基于 C# 語言的能源監(jiān)控平臺在綠色建筑中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊愛明，胡晉維

（1.寧波大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2.寧波東源節(jié)能科技有限公司，浙江 寧波 315000）

綠色建筑的能源系統(tǒng)主要包括暖通空調(diào)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等。由于綠色建筑具有節(jié)能、高效的特點(diǎn)，所以對可再生能源的利用及再生水的使用均具有一定的要求。這部分能源系統(tǒng)一般包括地源熱泵系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、雨水回用系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)等。但若在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營過程中出現(xiàn)偏差，缺乏一個統(tǒng)一的、多維的管理運(yùn)營平臺，常會造成新技術(shù)、新工藝的簡單堆砌，達(dá)不到綠色建筑需求的節(jié)能效果。

基于 C# 語言的能源監(jiān)控平臺是一個綜合利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、新型傳感技術(shù)等的綜合智慧管理平臺。其可對空調(diào)設(shè)備、各種電氣設(shè)備、給水系統(tǒng)等實(shí)行智能化管理且可對各項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可使各種新技術(shù)、新工藝能與綠色建筑的功能需求形成一個有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色建筑。

1 概 況

寧波大學(xué)科技服務(wù)大樓為浙江省寧波市首個獲得綠色三星運(yùn)行標(biāo)識項(xiàng)目，總建筑面積約為 1.2 萬 m2，其中地下1F 為 0.2 萬 m2，地上為 1.0 萬 m2。

能源監(jiān)控平臺部署于大樓1F 消控室，通過接入相關(guān)監(jiān)控設(shè)備及能耗采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)以下功能。① 電量分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)。② 水量分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)。③ 地源熱泵中央空調(diào)智能監(jiān)控系統(tǒng)。④ 地下室車庫 CO 智能監(jiān)控系統(tǒng)。⑤1F 活動室 CO2智能監(jiān)控系統(tǒng)。⑥ 太陽能光伏發(fā)電遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。⑦ 中水能耗監(jiān)測系統(tǒng)。⑧ 太陽能預(yù)熱+風(fēng)冷熱泵能耗監(jiān)測系統(tǒng)。

2 平臺架構(gòu)

能源監(jiān)控平臺提供了一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、基于遠(yuǎn)程集中管理監(jiān)控模式的自動化、智能化和高效率的技術(shù)手段。其由現(xiàn)場數(shù)據(jù)中心處理工作站、PLC 采集控制器及各類傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+”、虛擬化、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，以 C/S 框架作為整個系統(tǒng)的開發(fā)架構(gòu)，能夠完成遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析存儲、故障實(shí)時報(bào)警的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

能源管控平臺的結(jié)構(gòu)為以下3個層次[1]。

（1）現(xiàn)場層。負(fù)責(zé)采集儀表數(shù)據(jù)和監(jiān)控各類設(shè)備。如遠(yuǎn)傳電表、遠(yuǎn)傳水表、溫度傳感器、壓力傳感器、CO 傳感器、CO2傳感器、新風(fēng)機(jī)組、水源多連主機(jī)、水泵等。若設(shè)備點(diǎn)位類型為 DI/DO 或 AI/AO，則將對應(yīng)點(diǎn)位接入采集控制器后輸入串口服務(wù)器，若設(shè)備集成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，則直接輸入串口服務(wù)器，利用光纖傳輸給自動化層。

（2）現(xiàn)場管理層。通過光纖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成485總線接入工作站，從而實(shí)現(xiàn)工作站對現(xiàn)場層的監(jiān)控。工作站對現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集記錄分析。平臺采用最新的三層架構(gòu)，即前臺操作、后臺服務(wù)處理及數(shù)據(jù)庫服務(wù)。前臺和后臺都是采用主流 C# 語言作為開發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫采用 SQL Server。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控層?；谠品?wù)器及互聯(lián)網(wǎng)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺對多個項(xiàng)目的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)問題，可由專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場管理人員工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體架構(gòu)

軟件采用3層架構(gòu)[2]，分別為表現(xiàn)層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、數(shù)據(jù)訪問層（DAL）。表現(xiàn)層主要實(shí)現(xiàn)與用戶的交互，接收用戶請求或返回用戶請求的數(shù)據(jù)結(jié)果的展現(xiàn)，而具體的數(shù)據(jù)處理則交給業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層去處理。業(yè)務(wù)邏輯層承上啟下，用于對上下交互的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)。數(shù)據(jù)訪問層用于實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的交互和訪問，從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)或保存數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫的部分。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)串口通信代碼節(jié)選

4 能源監(jiān)控平臺現(xiàn)場設(shè)計(jì)方案和分析

4.1 能源監(jiān)控平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

能源監(jiān)控平臺選用工控機(jī)與采集控制器、電表、水表進(jìn)行通信，采集現(xiàn)場的水、電、傳感器等能源信息。再將這些動態(tài)能源信息存入數(shù)據(jù)庫并以報(bào)表、圖表等形式在平臺上進(jìn)行展示。

4.2 現(xiàn)場設(shè)計(jì)方案制定和實(shí)施

4.2.1 現(xiàn)場設(shè)備信號分析

（1）遠(yuǎn)傳電表。這是智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備之一，承擔(dān)著原始電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量和傳輸?shù)娜蝿?wù)，是實(shí)現(xiàn)信息集成、分析優(yōu)化和信息展現(xiàn)的基礎(chǔ)。本次選用遠(yuǎn)程電表支持 MODBUS-RTU 通信協(xié)議。

（2）遠(yuǎn)傳水表。一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)對用水量進(jìn)行計(jì)量并進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。本次選用遠(yuǎn)程電表支持 MODBUS-RTU 通信協(xié)議。

（3）采集控制器[3]。采集控制器選用三菱可編程邏輯控制器，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。采用一種可編程的存儲器，在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。同時支持 MODBUS-RTU 通信協(xié)議。

4.2.2 數(shù)據(jù)通信和傳輸方式

工作站和現(xiàn)場設(shè)備之間采用 MODBUS-RTU 通信協(xié)議傳輸[4]。MODBUS 是一種串行通信協(xié)議，由 Modicon 公司于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表。MODBUS 已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，還是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。

5 節(jié)能優(yōu)化

在實(shí)施能源管控平臺的過程中，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)及綠色建筑的要求，對原設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。其既提高了能源利用效率，又有利于能源系統(tǒng)的管理。

5.1 節(jié)能優(yōu)化措施

（1）優(yōu)化照明燈具控制。① 走廊燈根據(jù)室內(nèi)照度自動加減載開燈數(shù)量；路燈根據(jù)室外照度自動開關(guān)。② 室內(nèi)燈根據(jù)各使用情況，設(shè)定自動關(guān)燈時間段，避免忘記關(guān)燈帶來能源浪費(fèi)。

（2）優(yōu)化中央空調(diào)控制[5]。① 將水泵控制調(diào)整為根據(jù)供回水主管溫差加減載水泵數(shù)量及變頻控制。② 根據(jù)室外溫度，調(diào)整末端允許設(shè)定的最高/最低溫度。③ 根據(jù)各房間使用情況，設(shè)定自動關(guān)閉末端風(fēng)機(jī)盤管時間段，避免因忘記關(guān)空調(diào)帶來能源浪費(fèi)。

（3）優(yōu)化用水異常預(yù)警。當(dāng)用水量異常時報(bào)警，避免不必要的用水浪費(fèi)。

（4）實(shí)現(xiàn)對實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。若發(fā)現(xiàn)用能異常，調(diào)整運(yùn)行及管理策略，達(dá)到降低能耗的目的。

5.2 運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)及分析

平臺實(shí)施完成后，系統(tǒng)運(yùn)行良好，對大樓2019年的運(yùn)行能耗進(jìn)行了分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。其用電量曲線圖及用電量分項(xiàng)占比如圖 1、圖2所示。

表1 能耗分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表

圖1 大樓2019年用電量曲線圖

經(jīng)節(jié)能措施優(yōu)化后，2019年全年年平方米耗電量 57.6 kWh/(m2·a)。

根據(jù) GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》對能耗指標(biāo)進(jìn)行修正，辦公建筑非供暖能耗指標(biāo)實(shí)測值的修正值應(yīng)按公式（1）～式（3）計(jì)算。

式中：EOC—辦公建筑非供暖能耗指標(biāo)實(shí)測值的修正值；

E0—辦公建筑非供暖能耗指標(biāo)實(shí)測值；

γ1—辦公建筑使用時間修正系數(shù)；

γ2—辦公建筑人員密度修正系數(shù)；

T0—年使用時間，辦公建筑中T0取2500 h/a；

T—辦公建筑年實(shí)際使用時間，h/a；

S—實(shí)際人均建筑面積，為建筑面積與實(shí)際使用人員數(shù)的比值，m2/人；

S0—人均建筑面積，辦公建筑中S0取10m2/人。

圖2 大樓2019年用電分項(xiàng)占比

因本樓主要為建筑設(shè)計(jì)單位辦公用房，具有比普通辦公樓工作日上班時間長、節(jié)假日加班多等情況，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析T0取3250 h/a，實(shí)際使用人員數(shù)為800人，計(jì)算后EOC=52.44 kWh/(m2·a)。參照 GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》中的 A 類辦公建筑夏熱冬冷低區(qū)能耗指標(biāo)— 約束值為70kWh/(m2·a),引導(dǎo)值為55kWh/（m2·a）。經(jīng)計(jì)算，本大樓能耗低于引導(dǎo)值，節(jié)能運(yùn)行效果顯著。

6 結(jié)語

本能源監(jiān)控平臺，通過基于 C# 的上位機(jī)程序、WCF 程序和阿里云服務(wù)器對底層的各個點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，從而構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化的監(jiān)控平臺，便于用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維。

該平臺已實(shí)現(xiàn)近2a 穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行效果良好。通過對數(shù)據(jù)的分析及日常運(yùn)行狀況的監(jiān)控，逐步優(yōu)化完善平臺功能，持續(xù)改進(jìn)，不斷提高。同時，平臺定時將能耗數(shù)據(jù)發(fā)送至市建筑能耗監(jiān)測平臺，為市級管理部門提供準(zhǔn)確的能耗數(shù)據(jù)及決策依據(jù)。