淺析建筑配電能耗平臺(tái)與環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的研究

江蘇安科瑞電器制造有限公司 范宏博

摘要;鑒于國(guó)內(nèi)高能耗建筑缺乏有效的能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可視化建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，提出了平臺(tái)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了平臺(tái)的配置和系統(tǒng)的特點(diǎn)。

0.引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)城市生活人口將達(dá)到56%以上，第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重可能超過(guò)45%[1]相應(yīng)的建筑設(shè)施也將翻番，建筑能耗的大幅增加將不可避免。隨著能耗問(wèn)題的日益突出，如何實(shí)現(xiàn)能耗管理和能源成本降低已成為我國(guó)的首要任務(wù)。準(zhǔn)煤高出7倍。在北京的16家酒店中，能耗高的酒店的能耗是能耗低的酒店的近3倍。北京酒店、酒店、商場(chǎng)、寫字樓等大型公共建筑面積僅占民用建筑的5.4%，但年用電量高達(dá)33億kW·h，接近全市居民的生活。

1.建筑能耗分析

目前，建筑能耗與工業(yè)能耗和交通能耗并列，已成為我國(guó)能耗的三大“能耗大戶"。目前，我國(guó)每年新建房屋20億m2中，99%以上是高能耗建筑；在現(xiàn)有約430億m2建筑中，只有4%采取了能效措施，單位建筑面積采暖能耗是發(fā)達(dá)國(guó)家新建建筑的3倍以上。據(jù)測(cè)算，如果不采取有效措施，到2020年，我國(guó)建筑能耗將是目前的3倍以上。

在我國(guó)能源消費(fèi)中，建筑能耗占很大比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗在我國(guó)能源總消費(fèi)中的比例已達(dá)27%．6％，發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑能耗一般占全國(guó)總能耗的30%～40％。[2]在建筑能耗方面，國(guó)家機(jī)關(guān)辦公樓和大型公共建筑的高能耗問(wèn)題日益突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)家機(jī)關(guān)辦公樓和大型公共建筑單位年用電量達(dá)到70%～300kW·h，為普通居民住宅10棟～20倍，占全國(guó)城鎮(zhèn)總用電量的22%。以北京為例，[3]據(jù)調(diào)查，在北京政府機(jī)構(gòu)的能源消費(fèi)中，單位建筑面積的年用電量約為80%～150kW·h，4是居民住宅～8倍；行政機(jī)關(guān)年人均能耗為3.35t標(biāo)準(zhǔn)煤，比全市人均生活能耗為0.47t標(biāo)準(zhǔn)煤的50%，單位面積年平均能耗為普通住宅的5倍～10倍。

這類建筑一般缺乏詳細(xì)的能源計(jì)量，現(xiàn)有數(shù)據(jù)不能滿足能源消耗分析的需要，不能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)能源消耗問(wèn)題。為了更好地開展大型公共建筑節(jié)能工作，我們?cè)敿?xì)掌握了建筑的各種能源消耗，通過(guò)這些能源消耗和建筑環(huán)境分析發(fā)現(xiàn)建筑能源問(wèn)題，為未來(lái)的節(jié)能管理和節(jié)能改造提供依據(jù)，建筑能源消耗和環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

2.系統(tǒng)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)建筑能耗中的電、水、氣、熱、冷五種能源系統(tǒng)，并結(jié)合建筑內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析能耗數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)應(yīng)用（modbus）該儀器實(shí)現(xiàn)了基于泛在無(wú)線傳感網(wǎng)的五種能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，采用泛在無(wú)線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集(UNIT)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，采用工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的總結(jié)和分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)包括能耗監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)兩部分。其中，能耗監(jiān)測(cè)按能源類別分類進(jìn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，分為電、水、氣、熱、冷五類；其中，電分為兩級(jí)監(jiān)測(cè)、電①級(jí)別分項(xiàng)：照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電和特殊用電四個(gè)分項(xiàng)，電量用電②分類：照明插座電源包括房間照明電源、插座電源、走廊電源、應(yīng)急照明電源和室外景觀照明電源5②等級(jí)分項(xiàng)，空調(diào)用電包括冷熱站用電和空調(diào)末端用電②級(jí)別分項(xiàng)，動(dòng)力用電包括電梯用電、水泵用電和通風(fēng)機(jī)用電②等級(jí)分項(xiàng)，特殊用電包括信息室、洗衣房、廚房、餐廳、游泳池、健身房6個(gè)②等級(jí)分項(xiàng)，其他分類能耗不分項(xiàng)監(jiān)測(cè)。環(huán)境監(jiān)測(cè)部分為：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照、紅外檢測(cè)等。

2.1系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)

該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、測(cè)控單元為基本工具，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理控制提供基本平臺(tái)，可與檢測(cè)控制設(shè)備形成任何復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用分層分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。

2.1.1站控管理層

站控管理是能耗監(jiān)控系統(tǒng)的管理者，是人機(jī)交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的上層部分。主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS電源等系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備組成。監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有良好的人機(jī)交互界面，計(jì)算、分析和處理收集的各種數(shù)據(jù)和信息，以圖形、數(shù)字顯示、聲音等方式反映現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況。

監(jiān)控主機(jī)：用于數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為系統(tǒng)內(nèi)外提供數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行系統(tǒng)管理、維護(hù)和分析。

打印機(jī)：系統(tǒng)呼叫打印或自動(dòng)打印圖形、報(bào)告等。模擬屏幕：系統(tǒng)通過(guò)通信與智能模擬屏幕進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，圖像顯示整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

UPS：保證計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的正常供電，保證站控管理設(shè)備在整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)供電問(wèn)題時(shí)的正常運(yùn)行。

2.1.2網(wǎng)絡(luò)通訊層

通信層主要由通信管理機(jī)、以太網(wǎng)設(shè)備和總線網(wǎng)絡(luò)組成。該層是數(shù)據(jù)和信息交換的橋梁，負(fù)責(zé)收集、分類和傳輸現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備返回的數(shù)據(jù)和信息，同時(shí)傳達(dá)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種控制命令。

通信管理機(jī)：是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和智能通信管理室。具有數(shù)據(jù)采集與處理、通信控制器、前置機(jī)等功能。

以太網(wǎng)設(shè)備：包括工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)。

通信介質(zhì)：系統(tǒng)主要采用屏蔽雙絞線、光纖和無(wú)線通信。

2.1.3現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層為數(shù)據(jù)采集終端，主要由智能儀器組成。數(shù)據(jù)采集終端由可靠性高、與現(xiàn)場(chǎng)總線連接的分布式I/O控制器組成，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)室上傳到數(shù)據(jù)室。測(cè)量?jī)x器負(fù)責(zé)基層的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，監(jiān)控的能耗數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)室。

2.2系統(tǒng)主要部件技術(shù)性能指標(biāo)

2.2.1數(shù)據(jù)采集器

采用數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)電、水、氣、熱、冷消耗的數(shù)據(jù)采集。支持各種能源計(jì)量裝置的數(shù)據(jù)采集，包括電能表（包括單相電能表、三相電能表、多功能電能表）、電力監(jiān)測(cè)儀、電量計(jì)測(cè)模塊、水表、燃?xì)獗怼⒗錈崃坑?jì)、流量計(jì)等。

2.2.2.電力采集系統(tǒng)

配置方案：通過(guò)一個(gè)三相總電量表監(jiān)測(cè)建筑總能耗，通過(guò)四個(gè)分項(xiàng)電量表監(jiān)測(cè)照明插座、空調(diào)、動(dòng)力和特殊用電①等級(jí)分項(xiàng)電量。通過(guò)16個(gè)分項(xiàng)電量表監(jiān)測(cè)16個(gè)分項(xiàng)電量。所有電表均通過(guò)Modbus協(xié)議傳輸?shù)讲杉鳎杉魍ㄟ^(guò)局域網(wǎng)上傳到監(jiān)控主機(jī)

在監(jiān)控軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，監(jiān)控的各種數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)室和上級(jí)調(diào)度相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和能耗的合理分配。

電能監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要包括電流、電壓、頻率、視頻、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和電能等。

2.2.3.水量采集系統(tǒng)

配置方案：通過(guò)Modbus協(xié)議的水表監(jiān)測(cè)建筑用水總量，實(shí)現(xiàn)建筑日、月、年用水量的監(jiān)測(cè)分析。

2.2.4.氣量采集系統(tǒng)

配置方案：通過(guò)Modbus協(xié)議的氣表監(jiān)測(cè)建筑用氣總量，實(shí)現(xiàn)建筑日、月、年用氣量的監(jiān)測(cè)分析。

2.2.5制熱采集系統(tǒng)

配置方案：通過(guò)Modbus協(xié)議的熱量表監(jiān)測(cè)建筑總熱量消耗，實(shí)現(xiàn)建筑日、月、年熱量的監(jiān)測(cè)分析。

2.2.6制冷量采集系統(tǒng)

配置方案：通過(guò)Modbus協(xié)議的冷量表監(jiān)測(cè)建筑冷量總消耗，實(shí)現(xiàn)建筑日、月、年冷量的監(jiān)測(cè)分析。

2.2.7.環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

配置方案：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)基于無(wú)線自組織傳感網(wǎng)的環(huán)境探測(cè)器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)。檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)包括：溫度、濕度、一氧化碳、浸泡、光照、紅外檢測(cè)等。環(huán)境探測(cè)器通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)室，數(shù)據(jù)室收集環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)能耗系統(tǒng)的分析。

2.2.8數(shù)據(jù)房和監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)室和監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和配置軟件實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)列表、實(shí)時(shí)曲線圖、數(shù)據(jù)棒圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)、歷史、報(bào)警圖片、數(shù)據(jù)報(bào)表等統(tǒng)計(jì)分析功能。

3.安科瑞建筑能耗分析系統(tǒng)

3.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對(duì)水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過(guò)對(duì)用戶端所有能耗進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定實(shí)施能源計(jì)算，分析現(xiàn)狀，查找問(wèn)題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實(shí)可行的節(jié)能措施，并向縣級(jí)以上管理節(jié)能工作的部門報(bào)送能源計(jì)算報(bào)告。

3.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于公共建筑、集團(tuán)公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測(cè)與管理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。

3.3系統(tǒng)功能

3.3.1系統(tǒng)概況

平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)月能耗折算、地圖導(dǎo)航，各能耗逐時(shí)、逐月曲線，當(dāng)日，當(dāng)月能耗同比分析滾動(dòng)顯示。

3.3.2用能概況

對(duì)建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項(xiàng)等用能進(jìn)行對(duì)比，支持當(dāng)日逐時(shí)趨勢(shì)、當(dāng)月逐日趨勢(shì)曲線、分時(shí)段能耗統(tǒng)計(jì)對(duì)比、總能耗同環(huán)比對(duì)比。

3.3.3用能統(tǒng)計(jì)

對(duì)建筑、區(qū)域、分項(xiàng)、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報(bào)表的形式統(tǒng)計(jì)對(duì)分類能源用能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，支持報(bào)表數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行生成柱狀圖。

3.3.4復(fù)費(fèi)率統(tǒng)計(jì)

復(fù)費(fèi)率報(bào)表按日、月、年統(tǒng)計(jì)對(duì)單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。

3.3.5同比分析

對(duì)建筑、分項(xiàng)、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報(bào)表結(jié)合的方式進(jìn)行用能數(shù)據(jù)同比分析。

3.3.6能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑zhiding時(shí)段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標(biāo)值查看。

3.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對(duì)選擇支路分類能源在zhiding時(shí)段工作時(shí)間與非工作時(shí)間用能統(tǒng)計(jì)對(duì)比，支持導(dǎo)出報(bào)表。

3.3.8設(shè)備管理

設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺(tái)賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運(yùn)行。

3.3.9用戶報(bào)告

用戶報(bào)告針對(duì)選定的建筑自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各能源的月使用的同環(huán)比趨勢(shì)，并提供簡(jiǎn)單的能耗分析結(jié)果，針對(duì)用電提供單獨(dú)的復(fù)費(fèi)率用能分析，報(bào)告可編輯。

4.系統(tǒng)硬件配置