4 建筑能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)架構(gòu)

能源管理系統(tǒng)一般由各計(jì)量裝置、數(shù)據(jù)采集器、管理系統(tǒng)組成，它幫助用戶建立實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)采集、能源管理、能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析系統(tǒng)等。

以基于Web技術(shù)的能源檢測(cè)及管理系統(tǒng)架構(gòu)為例，各種計(jì)量裝置用來(lái)度量各種分類(lèi)分項(xiàng)能耗，包括電能表（含單相電能表、三相電能表、多功能電能表）、水表、燃?xì)獗?、熱（冷）量表等。?jì)量裝置具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與數(shù)據(jù)采集器連接，可以采用多種通信協(xié)議（如MODBUS標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放協(xié)議）將數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)采集器通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳至管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。管理系統(tǒng)對(duì)能源管理工程進(jìn)行組態(tài)和瀏覽能耗數(shù)據(jù)，將能耗數(shù)據(jù)按照《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑及大型公共建筑分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導(dǎo)則》遠(yuǎn)傳至上層的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或數(shù)據(jù)中心。

5 建筑能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)與樓宇自控系統(tǒng)的結(jié)合

建筑能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的目標(biāo)是為了對(duì)建筑的能耗實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)量，進(jìn)行能耗分類(lèi)歸總，計(jì)算單位平均能耗，并查找耗能點(diǎn)和挖掘節(jié)能潛力。

樓宇自控系統(tǒng)的目標(biāo)是對(duì)建筑內(nèi)機(jī)電設(shè)備及環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、舒適、高效、安全的目標(biāo)。

一般會(huì)把以上兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，作為并行的兩套系統(tǒng)，末端設(shè)備獨(dú)立、通信聯(lián)網(wǎng)部分獨(dú)立、軟件獨(dú)立。這樣做其實(shí)存在很大的問(wèn)題，不管是能源管理系統(tǒng)還是樓控系統(tǒng)，都是體現(xiàn)建筑內(nèi)機(jī)電設(shè)備的特征之一，只有兩者結(jié)合才能描述完整的建筑內(nèi)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)。原因如下：

（1）能源管理系統(tǒng)的表具（包括電表、水表等）價(jià)格較貴，如果完全依靠能源管理系統(tǒng)測(cè)量，則投資巨大，影響用戶安裝的積極性。

（2）很多被測(cè)能耗，如照明燈具、風(fēng)機(jī)、水泵等，屬于固定功率運(yùn)行，只需通過(guò)樓宇自控系統(tǒng)測(cè)量開(kāi)機(jī)時(shí)間，即可得到比較準(zhǔn)確的能耗數(shù)據(jù)，完全可用于能源管理系統(tǒng)。

（3）能源管理系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)需要和設(shè)備狀態(tài)相結(jié)合，進(jìn)行耗能點(diǎn)分析，才更有價(jià)值；同時(shí)，設(shè)備自身的運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行規(guī)律，與設(shè)備自身的壽命和維修周期有關(guān)，這同樣屬于能源管理系統(tǒng)的范疇。

（4）能源管理系統(tǒng)要與環(huán)境參數(shù)相結(jié)合，比如：氣象參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)等。一方面節(jié)能要建立在滿足用戶正常需要的基礎(chǔ)上，另一方面，自然環(huán)境的變化，對(duì)能耗的影響，需要建立長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)模型，才能得出符合實(shí)際的規(guī)律。

（5）樓宇自控系統(tǒng)會(huì)對(duì)部分能源進(jìn)行計(jì)量，這部分?jǐn)?shù)據(jù)可直接進(jìn)入能源管理系統(tǒng)，避免重復(fù)投資。

（6）能源管理系統(tǒng)和樓宇自控系統(tǒng)，可共享總線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)控制器，節(jié)省投資。

（7）能源管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，會(huì)對(duì)樓宇自控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足節(jié)能的目標(biāo)。

綜上所述，能源管理系統(tǒng)和樓宇自控系統(tǒng)應(yīng)該作為一個(gè)整體加以設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整、功能完整、節(jié)省投資的目標(biāo)。

兩者的整體設(shè)計(jì)，建議采用如下步驟：

（1）按照能耗分類(lèi)、分項(xiàng)、分區(qū)域的劃分原則，列出建筑主要耗能機(jī)電設(shè)備清單。

（2）根據(jù)樓宇自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，列出樓控系統(tǒng)已監(jiān)控的機(jī)電設(shè)備清單，如為額定功率運(yùn)行，則計(jì)入時(shí)間型電計(jì)量點(diǎn)；否則不計(jì)入時(shí)間型電計(jì)量點(diǎn)。計(jì)入時(shí)間型電計(jì)量點(diǎn)的設(shè)備，需明確記錄額定功率值。

（3）在耗能設(shè)備清單中，除去時(shí)間型計(jì)量點(diǎn)，余下部分，需全部設(shè)計(jì)安裝專(zhuān)用計(jì)量?jī)x表（如：水表、電表、熱表等），同時(shí)，必須選擇帶遠(yuǎn)傳通信接口（一般為RS485總線）的計(jì)量?jī)x表，推薦采用支持開(kāi)放通信協(xié)議的儀表。

（4）把專(zhuān)用計(jì)量?jī)x表就近接入樓控DDC中。

（5）按照標(biāo)準(zhǔn)樓控系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制部分和通信部分。

（6）通過(guò)樓控系統(tǒng)工作站軟件提供的對(duì)外開(kāi)放協(xié)議接口，讀取數(shù)據(jù)。

樓控系統(tǒng)只提供能耗相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)值，對(duì)數(shù)據(jù)的二次加工（如：把時(shí)間型電計(jì)量點(diǎn)轉(zhuǎn)換為能耗數(shù)值等）和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等，均在能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

6 能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)實(shí)施要點(diǎn)

能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的實(shí)施必須符合國(guó)家、地方相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則標(biāo)注及規(guī)范。能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的實(shí)施必須落實(shí)以下幾點(diǎn)：

（1）能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的目標(biāo)：能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的目標(biāo)是為了對(duì)建筑的能耗實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)量，進(jìn)行能耗分類(lèi)歸總，計(jì)算單位平均能耗，并查找耗能點(diǎn)和挖掘節(jié)能潛力，并最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

（2）能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程：能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜和龐大的系統(tǒng)，它需要建筑內(nèi)多個(gè)系統(tǒng)的配合，涉及到硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境以及人員的支持，實(shí)現(xiàn)前必須對(duì)系統(tǒng)的困難作充分估計(jì)。

（3）能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是一個(gè)自完善工程：能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)成功的實(shí)施，必須是以建筑的管理使用人員為核心，不能完全交給節(jié)能顧問(wèn)及產(chǎn)品供應(yīng)商。只有建筑的管理者及使用者真正參與進(jìn)來(lái)，能源監(jiān)管系統(tǒng)才具有意義。

因此，能源監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)的實(shí)施，必須注意以下關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查：提前發(fā)現(xiàn)實(shí)施中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并預(yù)先進(jìn)行規(guī)劃和改進(jìn)。

（2）能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)必須與建筑已有系統(tǒng)充分結(jié)合，并盡量利用已有資源，不能影響現(xiàn)有系統(tǒng)安全及性能。

（3）系統(tǒng)必須具有完整的設(shè)計(jì)方案、工程圖紙、設(shè)備清單及施工方案等資料。

（4）系統(tǒng)建設(shè)及驗(yàn)收必須嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（5）進(jìn)行建筑管理者及使用者的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提高相關(guān)人員業(yè)務(wù)水平。

（6）系統(tǒng)的日常運(yùn)行維護(hù)及定期檢修必須制定嚴(yán)格的管理規(guī)范。

（7）系統(tǒng)應(yīng)留有一定的升級(jí)擴(kuò)展能力。

7 工程案例

建筑樓宇實(shí)施了能源監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、通信網(wǎng)絡(luò)組成的“神經(jīng)系統(tǒng)”收集數(shù)據(jù)，通過(guò)管理系統(tǒng)這個(gè)“大腦”判斷能耗浪費(fèi)和異常，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，并做出決策。建筑節(jié)能不是一蹴而就的，它需要經(jīng)過(guò)一個(gè)不斷循環(huán)、不斷反饋、不斷優(yōu)化的過(guò)程，最終達(dá)到節(jié)省能源，節(jié)省成本的目的。本節(jié)選取某辦公建筑B大廈為例來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明能源監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用。大樓能耗模型如圖1所示。

7.1 建筑基本信息

B大廈占地面積42500m2，總建筑面積40000m2。大廈地上9層，地下2層， 是一座辦公智能化、樓宇自動(dòng)化、通信傳輸智能化、消防智能化、安保智能化的5A型智能寫(xiě)字樓，每層辦公部分和影視部分各一臺(tái)9kW熱水器，影視部分地下一層另設(shè)一臺(tái)熱水器，整個(gè)建筑共19臺(tái)熱水器。

大廈采用中央空調(diào)和新風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)。整個(gè)大廈大概600個(gè)風(fēng)機(jī)盤(pán)管。

配電室位于地下一層，由4臺(tái)1250kVA和1臺(tái)500kVA變壓器組成，各配電支路按不同功能分別由對(duì)應(yīng)變壓器分出，變電柜為抽屜式立柜。

7.2 分項(xiàng)用能實(shí)時(shí)監(jiān)控管理平臺(tái)建設(shè)概要

B大廈通過(guò)建立分項(xiàng)用能實(shí)時(shí)監(jiān)控管理平臺(tái)來(lái)采集實(shí)際能耗數(shù)據(jù)，并對(duì)大廈的現(xiàn)有用能狀況進(jìn)行分析，進(jìn)一步對(duì)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等進(jìn)行節(jié)能診斷，得出切實(shí)可行的節(jié)能方案，包括管理節(jié)能和技術(shù)節(jié)能。

通過(guò)實(shí)施節(jié)能方案，基本實(shí)現(xiàn)了減少能源消耗、降低運(yùn)行成本、提高運(yùn)行管理水平的目標(biāo)。

（1）用能分項(xiàng)的劃分

根據(jù)B大廈強(qiáng)電考察分析，此大廈總共可以劃分154個(gè)強(qiáng)電支路，經(jīng)過(guò)后臺(tái)軟件分析和處理，最終形成以下用能分項(xiàng)：照明用電、室內(nèi)插座和辦公設(shè)備用電、暖通空調(diào)用電、綜合服務(wù)用電、影視演播廳等特殊用電。

以上各分項(xiàng)還包括各種二級(jí)分項(xiàng)，分項(xiàng)計(jì)量設(shè)計(jì)方法和能耗模型。

（2）設(shè)計(jì)原則

采用完全符合建設(shè)部《分項(xiàng)計(jì)量技術(shù)導(dǎo)則》的方法和設(shè)備。

7.3 分項(xiàng)計(jì)量設(shè)計(jì)

分項(xiàng)計(jì)量的基本原則是：在一定投資成本和不改動(dòng)已有配電線路的前提下，以最大程度的獲得能耗分析需求數(shù)據(jù)為目標(biāo)，按公共建筑能耗模型在既有配電支路上有選擇性的加裝電表。

具體分項(xiàng)計(jì)量原則如下：

圖1 大樓能耗模型

（1）總用電量的計(jì)量。在變電站各臺(tái)變壓器低壓側(cè)加裝電能表。

（2）空調(diào)系統(tǒng)用電計(jì)量、分體空調(diào)用電計(jì)量。有條件則盡量單獨(dú)計(jì)量，否則計(jì)量其上級(jí)供電回路總電量。

（3）照明、插座系統(tǒng)用電量。有條件則對(duì)照明和插座各自總用電量進(jìn)行單獨(dú)計(jì)量；若兩者摻混，則對(duì)混合電量進(jìn)行計(jì)量，然后充分利用以瞬態(tài)數(shù)據(jù)特征為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)拆分方法進(jìn)行拆分。

（4）電梯用電量。選擇兩個(gè)典型電梯機(jī)房的工作供電回路（消防電梯、高區(qū)電梯）加裝有功電能表。

（5）事故照明回路的用電量。事故照明通常都是走廊和樓梯間的照明負(fù)荷，故在其工作回路加裝電表。

（6）其他用電。這里包括廚房用電、信息中心用電等，應(yīng)在各用電支路安裝總計(jì)量表即可。

另外還需考慮對(duì)集中供熱等其他能源供給方式進(jìn)行合理計(jì)量。

7.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由采集單元、數(shù)據(jù)采集器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心采集服務(wù)器四部分組成。采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖2所示。

（1）數(shù)據(jù)采集單元主要由各種電子遠(yuǎn)傳式采集終端設(shè)備組成，包括采集電量的電子式遠(yuǎn)傳電能表、采集水量的電子式遠(yuǎn)傳水表、采集空調(diào)冷量的超聲波冷量計(jì)和采集氣量的遠(yuǎn)傳氣表等。

（2）數(shù)據(jù)采集器主要由高性能嵌入式產(chǎn)品組成。

（3）傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)兩種形式。

（4）數(shù)據(jù)中心采集服務(wù)器主要由各種計(jì)算機(jī)服務(wù)器、磁盤(pán)陣列和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。

7.5 建筑分項(xiàng)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本工程選用的建筑分項(xiàng)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持詳細(xì)分項(xiàng)能耗計(jì)算、演示；詳細(xì)支路能耗演示；詳細(xì)分區(qū)（分戶）能耗演示；分項(xiàng)能耗與同類(lèi)建筑橫向?qū)Ρ龋ㄐ枧c數(shù)據(jù)中心聯(lián)網(wǎng)）；能耗問(wèn)題診斷功能；適合政府建筑能耗管理者和決策者使用。

圖2 采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D