大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計

文｜山東省建筑設計研究院第五分院 任立全 史大洋 聶玉安

1 引言

目前，國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗巨大。據(jù)調查，國家機關辦公建筑和大型公共建筑的建筑面積占全國城鎮(zhèn)總建筑面積的4%，但年耗電量卻占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%，每平方米年耗電量是普通居民住宅的10～20倍、是日本及歐洲發(fā)達國家同類建筑的1.5～2倍。近年來，國家對建筑節(jié)能工作提出了一系列更新、更高的要求，制發(fā)了實施意見等相關文件，要求建立國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測體系，通過對國家機關辦公建筑和大型公共建筑進行動態(tài)實時能耗監(jiān)測、能耗統(tǒng)計、能源審計、能效公示等手段，加強對大型公共建筑和政府辦公建筑的節(jié)能管理，建立節(jié)能運行管理制度，為國家機關辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)建筑節(jié)能規(guī)劃目標。

2 能耗監(jiān)測系統(tǒng)的組成

能耗監(jiān)測系統(tǒng)是對通過安裝于國家機關辦公建筑和大型公共建筑的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)，實現(xiàn)對重點建筑能耗的在線監(jiān)測和動態(tài)分析功能的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)稱[1]。能耗監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中轉站和數(shù)據(jù)中心。其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由監(jiān)測建筑中的各計量裝置、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)等組成。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

能耗數(shù)據(jù)采集方式包括人工采集和自動采集兩種。以人工采集方式采集的數(shù)據(jù)包括建筑基本情況數(shù)據(jù)采集指標和其他不能通過自動方式采集的能耗數(shù)據(jù)，如建筑消耗的煤、液化石油、人工煤氣等能耗量。以自動采集方式采集的數(shù)據(jù)包括建筑分項能耗數(shù)據(jù)和分類能耗數(shù)據(jù)，由自動計量裝置實時采集，通過自動傳輸方式實時傳輸至數(shù)據(jù)中心。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸技術

建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)的計量裝置（各類計量表具）所采集的能耗數(shù)據(jù)，通過RS485接口，以TCP/IP通信協(xié)議自動實時上傳至數(shù)據(jù)中轉站，以保證數(shù)據(jù)得到有效的管理，支持高效率的查詢服務；數(shù)據(jù)傳輸采取一定的編碼規(guī)則，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)組織、存儲及交換的一致性。為保證能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，應采用虛擬專用網(wǎng)（VPN）技術對能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉站與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸進行加密，防止傳輸數(shù)據(jù)被竊聽及篡改。

2.3 數(shù)據(jù)中心

省級行政區(qū)域的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)主要由建筑物節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)、各城市數(shù)據(jù)中心以及省級數(shù)據(jù)中心三級組成。如圖1所示。數(shù)據(jù)中心接收并存儲其管理區(qū)域內監(jiān)測建筑的能耗數(shù)據(jù)，并對其進行處理、分析、展示和發(fā)布；具備設置數(shù)據(jù)更新的時間間隔、訪問歷史數(shù)據(jù)、報警、打印報表、繪制實時與歷史曲線等功能，并預留有相應的擴展功能。

圖1 建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖

（1）建筑物節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)

建筑物節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)設立在被監(jiān)測建筑（建筑群或園區(qū)）內，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡通信等功能，能自動保存實時監(jiān)測到的建筑能耗原始數(shù)據(jù)，并能按監(jiān)管體系的要求自動完成相應的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和能耗分析工作。該子系統(tǒng)應具有將建筑能耗原始數(shù)據(jù)和分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)自動上傳到上一級數(shù)據(jù)中心的功能，也能按指令要求傳輸任意時段的原始數(shù)據(jù)或統(tǒng)計數(shù)據(jù)。設立建筑物節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)有利于數(shù)據(jù)的分散存儲、集中管理，降低系統(tǒng)風險，降低網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量，緩解網(wǎng)絡通信壓力，減輕省市兩級數(shù)據(jù)中心的工作量。

（2）市級數(shù)據(jù)中心

市級數(shù)據(jù)中心應能自動接收并存儲本轄區(qū)內各建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)上報的節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)，按建筑節(jié)能監(jiān)管體系的要求統(tǒng)計，匯總本轄區(qū)內建筑能耗的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，生成各類統(tǒng)計報表及分析報告，并將能耗信息定時自動上傳到省級數(shù)據(jù)中心。

（3）省級數(shù)據(jù)中心

省級數(shù)據(jù)中心負責接收和存儲各市級數(shù)據(jù)中心上傳的能耗監(jiān)測信息，對上傳能耗數(shù)據(jù)進行匯總和統(tǒng)計、分析，生成全省建筑能耗統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)及相關報表。按建筑節(jié)能監(jiān)管體系的要求定時完成信息上報和信息發(fā)布。

建筑物節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心之間以及省、市級數(shù)據(jù)中心之間的自動連接與信息傳輸應采用有效、可靠、適用的軟、硬件設備，以保障信息安全和網(wǎng)絡安全。

3 建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設計組成

建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)是能耗監(jiān)測系統(tǒng)的末端子系統(tǒng)，一般由能耗計量裝置、數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡通信設備構成。大型公共建筑（建筑群或園區(qū)）應設置系統(tǒng)管理服務器和建筑節(jié)能監(jiān)測控制室。建筑物能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖2所示。

建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)管理、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷功能，能夠對建筑物內的各類能耗數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計，并具有上傳至上一級數(shù)據(jù)中心的能力。

分類能耗是指根據(jù)國家機關辦公建筑和大型公共建筑消耗能源的主要種類劃分，如電、燃氣、水等進行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)。分項能耗是指根據(jù)各類能源的主要用途劃分進行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)。以電量為例，其分項能耗應當包括照明插座用電、空調用電、動力用電及特殊用電，分項能耗模型如圖3所示。

圖2 建筑物能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

圖3 公共建筑電量分項能耗模型圖

圖3所示的電量分項能耗模型是一個比較理想的模型，是能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計的重要依據(jù)。但在工程設計中，模型往往會有所變化，如空調末端（分機盤管）、小容量新風換氣機等大多并非包含在空調配電系統(tǒng)中，而是包含在照明插座配電系統(tǒng)里。

3.1 能耗計量裝置

建筑物能耗計量裝置主要包括電能表、熱量表及水表等。

（1）電能表

能耗監(jiān)測系統(tǒng)中使用的電能表應具有監(jiān)測和計量三相（單相）有功電能和有功功率或電流的功能，多功能電能表至少應具有監(jiān)測和計量三相電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)、有功電能、最大需量及總諧波含量的功能。電能表均應具有數(shù)據(jù)遠傳功能，至少具有符合RS485標準的串行電氣接口，采用Modbus標準開放協(xié)議或符合《多功能電能表通信協(xié)議》（DL/T 645-2007）中的相關規(guī)定。電能表精確度等級應不低于1.0級，配用電流互感器的精確度等級應不低于0.5級。

（2）熱量表

熱量表是用于測量及顯示水流經熱交換系統(tǒng)釋放或吸收熱量的儀表，分為整體式和組合式兩種。熱量表流量測量裝置以測量方式為標準，主要可分為電磁及超聲波式、機械式和壓差式三大類，熱量表溫度測量裝置主要分為接觸式和非接觸式兩大類。熱量表應帶有檢測接口或數(shù)據(jù)通信接口，接口形式可為RS485或無線接口；熱量表還應具有斷電數(shù)據(jù)保護功能。

（3）水表

遠傳水表是在普通水表的基礎上加裝電子采集模塊而成，電子模塊完成信號采集、數(shù)據(jù)處理、存儲并將數(shù)據(jù)通過通信線路上傳給中繼器或手持式抄表器。遠傳水表采用一體式設計的表體，可以實時地記錄并保存用戶用水量。每塊水表都有唯一的代碼，當接收到抄表指令后可即時將數(shù)據(jù)上傳給管理系統(tǒng)。遠傳水表可按機電轉換方式分為實時轉換式遠傳水表和直讀式遠傳水表，按翼輪構造分為螺翼式遠傳水表和旋翼式遠傳水表，按照計數(shù)機件的浸沒方式分為干式遠傳水表和濕式遠傳水表。

3.2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是一種采用嵌入式微計算機系統(tǒng)的建筑能耗數(shù)據(jù)采集專用裝置，具有數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、傳輸以及現(xiàn)場設備運行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷等功能。系統(tǒng)硬件主要包括微處理器、I/O接口、人機接口及通信接口四部分，軟件部分主要由監(jiān)控程序和功能執(zhí)行程序組成。數(shù)據(jù)采集器應具有以下功能：

◆ 支持根據(jù)上位機或數(shù)據(jù)中心命令采集和主動定時采集兩種數(shù)據(jù)采集模式，定時采集周期可靈活配置（5分鐘到1小時可調）；

◆ 支持對面向不同種類能源、不同品牌的計量裝置，包括電能表及熱量表等進行數(shù)據(jù)采集；

◆ 配置不小于256MB的專用存儲空間，能耗數(shù)據(jù)可存儲30天；

◆ 在數(shù)據(jù)傳輸前對數(shù)據(jù)包進行加密處理，采用AES加密和MD5身份認證機制；

◆ 具有本地配置和管理功能，支持接受來自數(shù)據(jù)中心的查詢、校時等命令。

另外，嚴禁在數(shù)據(jù)采集器上設計后臺程序，使數(shù)據(jù)采集器受到非法遠程控制或私自遠傳數(shù)據(jù)包到其他服務器。

3.3 建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)管理服務器

（1）系統(tǒng)管理服務器的主要作用

建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)管理服務器的主要作用，也即設立建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)管理服務器的主要目的，是實現(xiàn)建筑節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)的分散存儲、集中管理，降低遠程通信流量，保障數(shù)據(jù)存儲和傳輸安全，規(guī)避網(wǎng)絡風險，降低省、市兩級節(jié)能監(jiān)測管理工作量，提高網(wǎng)絡運行效率。系統(tǒng)管理服務器一般設在建筑節(jié)能監(jiān)測控制室（也可與BA控制室合用）。

（2）系統(tǒng)管理服務器的主要功能

①系統(tǒng)管理服務器作為上位機負責管理數(shù)據(jù)采集器，接收由數(shù)據(jù)采集器發(fā)來的節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)和設備監(jiān)控管理信息，并按照分類、分項的原則對能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，生成并展示各分類、分項能耗、單位面積能耗、總能耗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和相關圖表等。

②系統(tǒng)管理服務器能檢測并顯示系統(tǒng)監(jiān)測層的運行情況，接收和顯示系統(tǒng)監(jiān)測層發(fā)送的計量裝置運行狀態(tài)及故障定位信息，具有故障定位、診斷和處理的功能，以及數(shù)據(jù)異常報警功能等。

③系統(tǒng)管理服務器負責管理維護能耗監(jiān)測原始數(shù)據(jù)庫、能耗統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫。各類數(shù)據(jù)庫信息均不能人為修改及生成。

④系統(tǒng)管理服務器保持系統(tǒng)運行時鐘與上級數(shù)據(jù)中心時鐘同步，按同步時鐘自動傳輸生成的各類數(shù)據(jù)文件，具有斷點續(xù)傳功能。

3.4 能耗監(jiān)測系統(tǒng)應用軟件

能耗監(jiān)測系統(tǒng)應用軟件主要由數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送模塊組成。系統(tǒng)應用軟件應提供各計量裝置的靜態(tài)信息人工錄入功能，可用于設置各計量裝置與各分類、分項能耗的關系，并能靈活配置各計量裝置的通信協(xié)議、通信通道及裝置名稱、安裝位置等基本屬性。能耗監(jiān)測系統(tǒng)應用軟件具有友好的人機交互界面，可實時和定時采集現(xiàn)場設備的各參量及開關量狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中心進行存儲。此外，系統(tǒng)應用軟件還應具備良好的開放性，具有報警管理、用戶權限管理、系統(tǒng)日志生成，以及管理主機數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計等功能，可自動對應用數(shù)據(jù)庫進行備份，以防運行數(shù)據(jù)丟失。

4 結束語

大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時記錄建筑物用能狀況，自動進行能耗數(shù)據(jù)處理，完成建筑能耗結構、建筑用能效率及建筑節(jié)能潛力數(shù)據(jù)分析，并將相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)報送上一級數(shù)據(jù)中心。大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的建設是一個長期的過程，需要業(yè)主和廣大設計人員的共同努力。能耗監(jiān)測系統(tǒng)為大型公共建筑節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)支持，建設和完善能耗監(jiān)測系統(tǒng)能夠為實現(xiàn)建筑節(jié)能規(guī)劃目標奠定堅實的基礎。