高校節(jié)約型校園數(shù)字化建設(shè)模式研究

季文娟 張廣明 唐桂忠 李 果

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院1，江蘇 南京 210009;江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心2，江蘇 南京 210009)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源需求不斷增長(zhǎng)與能源日益匱乏的矛盾日趨嚴(yán)重。我國(guó)能源利用率低，單位建筑面積采暖能耗為發(fā)達(dá)國(guó)家的2～3倍。因此，節(jié)能是改善環(huán)境、提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必然選擇，它已成為全社會(huì)共同關(guān)注的熱點(diǎn)[1－2]。在能源消耗的各領(lǐng)域中，建筑領(lǐng)域是耗能大戶。而高校校園普遍存在多種能耗浪費(fèi)的現(xiàn)象，是一個(gè)特殊的耗能大戶[3]。但目前國(guó)內(nèi)外結(jié)合高校的具體情況進(jìn)行綜合節(jié)能分析與改造的示例不多，研究與應(yīng)用不夠完善。本文提出用分項(xiàng)計(jì)量技術(shù)與數(shù)字化手段相結(jié)合建設(shè)節(jié)約型校園的構(gòu)想。這是高校校園節(jié)能發(fā)展的需求和趨勢(shì)，也是我國(guó)目前有待深入研究的前沿應(yīng)用型課題。

1 節(jié)約型校園數(shù)字化建設(shè)

數(shù)字化校園是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將學(xué)校的各項(xiàng)資源數(shù)字化，構(gòu)成統(tǒng)一的用戶管理、資源管理和權(quán)限控制模式，以實(shí)現(xiàn)教育信息化、決策科學(xué)化和管理規(guī)范化，完成校園的信息傳遞和資源共享[4]。

建設(shè)節(jié)約型校園不僅是學(xué)校自身發(fā)展的需要，更是學(xué)校應(yīng)有的社會(huì)責(zé)任。教育部《關(guān)于建設(shè)節(jié)約型學(xué)校的通知》中提出：建設(shè)節(jié)約型校園就是以提高資源利用效率為核心，以節(jié)能、節(jié)水等資源綜合利用為重點(diǎn)，大力加強(qiáng)資源的循環(huán)利用[5]。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2008年相繼發(fā)布了《高等學(xué)校節(jié)約型校園建設(shè)管理與技術(shù)導(dǎo)則》和《抓緊落實(shí)高等學(xué)校節(jié)約型校園建設(shè)工作要求》，指明了高等學(xué)校節(jié)約型校園建設(shè)的政策依據(jù)、存在的問(wèn)題、工作方向及近期目標(biāo)[6]。節(jié)約型校園數(shù)字化建設(shè)的結(jié)構(gòu)包括6個(gè)層次：表現(xiàn)層、應(yīng)用層、信息資源與數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層、能耗分項(xiàng)計(jì)量層以及分項(xiàng)能耗采集層。

通過(guò)分項(xiàng)能耗采集系統(tǒng)采集校園內(nèi)各分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，并傳遞到能耗分項(xiàng)計(jì)量層，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層將能耗數(shù)據(jù)信息上傳到信息中心和數(shù)據(jù)庫(kù)。在應(yīng)用層，分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)被應(yīng)用于信息服務(wù)、后臺(tái)管理等各子系統(tǒng)，最后展現(xiàn)在數(shù)據(jù)管理人員、學(xué)校管理人員以及社會(huì)公眾的面前。

2 校園能耗分項(xiàng)計(jì)量

2.1 分項(xiàng)計(jì)量的數(shù)據(jù)需求

根據(jù)建筑用能特點(diǎn)，分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集指標(biāo)為4項(xiàng)：照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電和特殊用電[7]。通過(guò)對(duì)相關(guān)支路計(jì)量表具能耗數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，獲得分項(xiàng)能耗指標(biāo)。

由于目前大型建筑內(nèi)普遍安裝1～3塊計(jì)量表，計(jì)量深度不夠，無(wú)法對(duì)建筑能耗進(jìn)行準(zhǔn)確拆分進(jìn)而準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)建筑用電問(wèn)題所在，所以必須分項(xiàng)計(jì)量。

2.2 分項(xiàng)計(jì)量的軟硬件配置

數(shù)據(jù)中心軟件包括：① Windows XP professional中文版工作站操作系統(tǒng);②Windows 2003 server中文版服務(wù)器操作系統(tǒng);③防火墻、防毒軟件等;④MS SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件;⑤數(shù)據(jù)采集軟件;⑥數(shù)據(jù)分析軟件。

數(shù)據(jù)采集器必須具備8～16個(gè)RS-485采集接口，通信的最大速率不小于115 200 bit/s，通信協(xié)議支持DL/T 645、GB/T 19582;每個(gè)接口可獨(dú)立配置，支持計(jì)量設(shè)備數(shù)量不少于32臺(tái);采集周期可根據(jù)數(shù)據(jù)中心命令或主動(dòng)定時(shí)采集;存儲(chǔ)容量不小于16 MB;至少具有1 個(gè)有線遠(yuǎn)傳接口[8]。

2.3 分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集和傳輸

數(shù)據(jù)采集器定時(shí)采集、上傳能耗數(shù)據(jù)，采集周期可以在10 min～1 h范圍內(nèi)靈活配置;一般規(guī)定分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)每15 min上傳1次，不分項(xiàng)的能耗數(shù)據(jù)每1 h上傳1次。

為保證數(shù)據(jù)上傳的實(shí)時(shí)性、可靠性，所選網(wǎng)絡(luò)必須結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，設(shè)備接入靈活性高、數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

考慮到校園的通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施一般比較完備，可以利用有線和無(wú)線校園網(wǎng)傳輸分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，降低運(yùn)行成本，擺脫電信運(yùn)營(yíng)商的束縛。設(shè)計(jì)過(guò)程中將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于校園內(nèi)部能耗數(shù)據(jù)的短距離無(wú)線傳輸，充分發(fā)揮其低功耗、低成本、短時(shí)延、高容量和高安全的優(yōu)勢(shì)。

高校通過(guò)統(tǒng)一的校園網(wǎng)接入Internet，更好地保證了安全性和方案管理。

3 校園建設(shè)的模式

依托多學(xué)科，綜合應(yīng)用工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)信息安全、大型數(shù)據(jù)庫(kù)和地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代技術(shù)，本文提出了節(jié)約型校園數(shù)字化建設(shè)的基本模式和擴(kuò)展模式，實(shí)現(xiàn)了高校各能耗系統(tǒng)的信息交互、點(diǎn)面對(duì)接和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)由計(jì)量表具、數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站、數(shù)據(jù)服務(wù)器和管理軟件組成。系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用B/S構(gòu)架。

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system topology

3.1 基本模式

基本模式是節(jié)約型校園數(shù)字化建設(shè)的必選模式，其通過(guò)建設(shè)基本模式能達(dá)到校園能耗實(shí)時(shí)監(jiān)管的目的，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化節(jié)約型校園。它主要包括校園電能計(jì)量管理系統(tǒng)、校園用水及給水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、校園戶外照明智能管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng)以及節(jié)能管理專家系統(tǒng)。

校園用水及給水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常使用基于TCP/IP協(xié)議的校園網(wǎng)絡(luò)，采用有線網(wǎng)絡(luò)端口或由無(wú)線通信模塊接入校園網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)校各部門的用水情況監(jiān)控與管理。系統(tǒng)具備智能化數(shù)據(jù)分析功能，可進(jìn)行漏失分析和用水異常識(shí)別，幫助管理人員進(jìn)行綜合決策。校園用水及給水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 用水及給水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Monitoring system of water consumption and water supplying networks

校園戶外照明主要包括校園路燈、景觀照明和戶外公共設(shè)施照明等。校園戶外照明智能管理系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字矢量地圖技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制方法。在每段路管理模式一致的路燈上安裝一個(gè)路燈載波控制器，控制器直接通過(guò)低壓載波電力線與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通信，無(wú)需敷設(shè)專用通信線。

根據(jù)人性化的控制方案，我們對(duì)校內(nèi)各路段的路燈制定不同的開(kāi)關(guān)燈周期策略，如季節(jié)策略、夜間高峰期策略、假期策略等。校區(qū)內(nèi)路燈通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地輕松管理，在改善控制效果的同時(shí)，也帶來(lái)了可觀的節(jié)電效益。

校園戶外照明智能管理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 戶外照明智能管理系統(tǒng)Fig.3 Intelligent management system of outdoor lighting

3.2 擴(kuò)展模式

擴(kuò)展模式是指在啟用了基本模式的前提下，根據(jù)各學(xué)校具體情況決定是否啟用的可選模式。校園用電系統(tǒng)主要包括教室照明智能管理系統(tǒng)、教室空調(diào)智能管理系統(tǒng)、校園太陽(yáng)能發(fā)電和集熱系統(tǒng)、校園安全保衛(wèi)系統(tǒng)、公共浴室計(jì)時(shí)節(jié)水系統(tǒng)和圖書館水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

擴(kuò)展模式是對(duì)基本模式的補(bǔ)充和擴(kuò)展，它能使校園更好地使用、管理能源，更大程度地降低能耗。

教室照明智能管理系統(tǒng)通過(guò)紅外微波雙鑒探測(cè)器和門磁開(kāi)關(guān)分別采集有無(wú)人及開(kāi)關(guān)門信號(hào)，并將其送到控制器中?？刂破魍ㄟ^(guò)邏輯判斷，自動(dòng)控制教室照明回路的通斷。通過(guò)在教室內(nèi)不同位置安裝光敏裝置，感應(yīng)相應(yīng)位置的光線強(qiáng)度。在工作時(shí)段內(nèi)，紅外探測(cè)器的監(jiān)測(cè)信號(hào)判斷教室內(nèi)是否有人，如“無(wú)人”，控制程序進(jìn)入延時(shí)。

在延時(shí)時(shí)段內(nèi)，如果DDC控制器沒(méi)有再收到“有人”信號(hào)，則延時(shí)結(jié)束后，DDC控制器自動(dòng)切斷照明回路;如在延時(shí)時(shí)段內(nèi)接收到“有人”信號(hào)，DDC控制模塊立即中止延時(shí)，重新等待“無(wú)人”信號(hào)。當(dāng)教室有人但光敏裝置感測(cè)到光線不足時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟照明系統(tǒng)，以保證師生們有一個(gè)良好的教學(xué)環(huán)境。

教室空調(diào)智能管理系統(tǒng)通過(guò)在教室內(nèi)安裝CO2濃度檢測(cè)裝置，定時(shí)采集教室內(nèi)CO2的濃度數(shù)據(jù)并上傳到數(shù)據(jù)中心，與設(shè)定的濃度閾值進(jìn)行比對(duì)，結(jié)合季節(jié)影響因素，分析教室的人數(shù)和通風(fēng)情況。當(dāng)CO2濃度達(dá)到預(yù)設(shè)的換風(fēng)額定值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行換風(fēng)，并且換風(fēng)頻率根據(jù)教室內(nèi)CO2實(shí)時(shí)濃度自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié);當(dāng)教室內(nèi)CO2濃度降到預(yù)設(shè)的濃度最低限值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)換風(fēng)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)還可以根據(jù)江蘇地區(qū)氣候特點(diǎn)和相關(guān)政策的要求對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行設(shè)置：夏季室內(nèi)空調(diào)溫度不低于26℃，冬季室內(nèi)空調(diào)溫度不高于20℃，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

建設(shè)節(jié)約型數(shù)字化校園是學(xué)校實(shí)現(xiàn)全面節(jié)能信息化的建設(shè)目標(biāo)，是高校建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。它要求高校在校園設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行管理中充分體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的思想。相信隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)會(huì)不斷涌現(xiàn)，節(jié)約型校園數(shù)字化建設(shè)的內(nèi)涵、技術(shù)會(huì)不斷地加以豐富和提高。

本文旨在拋磚引玉，為目前節(jié)約型校園數(shù)字化建設(shè)提出了發(fā)展方向，但在進(jìn)行具體的實(shí)施和進(jìn)一步的理論、實(shí)踐研究中仍有大量的研究工作需要補(bǔ)充及完善。

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[7]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建科[2008]114號(hào) 國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗檢測(cè)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則[S].北京，2008.

[8]江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.DGJ32/TJ 111-2010公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程[S].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2011.