某綠色建筑的能源管理系統(tǒng)建設(shè)

黃 磊

(武漢華中科大建筑規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 湖北 武漢 430071)

0 引 言

綠色建筑是指在全壽命期內(nèi),最大限度地節(jié)約能源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、保護環(huán)境、減少污染,為人們提供健康、適用和高效的使用空間,并與自然和諧共生的建筑[1-2]。

在建筑物的全年能耗中,照明插座、空調(diào)、電力等用電能耗是基本穩(wěn)定的,其中空調(diào)能耗是最大的部分,占建筑總能耗的40%～60%;其次照明能耗,照明燈能耗占建筑總能耗的8%～10%,插座能耗占建筑總能耗的15%～20%[3-4]。

1 項目概況

武漢某清潔能源大樓項目總建筑面積為2.59萬多m2,主體建筑地上13層,地下2層,建筑基底面積為1 935.51 m2,建筑高度為53.70 m,使用功能為科研樓,屬于一類高層建筑,大樓設(shè)計達到綠色建筑2星標準。大樓設(shè)外墻外保溫系統(tǒng)、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、太陽能集電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、雨水回用系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等綠色建筑措施。

大樓外立面圖如圖1所示。

圖1 大樓外立面圖

該大樓所在地武漢市屬亞熱帶濕潤季風氣候,四季分明,夏季炎熱且持續(xù)時間長,年平均氣溫為16.8 ℃,極端高溫為41.3 ℃;冬季氣溫較低,極端低溫為-18.1 ℃。年平均無霜期為245 d,年均降水量為1 220 mm,年均霧日數(shù)為28.3 d,年均相對濕度約為80%,全年主導風向東北,夏季主導風向東南,年平均風速2.7 m/s。

2 能源管理系統(tǒng)功能要求

(1) 實時監(jiān)視:通過計算機采集并顯示各點位的用水、用電、用能等計量數(shù)據(jù)。

(2) 故障顯示:如果現(xiàn)場發(fā)生報警或者故障,系統(tǒng)可以通過多種方式(如語音、圖形閃爍、GSM短消息等)將當前狀況和故障原因通知值班人員,并且?guī)椭S修人員快速排除故障。

(3) 數(shù)據(jù)庫存儲功能:系統(tǒng)可對各種報警、故障以及操作進行記錄,通過標準ODBC接口存儲到各種通用數(shù)據(jù)庫中,并通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供各種數(shù)據(jù)報表、曲線分析、事件記錄和設(shè)備維護信息等方面的完善管理功能。

(4) 能耗綜合分析功能:對能耗情況進行總體的圖形分析,以曲線、餅圖、柱圖相結(jié)合的方式直觀顯示總能耗以及各類型用水、用電、用空調(diào)等能耗情況。其中,曲線圖主要描繪的是總體能耗情況;餅圖提供動力、空調(diào)、照明、特殊等分項能耗占總能耗的比例情況;柱圖對比幾個月的某分項能耗使用情況。

(5) 能耗比例分配功能:能耗比例分配是方案中動力、空調(diào)、照明、特殊等各用水、用電、用空調(diào)等類型能耗各占總能耗的比例分析。采用餅圖來顯示各類型能耗的百分比,并配以柱圖來直觀對比各用水、用電、用空調(diào)等類型的能耗消耗量。在點擊餅圖時,能在鼠標指定位置顯示該類型的能耗。

(6) 能耗對比功能:能耗對比分析主要是對多個不同區(qū)域、部門的一段時間內(nèi)總能耗情況進行對比分析,讓用戶對各自能耗情況有比較直觀的了解?？偰芎牡膶Ρ炔捎们€圖來進行。

(7) 能耗環(huán)比分析功能:主要對能耗分析,可以按年、月、日來分析能耗情況。當點擊對應柱圖時,可逐級按時間放大顯示。

(8) 分類能源數(shù)據(jù)分析功能:以柱圖、曲線的形式對動力、空調(diào)、照明、特殊負荷等各用水、用電、用空調(diào)等類型的能耗情況進行分析,可直觀顯示一段時間內(nèi)各用電類型的能耗情況。設(shè)置冷熱源能效、輸配系統(tǒng)能效以及能源利用率等數(shù)據(jù),當各能耗數(shù)據(jù)超出設(shè)定值時報警,并對各能耗水平和能耗結(jié)構(gòu)進行分析,提出合理建議。

(9) 部門能耗趨勢分析功能:主要利用系統(tǒng)平臺軟件中的曲面分析工具來分析總能耗使用情況,可以自由按時間進行縮放。

(10) 智能報表功能:系統(tǒng)可生成不同部門能耗報表、不同部門的能耗消耗對比報表等,并具有年、月、周、日等多種選擇,進行能源成本核算和管理,還具備Excel導出功能,方便用戶將數(shù)據(jù)備份、打印。

(11) 削峰降費管理功能:從有功功率角度,展現(xiàn)當日實時負荷趨勢,可連接系統(tǒng)內(nèi)部限額配置及歷史查詢幫助,展現(xiàn)能源使用限額、本月最大負荷(最大負荷產(chǎn)生的名稱、時間)、(峰、谷、平)時段最大需量(MD)和電量、預警/超限次數(shù),達到減少成本的目的;從功率因數(shù)角度,展現(xiàn)當日實時功率因數(shù)趨勢,可連接系統(tǒng)內(nèi)部限額配置和歷史查詢,衡量電氣設(shè)備效率高低,幫助減少電費支出。

(12) 重點耗能設(shè)備功能:全方面了解設(shè)備運行及耗能情況,方便用戶進行設(shè)備的維修保養(yǎng),同時建立設(shè)備解決方案庫,幫用戶節(jié)約查找解決方案的時間。

(13) 能耗指標定額管理功能:建立定額管理制度,管理者可根據(jù)建筑用能情況,對大樓進行用能計劃,并可逐級分攤至戶級用戶,并可對用能考核情況進行相應的獎懲制度,并配合公眾服務平臺把考核情況進行公布,加強使用者節(jié)能意識。

(14) 信息發(fā)布功能:系統(tǒng)提供基于B/S的數(shù)據(jù)訪問功能,用戶可直接通過IE瀏覽器查看能源管理系統(tǒng)的分析結(jié)果。

(15) 節(jié)能控制功能:通過手動直接控制、定時控制、按需控制,并配合大樓相關(guān)數(shù)據(jù)的分析聯(lián)合,實現(xiàn)大樓的節(jié)能控制管理。系統(tǒng)具有手動直接控制、定時自動控制、按需自動控制等控制模式?？筛鶕?jù)使用情況,遠程控制開啟和關(guān)閉低壓用電設(shè)備,節(jié)省線路上的電損;在設(shè)備非用電時或有偷電漏電時,關(guān)閉不需要通電的低壓用電設(shè)備。

(16) 報警和預報警功能:系統(tǒng)可根據(jù)正常運行狀態(tài),設(shè)置超限報警功能,各回路、用電點的電能參數(shù)出現(xiàn)超過設(shè)定值時或其他工藝設(shè)備超限運行時間時,系統(tǒng)能夠發(fā)出聲音報警,并自動記錄時間、站號、回路名稱。

(17) 運營平臺功能:針對節(jié)能平臺的運行及有效利用,相應建筑基本信息、能耗數(shù)據(jù)、相關(guān)數(shù)據(jù)的配置等由運營平臺管理人員進行管理。

3 能量計量裝置

(1) 對單相用電負荷,如220 V供電的小房間照明箱、新風機、風機盤管、交流充電樁等,在層照明配電箱、層空調(diào)配電箱、充電樁配電箱內(nèi)設(shè)置單相導軌式儀表,其具有電流測量、電壓測量、功率測量(含有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù))、電能測量(含有功電能、無功電能)、頻率測量等功能,電流誤差精度0.2級,電壓誤差精度0.2級,功率、電能測量精度1.0級。

(2) 對三相小的(回路開關(guān)電流≤100 A)用電負荷,如380 V供電的房間照明箱、公共照明、實驗動力、電梯、空調(diào)多聯(lián)機室外機、直流充電樁、能量輸配系統(tǒng)的風機水泵等,在層照明配電箱、層公共照明配電箱、層動力配電箱、層空調(diào)配電箱、充電樁配電箱、地源熱泵機房配電箱、電梯配電箱等箱內(nèi)設(shè)置三相導軌式儀表,其具有電流測量(含三相電流)、電壓測量(含各線電壓、各相電壓)、功率測量(含有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù))、電能測量(含有功電能、無功電能)、頻率測量等功能,電流誤差精度0.2級,電壓誤差精度0.2級,功率、電能測量精度0.5級。

(3) 對三相用電負荷,如照明插座、電梯、水泵、實驗電力、特殊用電、空調(diào)冷熱源、能量輸配系統(tǒng)等用電能耗,在層照明配電箱、層動力配電箱、層空調(diào)配電箱、充電樁配電箱、地源熱泵機房配電箱、變配電房低壓柜/高壓柜等內(nèi)設(shè)置三相智能型儀表,其具有電流測量(含三相電流、中性極電流、三相電流的不平衡度)、電壓測量(含各線電壓、線電壓的不平衡度、各相電壓、相電壓的不平衡度)、功率測量(含有功功率、無功功率、功率因數(shù))、電能測量(含有功電能、無功電能)、頻率測量等功能,電流誤差精度0.2級,電壓誤差精度0.2級,功率、電能測量精度0.5級。

(4) 用水計量。大樓用水包括空調(diào)系統(tǒng)用水、室內(nèi)消防用水、辦公生活用水、商業(yè)用水等,由給水排水專業(yè)按照使用用途、管理單元、付費單元來分區(qū)、分項、分戶設(shè)置用水計量裝置。通過設(shè)置總表和分表,能方便找到水損點、滴水水龍頭,降低漏損率。網(wǎng)絡水表由給水排水專業(yè)選型,要求是液晶顯示型(顯示用水量、閥門狀態(tài)、設(shè)置報警水量等),防水型帶RS-485接口遠程通信功能(采用四線制傳輸,一組二芯線為電源線、另一組二芯線為通信總線),滿足通信規(guī)約CJ/T 188《戶用計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》和DL/T 645《多功能電能表通訊規(guī)約》的要求。水表準確度等級為1級(水表計量滿足GB/T 778.1—2007《封閉滿管道中水流量的測量 飲用冷水水表和熱水水表》和JJG 162—2009《水表計量檢定規(guī)程》)。

(5) 空調(diào)用能計量。該項目空調(diào)冷熱源設(shè)計為:1F～3F采用地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng),末端采用風機盤管加新風,地源熱泵主機房設(shè)置在-2F;4F～13F采用變頻多聯(lián)機中央空調(diào)系統(tǒng),末端采用四出風嵌入式多聯(lián)室內(nèi)機加新風系統(tǒng),室外機放置于屋頂平臺。其中,變頻多聯(lián)機中央空調(diào)系統(tǒng)采用電能計量的智能儀表;地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)在地源熱泵主機房設(shè)置冷量、熱量計量裝置和地下溫度監(jiān)測裝置。由暖通空調(diào)專業(yè)按照使用用途、管理單元、付費單元,分區(qū)、分戶設(shè)置能量(冷量和熱量)計量裝置。在空調(diào)總供、回水管上安裝一套能量表,對整個空調(diào)系統(tǒng)冷量計量;在1F的供、回水支干管上安裝一套能量表,計量1F空調(diào)用量;在2F的供、回水支干管上安裝一套能量表,計量2F空調(diào)用量;在3F的供、回水支干管上安裝一套能量表,計量3F空調(diào)用量。通過設(shè)置總表和分表,能方便找到能量損耗點。網(wǎng)絡能量表由暖通空調(diào)專業(yè)選型?？照{(diào)計費原理:系統(tǒng)通過采集每用能量表的流量和進出水的溫差,計算出用戶消耗的能量值,并可以通過數(shù)據(jù)接口讀取使用能量數(shù)值,通過數(shù)據(jù)采集器傳送到上位計算機中,在上位計算機的計費軟件中系統(tǒng)對熱交換系統(tǒng)中載能介質(zhì)(液體水)的出口溫度T1、入口溫度T2及瞬時流量q進行實時測量,并按照熱力學能量計算公式,對系統(tǒng)消耗的冷量或熱量值進行計算。當T1>T2時對冷量進行計算,而當T1

4 能源管理系統(tǒng)建設(shè)

(1) 系統(tǒng)組成:集中能源管理平臺、能量計量裝置、通信轉(zhuǎn)接器、通信適配器、信號中繼器等。

(2) 系統(tǒng)建設(shè)采用標準的ModBus-RTU協(xié)議,所有能量計量裝置通過一根RVSP-4×1.5屏蔽雙絞線進行RS-485接口連接,一條線路可以同時連接32臺通信型能量計量裝置,最大通信距離為1 200 m(當距離過長時,通過加裝中繼器延長通信距離)。前端儀表數(shù)據(jù)經(jīng)信號中繼器(網(wǎng)絡供電、信號中繼作用)至區(qū)域管理器,再經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器至計量主機,進行綜合數(shù)據(jù)處理和分析。

(3) 系統(tǒng)設(shè)置通信轉(zhuǎn)接器6-I/O,可以提高用戶現(xiàn)場接線效率和可靠性,有6個RS-485通信接口,最多可擴展5個通信設(shè)備;配有通信線接地端子,可直接安裝在標準35 mm導軌上;多個通信轉(zhuǎn)接器間可互聯(lián)進行擴展。通信轉(zhuǎn)接器6-I/O、信號中繼器安裝于樓層強電井內(nèi)配電箱柜旁,安裝高度為1.4 m。智能開關(guān)安裝在配電箱柜內(nèi),通信適配器安裝于計量主機旁。

(4) 系統(tǒng)設(shè)置通信適配器,可以與采用標準的ModBus-RTU協(xié)議接口的通信型智能產(chǎn)品連接,實現(xiàn)不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換,使通信型智能產(chǎn)品能在DeviceNet、Profibus-DP、CAN現(xiàn)場總線上或以太網(wǎng)TCP/IP網(wǎng)絡上實現(xiàn)遙信功能。

能源管理系統(tǒng)如圖2所示。

能源管理監(jiān)控配電箱計量如圖3所示。

能源管理監(jiān)控用水計量如圖4所示。

圖2 能源管理系統(tǒng)

圖3 能源管理監(jiān)控配電箱計量

5 結(jié) 語

建設(shè)能源管理系統(tǒng)能給綠色建筑提供建筑能源消耗的分項分級精細化管理,通過對能耗使用的對比分析,降低水損、線損、管損、銅損等不正常的損耗,加強運營管理,提高使用者主動節(jié)能意識,使綠色建筑的用能指標下降,達到節(jié)能的目的。

圖4 能源管理監(jiān)控用水計量