建筑能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

談宏飛，秦俊寧，顏立，張建民

（國(guó)網(wǎng)浙江浙電節(jié)能服務(wù)有限公司，杭州310014）

建筑能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

談宏飛，秦俊寧，顏立，張建民

（國(guó)網(wǎng)浙江浙電節(jié)能服務(wù)有限公司，杭州310014）

介紹建筑能源管理系統(tǒng)的必要性，分析某實(shí)驗(yàn)室建筑能源管理系統(tǒng)的需求，提出了綜合應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的建筑能源管理系統(tǒng)方案，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)、功能和特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用900 MHz頻段的無(wú)線通信，提供了數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)挖掘分析等功能，為實(shí)驗(yàn)室管理人員實(shí)現(xiàn)科學(xué)的節(jié)能管理，提高能源利用效率提供數(shù)據(jù)支持。

能源管理；無(wú)線通信；900 MHz頻段；數(shù)據(jù)挖掘分析

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，能源供應(yīng)日趨緊張，建筑高能耗的問(wèn)題日益突出，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前建筑能耗在我國(guó)能源總消費(fèi)中所占比例已高達(dá)27.6%，綜合能耗為發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍[1]，而且90%以上為高耗能建筑[2]，節(jié)能潛力很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，如果對(duì)公共建筑按節(jié)能50%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改造，總的節(jié)能潛力約為1.35億t標(biāo)準(zhǔn)煤[3]，以上海為例，僅2000年，上海市公共建筑的節(jié)能潛力合計(jì)達(dá)到了1999年上海市總能耗的18.27%[4]。對(duì)企業(yè)而言，當(dāng)前能源費(fèi)用呈上升趨勢(shì)，能耗成本在企業(yè)成本中所占比例越來(lái)越大。如何通過(guò)技術(shù)化手段建立科學(xué)的能源監(jiān)控和管理模式，對(duì)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)發(fā)展和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[5]。

建筑運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)是開(kāi)展節(jié)能工作重要的基礎(chǔ)，建筑節(jié)能要以數(shù)據(jù)為依據(jù)。國(guó)家相關(guān)文件也明確指出，需要加強(qiáng)高耗能企業(yè)的能源監(jiān)管體系建設(shè)，利用現(xiàn)代化技術(shù)手段，大力推進(jìn)高耗能企業(yè)能耗在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)用能設(shè)備的能耗動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，是加強(qiáng)高耗能企業(yè)節(jié)能運(yùn)行管理，建立和完善能效測(cè)評(píng)、能耗統(tǒng)計(jì)、用能定額、節(jié)能服務(wù)等制度的重要基礎(chǔ)性工作。Herzog的研究表明，通過(guò)能源管理系統(tǒng)可在很少投入的基礎(chǔ)上節(jié)約10%～25%的能耗[6]，即通過(guò)對(duì)建筑用能系統(tǒng)的合理化操作維護(hù)可以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目的[7]。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了綜合應(yīng)用有線/無(wú)線通信技術(shù)、動(dòng)態(tài)自組組網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的建筑能源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以建筑能源監(jiān)測(cè)管理為重點(diǎn)，通過(guò)對(duì)能源信息與設(shè)備信息的采集、基礎(chǔ)分析展示與高級(jí)應(yīng)用分析，實(shí)現(xiàn)能源信息的可視化監(jiān)測(cè)、能耗數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視，為建筑能源監(jiān)測(cè)管理體系提供技術(shù)支撐，為建筑運(yùn)行提供能源與運(yùn)行監(jiān)視手段，為管理決策部門(mén)提供管理決策依據(jù)。詳細(xì)介紹該系統(tǒng)在上海某企業(yè)高耗能實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，并針對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)，簡(jiǎn)單介紹了另外2個(gè)應(yīng)用案例。

1 實(shí)驗(yàn)室概況

某實(shí)驗(yàn)室位于上海市徐匯區(qū)某大樓的裙房，上下2層，建筑面積約為4 000 m2，配有28臺(tái)恒溫恒濕箱，用于檢驗(yàn)電子產(chǎn)品、電子元件在濕熱環(huán)境下的性能指標(biāo)。據(jù)實(shí)驗(yàn)室管理方透露，該實(shí)驗(yàn)室1年的用電量約為550萬(wàn)kWh，屬于高耗能實(shí)驗(yàn)室，其配電系統(tǒng)的配電結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室配電結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室管理方具體需求為：監(jiān)測(cè)一/二/三級(jí)配電箱開(kāi)關(guān)點(diǎn)位的電流、電壓、電量等相關(guān)參數(shù)，其中PG-M，PG-M1，PG-M2 3個(gè)一級(jí)開(kāi)關(guān)點(diǎn)位位于獨(dú)立配電房中，OR1-OR6 6個(gè)二級(jí)開(kāi)關(guān)點(diǎn)位位于實(shí)驗(yàn)室一樓，28個(gè)三級(jí)開(kāi)關(guān)點(diǎn)位中的20個(gè)位于一樓，8個(gè)位于二樓。

2 實(shí)驗(yàn)室建筑能源管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室建筑能源管理系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、數(shù)據(jù)傳輸層、系統(tǒng)應(yīng)用層組成，如圖1所示。

（1）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層：現(xiàn)場(chǎng)9個(gè)一、二級(jí)配電開(kāi)關(guān)點(diǎn)位裝有帶RS-485接口的多功能數(shù)顯表，通過(guò)加裝MESH采集模塊采集并保存對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的用能數(shù)據(jù)；現(xiàn)場(chǎng)28個(gè)三級(jí)配電開(kāi)關(guān)點(diǎn)位原沒(méi)有采集計(jì)量表計(jì)，通過(guò)加裝導(dǎo)軌表和MESH采集模塊，采集并保存各用能設(shè)備的用能數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層：數(shù)據(jù)傳輸層主要是由RS-485總線網(wǎng)絡(luò)、MESH采集模塊、思科柱狀路由器、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)組成，該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁。數(shù)據(jù)傳輸層分為下層傳輸和上層傳輸：下層傳輸即現(xiàn)場(chǎng)采集的用能數(shù)據(jù)通過(guò)MESH采集模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)街鶢盥酚善鳎捎?00 MHz頻段無(wú)線傳輸方式；上層傳輸為柱狀路由器到服務(wù)器之間的通信，采用光纖有線的傳輸方式。

（3）系統(tǒng)應(yīng)用層：系統(tǒng)應(yīng)用層對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行建模、計(jì)算、分析與處理，依托各種能耗分析模型，對(duì)設(shè)備的能耗進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，利用圖形、表格等方式直觀展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)能耗狀況，并出具各類能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

（4）軟件運(yùn)行環(huán)境：操作系統(tǒng)為Redhat Linux企業(yè)版；數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能

如圖2所示，系統(tǒng)共有5個(gè)應(yīng)用類，其中3個(gè)為前臺(tái)應(yīng)用類，包括我的空間、能耗管理、運(yùn)行管理；2個(gè)為后臺(tái)應(yīng)用類，包括信息維護(hù)、系統(tǒng)管理，系統(tǒng)共13個(gè)應(yīng)用功能項(xiàng)。

2.2.1 前臺(tái)功能-我的空間

（1）賬戶管理：為用戶提供賬戶密碼修改，賬戶信息修改功能。

（2）站內(nèi)消息：為用戶提供站內(nèi)設(shè)備告警信息與異常信息的彈出告警。

2.2.2 前臺(tái)功能-能耗管理

（1）能耗監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一級(jí)配電開(kāi)關(guān)點(diǎn)位的電壓、電流、功率、電量等運(yùn)行參數(shù)。

（2）能耗統(tǒng)計(jì)：允許有瀏覽權(quán)限的用戶對(duì)每一級(jí)配電設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及總能耗進(jìn)行展示，包括表格、餅圖、折線圖、柱狀圖形式，相應(yīng)的時(shí)間尺度包括：按小時(shí)、按天、按月、按年。

（3）能耗對(duì)比：展示當(dāng)前每一級(jí)配電設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及總能耗數(shù)據(jù)與去年同期能耗的同比及與上月同期能耗的環(huán)比情況。

圖2 系統(tǒng)功能

2.2.3 前臺(tái)功能-運(yùn)行管理

（1）設(shè)備告警管理：系統(tǒng)可對(duì)每一級(jí)配電設(shè)備監(jiān)測(cè)到的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定閥值，并根據(jù)采集到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，以聲光、短信、郵件、推送站內(nèi)告警信息等方式進(jìn)行告警提示，用戶對(duì)告警信息進(jìn)行確認(rèn)、清除或處理，當(dāng)故障排除或處理后，可消除告警，將告警歸入歷史庫(kù)，提供告警信息查詢功能。

（2）運(yùn)行日志管理：對(duì)數(shù)據(jù)采集情況和設(shè)備告警情況進(jìn)行記錄和展示，用戶可查詢最近一年的運(yùn)行日志。

（3）運(yùn)行報(bào)表管理：用戶可以查看告警、能源消耗等報(bào)表并支持導(dǎo)出和打印功能。

2.2.4 后臺(tái)功能-信息維護(hù)

（1）設(shè)備信息維護(hù)：包括配電設(shè)備、采集設(shè)備、計(jì)量設(shè)備信息的建檔、錄入、刪除、查詢。

（2）報(bào)表維護(hù)：用戶在該模塊中定義、修改和查看報(bào)表模版。

2.2.5 后臺(tái)功能-系統(tǒng)管理

用戶可在該模塊對(duì)組織機(jī)構(gòu)、人員、角色、權(quán)限和系統(tǒng)資源等進(jìn)行配置。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

本項(xiàng)目采用集成思科通信芯片的MESH采集模塊（自行研發(fā)生產(chǎn)）和思科的柱狀路由器，計(jì)量表計(jì)和MESH采集模塊集中安裝，MESH采集模塊和思科柱狀路由器之間采用900 MHz頻段無(wú)線通信，此通信頻段和手機(jī)相同，通信距離可達(dá)1 km，隔墻通信也很穩(wěn)定，避免了布線帶來(lái)的破壞裝修、人工費(fèi)用高及通信不穩(wěn)定等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析，此項(xiàng)目采用該形式比常規(guī)有線通信形式可節(jié)省約30%的經(jīng)濟(jì)支出。

3 系統(tǒng)其他應(yīng)用案例

3.1 案例1

海寧市供電公司辦公大樓共15層，地下1層，地上14層，總建筑面積為9 510 m2。在此樓加裝建筑能源管理系統(tǒng)，對(duì)其能耗進(jìn)行采集、計(jì)量、展示、分析，依據(jù)業(yè)主方需求，照明插座用電分項(xiàng)采集空間顆粒度需要做到分層，其中12樓要做到分房間，由此帶來(lái)以下問(wèn)題：

（1）采集終端安裝在低壓配電室（以下簡(jiǎn)稱低配室），與表計(jì)的通信距離遠(yuǎn)，而且由于低配室在地下室，通信信號(hào)較差。

（2）各樓層和12樓房間都已裝修，安裝計(jì)量表計(jì)及RS-485線需要破壞原有裝修。

（3）每層的照明插座配電箱和管道井分別位于樓層的兩側(cè)，距離較遠(yuǎn)，RS-485線安裝工程量較大。

海寧市供電公司大樓建筑能源管理系統(tǒng)針對(duì)照明插座用電分項(xiàng)采用MESH采集模塊采集、無(wú)線通信的方式，在低配室布置思科柱狀路由器，每層及12樓各個(gè)房間的照明插座配電箱安裝計(jì)量表計(jì)和MESH采集模塊，MESH采集模塊自主組網(wǎng)，與柱狀路由器進(jìn)行無(wú)線通信，很好地解決了以上3個(gè)問(wèn)題。大樓其他用電分項(xiàng)的計(jì)量直接在低配室的回路上安裝計(jì)量表計(jì)，通過(guò)RS-485線與采集終端連接，實(shí)現(xiàn)有線通信。

自2014年11月系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，采用有線通信方式的其他用電分項(xiàng)采集不穩(wěn)定，有數(shù)據(jù)中斷的現(xiàn)象發(fā)生，但采用MESH無(wú)線通信方式的照明插座用電分項(xiàng)采集穩(wěn)定，未發(fā)生任何問(wèn)題。通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析，照明插座用電分項(xiàng)采用有線通信的方式比MESH無(wú)線采集方式初期多投入3萬(wàn)。通過(guò)與大樓前3年的平均能耗對(duì)比分析，應(yīng)用本系統(tǒng)后，該大樓能耗降低了8%。

3.2 案例2

海鹽縣供電公司辦公大樓主樓共15層，建筑面積為12 217 m2，輔樓5層，建筑面積3 812 m2，有單獨(dú)的低配室和空調(diào)主機(jī)房，距離主樓和輔樓約80 m。在該樓加裝建筑能源管理系統(tǒng)，對(duì)

4 結(jié)語(yǔ)

基于MESH 900 MHz無(wú)線通信的建筑能源管理系統(tǒng)為科學(xué)用能、合理用能、節(jié)能管理提供支持平臺(tái)，為建筑管理人員提供決策支持，實(shí)現(xiàn)節(jié)能工作的科學(xué)管理及能源效率的持續(xù)改進(jìn)，值得大力推廣應(yīng)用。

[1]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心．中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展報(bào)告2007[M]．北京：建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]潘文玉，高陽(yáng)．淺談辦公建筑的節(jié)能改造[J]．建筑安全，2007（7）∶59-61.

[3]江億．我國(guó)建筑能耗狀況及有效的節(jié)能途徑[J]．暖通空調(diào)，2005，35（5）∶25-27.

[4]倪德良．上海公共建筑節(jié)能潛力分析[J]．能源技術(shù)，2002，23（3）∶14-16.

[5]田樹(shù)靜．論能源計(jì)量在企業(yè)節(jié)耗中的作用[J]．中國(guó)科技縱橫，2010（12）∶271.

[6]HERZOG.P Energy-efficient Operation of Commercial Buildings[J]．McGraw-Hill，1997.

[7]張世典，楊謙柔，蔡必超．辦公建筑能源管理作業(yè)之研究[C]．臺(tái)北：建筑物能源管理技術(shù)研討會(huì)，2003.

（本文編輯：徐晗）

Design and Application of Energy Management System for Building

TAN Hongfei，QIN Junning，YAN Li，ZHANG Jianmin
（State Grid Zhejiang Energy Saving Company，Hangzhou 310014，China）

By introducing the necessity of building energy management system，the paper analyzes the needs of energy management system for laboratory building.The paper presents an energy management system solution for laboratory building that integrates wireless communication technology，dynamic networking technology with data mining technology；in addition，it elaborates on framework，functions and characteristics of the system.The system adopts 900 MHz wireless communication and has functions such as data visualization，data mining and analysis，etc；it can provide laboratory management personnel with data support for scientific energy saving management and energy utilization efficiency improvement.

energy management；wireless communication；900 MHz band；data mining and analysis

F416.61

：B

：1007-1881（2016）02-0068-04

2015-11-10

談宏飛（1987），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能及新能源開(kāi)發(fā)與利用。