某辦公建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

文｜山東省建筑設(shè)計研究院 任立全

北京泰豪智能工程有限公司 程元明

山東建筑大學信息與電氣工程學院 李 輝

1 引言

當前國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗巨大，對此，近年來國家對建筑節(jié)能工作已提出了一系列的要求及實施意見，要求建立國家機關(guān)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(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗進行動態(tài)的實時監(jiān)測、能耗統(tǒng)計、能源審計、能效公示等手段，加強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(guān)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。目前，建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)工作已在我省全面展開，并于2011年制定出版山東省工程建設(shè)標準《公共建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑均應(yīng)設(shè)置建筑物節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)。在此，本文主要介紹辦公建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)的具體設(shè)計及應(yīng)用。

2 工程概況

本工程為山東省某新城企業(yè)總部群辦公樓項目，地上主體建筑十七層，地下二層；建筑主體高度為74.7m。其中一層為大堂，二層為商務(wù)中心和會議室，三層以上為辦公室等。地下兩層分別為10kV分變配電所、消防水泵房、制冷機房、立體車庫、風機房、值班室等。裙房為兩層商業(yè)建筑?？偨ㄖ娣e為39897m2，屬于一類高層建筑。

3 節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)的組成

節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)是指通過在建筑物內(nèi)安裝分類和分項能耗計量裝置，實時采集建筑能耗數(shù)據(jù)，并具有在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)遠傳功能的軟件和硬件系統(tǒng)的統(tǒng)稱[1]。全省建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)是由各監(jiān)測建筑內(nèi)的節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)、市級數(shù)據(jù)中心省級數(shù)據(jù)中心以及網(wǎng)絡(luò)通信與信息安全設(shè)施組成。

（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(shè)立在被監(jiān)測建筑（建筑群或園區(qū)）內(nèi)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和能耗分析工作。該子系統(tǒng)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統(tǒng)計數(shù)據(jù)。設(shè)立建筑物節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)有利于數(shù)據(jù)分散存儲、集中管理、降低系統(tǒng)風險及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，緩解網(wǎng)絡(luò)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

城市數(shù)據(jù)中心應(yīng)能自動接收并存儲來自本轄區(qū)內(nèi)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)管體系要求統(tǒng)計匯總本轄區(qū)內(nèi)建筑能耗各類監(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城市數(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(guān)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。

4 建筑物節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計組成

建筑物節(jié)能監(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(luò)通信設(shè)備構(gòu)成，大型公共建筑（建筑群或園區(qū)）應(yīng)設(shè)置系統(tǒng)管理服務(wù)器和建筑節(jié)能監(jiān)測控制室。本建筑節(jié)能監(jiān)測控制室與BA控制室合用。建筑物能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 建筑物能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4.1 理想的電量分項能耗模型

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?qū)⑵浣ㄖ飪?nèi)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。其中，分類能耗是指根據(jù)國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑消耗的主要能源種類劃分進行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)，如電、燃氣、水等。分項能耗是根據(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)，如電量分項能耗包括照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電及特殊用電。電量分項能耗模型如圖2所示。

圖2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)的重要設(shè)計依據(jù)。但在工程設(shè)計中也往往有所變化，如空調(diào)末端（分機盤管）、小容量新風換氣機等并不在空調(diào)配電中，大多數(shù)包含在照明插座配電系統(tǒng)里。

圖2 公共建筑能耗監(jiān)測電量分項能耗模型

圖3 辦公建筑能耗監(jiān)測電量分項能耗模型

4.2 本辦公建筑的主要用電負荷及電量分項能耗模型

（1）本辦公建筑的主要用電負荷等級分類

一級負荷：走道照明、客梯用電、排污泵用電、生活水泵用電、機械停車設(shè)備用電、電子信息機房、消防控制室、火災(zāi)自動報警及聯(lián)動控制裝置、火災(zāi)應(yīng)急照明及疏散指示標志、防煙及排煙設(shè)施、自動滅火系統(tǒng)、消防污水泵及其電動防火卷簾、消防電梯等消防用電。

二級負荷：中水系統(tǒng)用電。

三級負荷：不屬于一、二級的負荷，如一般電力、照明、通風空調(diào)等用電負荷。

（2）電量分項能耗模型

電量分項能耗既要把各類能耗統(tǒng)計出來，還必須滿足規(guī)范要求，明確各類能耗的負荷等級，滿足負荷供電要求。本建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)主要依據(jù)上述電量分項能耗的理想模型，根據(jù)工程實際做出相應(yīng)的調(diào)整，其中照明插座用電主要包括室內(nèi)辦公照明、插座及風機盤管、走廊普通照明、應(yīng)急照明、夜景照明；空調(diào)用電主要為制冷機房設(shè)備用電，包括冷水機組、冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔風機和熱循環(huán)泵等；動力用電及特殊用電也略做調(diào)整，調(diào)整后的分項能耗模型如圖3所示。

4.3 能耗計量及傳輸裝置

（1）電能表

能耗監(jiān)測系統(tǒng)中使用的電能表應(yīng)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；使用的多功能電能表至少具有監(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等功能。電能表均具有數(shù)據(jù)遠傳功能，至少具有RS485標準串行電氣接口，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中的相關(guān)規(guī)定。電能表精確度等級不低于1.0級，配用電流互感器的精確度等級不低于0.5級。

（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(shè)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(yīng)具有以下功能：

①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模式，定時采集周期可從5分鐘到1小時靈活配置。

②應(yīng)支持對不同用能種類、不同品牌的計量裝置進行數(shù)據(jù)采集，包括電能表及熱量表等。

③應(yīng)配置不小于256MB的專用存儲空間，存儲能耗數(shù)據(jù)30天。

④數(shù)據(jù)傳輸前應(yīng)對數(shù)據(jù)包進行加密處理，應(yīng)采用AES加密和MD5身份認證機制。

⑤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(shè)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(wù)器。

4.4 建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)存儲管理服務(wù)器

（1）系統(tǒng)管理服務(wù)器的主要作用

設(shè)立建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)管理服務(wù)器的主要目的是為實現(xiàn)建筑節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)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(luò)風險，降低省、市兩級節(jié)能監(jiān)測管理工作量，提高網(wǎng)絡(luò)運行效率。系統(tǒng)管理服務(wù)器設(shè)在建筑節(jié)能監(jiān)測控制室。

（2）系統(tǒng)管理服務(wù)器的主要功能

①系統(tǒng)管理服務(wù)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(shè)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，生成并展示本建筑各分類、分項能耗、單位面積能耗、總能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)和相關(guān)圖表等。

②系統(tǒng)管理服務(wù)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、診斷和處理功能，以及數(shù)據(jù)異常報警功能等。

③系統(tǒng)管理服務(wù)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(wù)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各類數(shù)據(jù)文件，并具有斷點續(xù)傳功能。

4.5 能耗監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用軟件

能耗監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)用軟件應(yīng)提供各計量裝置靜態(tài)信息人工錄入功能，設(shè)置各計量裝置與各分類、分項能耗的關(guān)系，并能靈活配置各計量裝置通信協(xié)議、通信通道及計量裝置名稱、安裝位置等基本屬性。能耗監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)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(shè)備各參量及開關(guān)量狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中心存儲。此外系統(tǒng)應(yīng)用軟件還應(yīng)具備良好的開放性、具有報警管理、用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)日志生成，以及管理主機數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計功能，自動對應(yīng)用數(shù)據(jù)庫進行備份，以防運行數(shù)據(jù)丟失。

能耗節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)主要包括用電總覽、分項能耗、對比分析、支路數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、抄表數(shù)據(jù)、建筑信息、系統(tǒng)管理等8個方面的功能展示。圖4、圖5、圖6、圖7是某辦公建筑能耗節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)部分功能截圖。

圖4 節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)“用電總覽”圖

圖5 節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)“分項能耗”圖

圖6 節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)“對比分析”圖

圖7 節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)“抄表數(shù)據(jù)”圖

5 結(jié)束語

建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r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(jié)構(gòu)、建筑用能效率及建筑節(jié)能潛力數(shù)據(jù)分析并將相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)報送上一級數(shù)據(jù)中心。建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)是一個長期的過程，需要業(yè)主、設(shè)計人員以及系統(tǒng)集成商的共同努力，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，為實現(xiàn)建筑節(jié)能規(guī)劃目標奠定堅實的基礎(chǔ)。參考文獻

1 DBJ/T14-071-2010.公共建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].2010

2 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導則.2008

3 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導則. 2008

4 上海現(xiàn)代建筑設(shè)計（集團）有限公司.建筑節(jié)能設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)措施（電氣）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009