可再生能源建筑能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)體系結構設計

摘 要：為了推廣和普及具有節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材和環(huán)境保障效益的先進和實用技術，在節(jié)能建筑中引入建筑能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測建筑的能耗狀況。系統(tǒng)實現(xiàn)了通過互聯(lián)網隨時隨地對所有的即時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進行查詢，方便節(jié)能領域的工作者對這些數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，為節(jié)能方案的改定提供強大的數(shù)據(jù)支持。同時采用神經網絡和遺傳算法等智能算法，對各項已采集數(shù)據(jù)進行全面的分析，對可能出現(xiàn)的狀況進行預測。通過提前的人為干預，可預防錯誤的發(fā)生。

關鍵詞：互聯(lián)網；查詢；分析；預測

中圖分類號：TP319

目前，中國建筑用能浪費嚴重，而且建筑能耗增長的速度遠遠超過中國能源生產可能增長的速度，如果這種高耗能建筑繼續(xù)發(fā)展下去，國家的能源生產將難以長期支撐此種浪費型需求。在能源危機和環(huán)境問題日益凸顯的今天，如何有效地使用能源，減少對自然環(huán)境的影響，保持可持續(xù)的發(fā)展已成為一個世界性課題。

作為一項節(jié)能環(huán)保的可再生能源技術，地源熱泵技術是一種利用地下淺層地熱資源（也稱為地源能，包括土壤、地下水、地表水、河水、海水、湖水等），同時實現(xiàn)建筑采暖、制冷和生活熱水三聯(lián)供的高效節(jié)能空調技術。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），以地源能作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖供熱的低溫熱源。即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量“取”出來，釋放到地下去，降低室內溫度。

現(xiàn)階段美國已經建立了建筑能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，其中使用較廣泛、收集建筑物數(shù)量較多的數(shù)據(jù)庫有能源部（DOE）的CBECS和加利福尼亞州的CEUS。但國內尚無完善的建筑能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫。由于缺乏統(tǒng)一的統(tǒng)計方法和嚴格的統(tǒng)計制度，且國內各地的統(tǒng)計方法也各異，導致基礎能耗數(shù)據(jù)資源殘缺，共享度低，在某種程度上阻礙了節(jié)能技術的應用和客觀的評價。

1 系統(tǒng)整體結構

本系統(tǒng)主要由硬件采集設備、通訊設備、數(shù)據(jù)管理中心和B/S模式監(jiān)測平臺四部分組成。用戶可實現(xiàn)對河北省范圍內試點城市可再生能源建筑能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計分析和實時監(jiān)測。

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集設備（如熱量表、流量表）完成各個物理參量的實時采集，將采集結果通過RS485串行總線發(fā)送到本地集中器，集中器將所采集到的各個計量設備的數(shù)據(jù)存儲，并按照固定的時間間隔（如每隔五分鐘）通過無線數(shù)據(jù)傳輸設備（DTU），采用GPRS或3G技術經無線信道發(fā)送給移動或聯(lián)通運營商的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)庫服務器之間通過TCP/IP的寬帶連接，快速將數(shù)據(jù)接收并解析譯碼存入數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對于實時傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)報文準確接收、解析、入庫。

2 系統(tǒng)設計及功能

2.1 數(shù)據(jù)采集與存儲

本系統(tǒng)安裝部署現(xiàn)場采集設備，如電能表、熱量表、水表等，用以實現(xiàn)對水、電、熱耗、冷耗等數(shù)據(jù)的采集，通過現(xiàn)場安裝的集中器、無線發(fā)送設備，將各種類型的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到遠程服務器。

目前河北省有實施可再生能源的多個試點城市，每個試點城市可能有多個采用可再生能源的建筑，每個建筑可能會部署多個集中器，所以可能會有成千上萬個集中器同時往數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)，對于通訊服務程序來說，處理如此大的并發(fā)量，要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行?，并且保證不丟包、不漏包等，需要采用并發(fā)處理機制，比如多線程機制、隊列緩存機制等，并采用有效的調度策略來保證傳輸?shù)馁|量，使得所有數(shù)據(jù)能在1分鐘左右全部接收完成。系統(tǒng)對于實時傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)報文準確接收、解析、入庫是一項技術要求很高的工作。

2.2 數(shù)據(jù)修補

由于傳感器自身的精度限制或外界環(huán)境中復雜多變的各種噪音干擾，有可能會使得采集數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤，造成丟數(shù)或漏數(shù)的情況，使得采集的原始數(shù)據(jù)并不能較為準確的反映節(jié)能設備的運行狀態(tài)。因此，在服務器端，通過設置定點觸發(fā)器，采用適當?shù)牟逯邓惴ㄟM行補數(shù)處理，從而實現(xiàn)對采集到的原始數(shù)據(jù)的預處理。在自動修正的基礎上，也可以提供用戶手動修復數(shù)據(jù)。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的訪問與查詢

系統(tǒng)用戶可通過B/S模式監(jiān)測平臺對采集數(shù)據(jù)進行查詢，該監(jiān)測平臺采用三層架構設計思想。根據(jù)使用人群的分類，可將用戶分為管理員、省級用戶、市級用戶和普通用戶。管理員擁有查看所有站點數(shù)據(jù)信息的權利，并且擁有修改采集信息和維護其它信息的權限，如站點信息的添加與更新等。省級用戶只能查看本省范圍內所有站點的數(shù)據(jù)采集信息。市級用戶只能查看本市范圍內所有站點的數(shù)據(jù)采集信息。普通用戶只能查看本站點的數(shù)據(jù)采集信息。除了管理員外，其他用戶均無權限對數(shù)據(jù)采集信息進行修改，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集信息的共享與保護。

查看站點信息時，在首頁直觀顯示站點內給個設備上的實時采集數(shù)據(jù)，如圖2所示。也可通過數(shù)據(jù)查詢菜單，根據(jù)查詢時間段查看歷史數(shù)據(jù)，如圖3所示。數(shù)據(jù)查詢后，還能夠對查詢結構進行繪圖和導出操作。

為了清晰的展現(xiàn)出這些能耗數(shù)據(jù)的特點，必須借助圖表，必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的功能，才能直觀、清楚地展示各樓宇的能耗特點，方便節(jié)能領域的科技工作者對這些數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，利用專業(yè)理論分析數(shù)據(jù)，最終得出研究理論，對現(xiàn)行的節(jié)能方案進行鑒定，為節(jié)能方案的改定提供強大的數(shù)據(jù)支持，并對將來如何實現(xiàn)更好的節(jié)能目標提供參考。

2.4 系統(tǒng)擴展

系統(tǒng)采用模塊化結構，架構簡單擴展功能強，可方便的滿足用戶未來需求，可隨時增加傳感節(jié)點，便于建設和改建。系統(tǒng)易于推廣，是一種建設綠色節(jié)能建筑的有效方法。

3 結束語

實本項目符合建設節(jié)約型社會的需要，通過監(jiān)測建筑的能耗狀況，制定合理的用能、節(jié)能方案，對提高能源使用效率有重要意義，為節(jié)能建筑的建設提供理論支持和數(shù)據(jù)支持。同時工作人員可根據(jù)當前的運行數(shù)據(jù)，對各項數(shù)據(jù)進行全面的分析，對可能出現(xiàn)的狀況進行預測，通過提前的人為干預，預防錯誤的發(fā)生。

隨著我國資源供需矛盾和環(huán)境壓力的加劇，政府提出建設節(jié)約型社會，大力發(fā)展節(jié)能省地型建筑，推廣和普及具有節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材和環(huán)境保障效益的先進和實用技術。因此，在節(jié)能建筑中引入建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測建筑的能耗狀況，制定合理的用能、節(jié)能方案，積極提高能源使用效率，在大程度上能夠大大緩解國家能源緊缺狀況，促進中國國民經濟建設的發(fā)展。

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作者簡介：李家成（1990-），河北滄州人，男，本科；導師：薛桂香（1979-），女，講師。

作者單位：河北工業(yè)大學 計算機科學與軟件學院，天津 300401

基金項目：河北省科技支撐計劃項目（11213585）；河北工業(yè)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201210080026）。