韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對目前國內高耗能建筑缺少有效的能源監測系統的現狀，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可視化建筑能耗和環(huán)境監測系統方案，給出了平臺結構，并詳細介紹了平臺的配置和系統的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：建筑能耗；環(huán)境監測；節能；物聯(lián)網(wǎng)

0.引言

隨著(zhù)我國城市化進(jìn)程的加速，預計到2020年，全國城市生活人口將達到56%以上，第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比例有可能超過(guò)45%。[1]相應的建筑物和設施也將成倍增加，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。隨著(zhù)能耗問(wèn)題日益突顯，如何實(shí)現能耗管理和能源成本小化成為中國的首要任務(wù)。準煤高出7倍。北京16家旅館中，能耗大的旅館能耗費是能耗小的旅館能耗費的將近3倍。北京全市的賓館、飯店、商廈、寫(xiě)字樓等大型公共建筑面積僅占民用建筑的5.4%，但全年耗電量卻高達33億kW·h，接近全市居民生活。

1.建筑能耗分析

目前，建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的三大“耗能大戶(hù)"?，F在我國每年新建房屋20億m2中，99%以上是高能耗建筑；而既有的約430億m2建筑中，只有4%采取了能源效率措施，單位建筑面積采暖能耗為發(fā)達國家新建建筑的3倍以上。根據測算，如果不采取有力措施，到2020年中國建筑能耗將是現在的3倍以上。

在我國的能源消費中，建筑能耗占了很大的比例，據統計，建筑能耗在我國能源總消費中所占的比例已經(jīng)達到27．6％，發(fā)達國家的建筑能耗一般占全國總能耗的30～40％。[2]在建筑能耗中，國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問(wèn)題日益突出。據統計，國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑單位面積年耗電量達到70～300kW·h，為普通居民住宅的10～20倍，占全國城鎮總耗電量的22%。以北京為例，[3]據調查，北京政府機構能源消費中，單位建筑面積年耗電量約為80～150kW·h，是居民住宅的4～8倍；行政機關(guān)年人均用能3.35t標準煤，比全市人均生活用能0.47t標用電的50%，單位面積年均耗電量是普通住宅的5～10倍。

這類(lèi)建筑普遍缺乏細致的用能計量，已有的數據無(wú)法滿(mǎn)足能耗分析需求、無(wú)法及時(shí)準確的發(fā)現用能問(wèn)題。為了更好地開(kāi)展大型公共建筑節能工作，我們做了詳細掌握建筑的各種能耗，并通過(guò)對這些能耗和建筑環(huán)境情況進(jìn)行分析來(lái)發(fā)現建筑用能所存在的問(wèn)題，為以后的節能管理和節能改造提供依據，而建筑能耗與環(huán)境監測管理系統在這個(gè)過(guò)程中則起了舉足輕重的作用。

1. 系統概述

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗與環(huán)境監測系統圍繞建筑能耗中的電、水、氣、熱耗、冷耗5類(lèi)能源系統進(jìn)行監測，結合建筑內部的環(huán)境監測系統對能耗數據進(jìn)行分析。在實(shí)現技術(shù)上采用現場(chǎng)總線(xiàn)（modbus）儀表實(shí)現5類(lèi)能源系統的數據采集，采用基于泛在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)(UNIT)的探測器實(shí)現環(huán)境參數監測，采用工業(yè)數據庫與組態(tài)軟件實(shí)現采集數據的匯總和分析。系統結構如圖1。

該系統包含了能耗監測和環(huán)境監測兩個(gè)部分。其中能耗監測按照能源類(lèi)別分類(lèi)分項進(jìn)行監測、統計和數據分析，分類(lèi)為：電量、水量、氣量、熱耗量、冷耗量5類(lèi)；其中電量分兩級分項進(jìn)行監測，電量①級分項：照明插座用電、空調用電、動(dòng)力用電和特殊用電4個(gè)分項，電量②級分項：照明插座用電包括房間照明用電、插座用電、走廊用電、應急照明用電和室外景觀(guān)照明用電5個(gè)②級分項，空調用電包括冷熱站用電和空調末端用電2個(gè)②級分項，動(dòng)力用電包括電梯用電、水泵用和通風(fēng)機用電3個(gè)②級分項，特殊用電包括信息房、洗衣房、廚房、餐廳、游泳池、健身房6個(gè)②級分項，其它分類(lèi)能耗不做分項監測。環(huán)境監測部分分為：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測等。

2.1系統平臺構建

通本系統是以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數據采集、開(kāi)關(guān)狀態(tài)監測及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測、控制設備構成任意復雜的監控系統。該系統主要采用分層分布式計算機網(wǎng)絡(luò )結構，一般分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò )通訊層和現場(chǎng)設備層。

2.1.1站控管理層

站控管理層針對能耗監測系統的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統的上層部分。主要由系統軟件和必要的硬件設備，如工業(yè)級計算機、打印機、UPS電源等組成。監測系統軟件具有良好的人機交互界面，對采集的現場(chǎng)各類(lèi)數據信息計算、分析與處理，并以圖形、數顯、聲音等方式反映現場(chǎng)的運行狀況。

監控主機：用于數據采集、處理和數據轉發(fā)。為系統內或外部提供數據接口，進(jìn)行系統管理、維護和分析工作。

打印機：系統召喚打印或自動(dòng)打印圖形、報表等。模擬屏：系統通過(guò)通訊方式與智能模擬屏進(jìn)行數據交換，形象顯示整個(gè)系統運行狀況。

UPS：保證計算機監測系統的正常供電，在整個(gè)系統發(fā)生供電問(wèn)題時(shí)，保證站控管理層設備的正常運行。

2.1.2網(wǎng)絡(luò )通訊層

通訊層主要是由通訊管理機、以太網(wǎng)設備及總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )組成。該層是數據信息交換的橋梁，負責對現場(chǎng)設備回送的數據信息進(jìn)行采集、分類(lèi)和傳送等工作的同時(shí)，轉達上位機對現場(chǎng)設備的各種控制命令。

通訊管理機：是系統數據處理和智能通訊管理房。它具備了數據采集與處理、通訊控制器、前置機等功能。

以太網(wǎng)設備：包括工業(yè)級以太網(wǎng)交換機。

通訊介質(zhì)：系統主要采用屏蔽雙絞線(xiàn)、光纖以及無(wú)線(xiàn)通訊等。

2.1.3現場(chǎng)設備層

現場(chǎng)設備層是數據采集終端，主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現場(chǎng)總線(xiàn)連接的分布式I/O控制器構成數據采集終端，向數據房上傳存儲的建筑能耗數據。測量?jì)x表?yè)撝?zhù)基層的數據采集任務(wù)，其監測的能耗數據完整、準確并實(shí)時(shí)傳送至數據房。

2.2系統主要部件技術(shù)性能指標

2.2.1數據采集器

采用數據采集器，實(shí)現對電、水、氣、熱耗、冷耗量的數據采集。支持對多種類(lèi)型用能計量裝置的數據采集，包括電能表（含單相電能表、三相電能表、多功能電能表）、電力監測儀、電量計測模塊，水表、燃氣表、冷熱量計、流量計等。

2.2.2電量采集系統

配置方案：通過(guò)1個(gè)三相總電量表監測建筑總能耗，通過(guò)4個(gè)分項電量表監測照明插座用電、空調用電、動(dòng)力用電和特殊用電4個(gè)①級分項電量。通過(guò)16個(gè)分項電量表監測16項的二級分項電量。所有電表均為通過(guò)Modbus協(xié)議傳送電量數據到采集器，采集器通過(guò)局域網(wǎng)上傳到監控主機上并

在監控軟件上進(jìn)行數據處理和分析，監測到的各種數據通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與數據房和上級調度相連，從而實(shí)現數據的共享和能耗的合理調配。

電量監測指標主要有電流、電壓、頻率、視在頻率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數及電能等。

2.2.3用水量采集系統

配置方案：通過(guò)一個(gè)具有Modbus協(xié)議的水表實(shí)現對建筑用水總量的監測，實(shí)現對建筑日、月、年用水量的監測和分析。

2.2.4用氣量采集系統

配置方案：通過(guò)一個(gè)具有Modbus協(xié)議的氣表實(shí)現對建筑用氣總量的監測，實(shí)現對建筑日、月、年用氣量的監測和分析。

2.2.5制熱量采集系統

配置方案：通過(guò)一個(gè)具有Modbus協(xié)議的熱量表實(shí)現對建筑用熱量總耗的監測，實(shí)現對建筑日、月、年用熱量的監測和分析。

2.2.6制冷量采集系統

配置方案：通過(guò)一個(gè)具有Modbus協(xié)議的冷量表實(shí)現對建筑用冷量總耗的監測，實(shí)現對建筑日、月、年用冷量的監測和分析。

2.2.7環(huán)境監測系統

配置方案：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)基于無(wú)線(xiàn)自組織傳感網(wǎng)的環(huán)境探測器實(shí)現建筑室內環(huán)境的參數監測，檢測的環(huán)境參數有：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測等。環(huán)境探測器通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數據上傳到數據房，數據房集合環(huán)境參數實(shí)現對能耗系統的分析。

2.2.8數據房和監控系統

數據房和監控系統采用工業(yè)數據庫和組態(tài)軟件進(jìn)行實(shí)現，它可實(shí)現參數列表、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖、數據棒圖、實(shí)時(shí)數據、折算數據、累計數據、歷史、報警畫(huà)面、數據報表等多種統計和分析功能。

3.系統特點(diǎn)

該項目針對現代建筑能耗和環(huán)境監測系統監測點(diǎn)數量大、較密集、布線(xiàn)復雜的特點(diǎn)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可視化建筑能耗與環(huán)境監測系統解決方案，通過(guò)構建基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )系統和開(kāi)發(fā)具有能耗管理與節能策略分析功能的軟件平臺，實(shí)現建筑能耗與室內環(huán)境的可視化監測與管理。該系統的優(yōu)勢在于：

1. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對建筑能耗和建筑環(huán)境系統進(jìn)行統一監測，并根據建筑環(huán)境對建筑能耗狀態(tài)進(jìn)行分析，得出耗能系統的綜合評價(jià)，實(shí)施能源的優(yōu)化配置。

2. 監測系統的傳感層采用無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)組建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，可大大減少布線(xiàn)工作或無(wú)需布線(xiàn)，可不對現有耗能設備作任何改造，工程安裝和維修簡(jiǎn)單方便。減少建立建筑能耗及環(huán)境監測系統所帶來(lái)的施工量以及綜合布線(xiàn)對環(huán)境的影響，減少投資和工期，特別適用于既有建筑和設施。

3. 系統采用模塊化結構，構架簡(jiǎn)單，擴展功能強，可方便地滿(mǎn)足用戶(hù)未來(lái)需求。內網(wǎng)組網(wǎng)靈活，可隨時(shí)增加或減少傳感節點(diǎn)系統易于維護，任意節點(diǎn)的故障不會(huì )影響系統工作。

4. 使用智能終端可通過(guò)GPRS或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現遠程管理和監測。同時(shí)具有本地數據存儲功能，確保數據完整性。

5. 建筑能耗和環(huán)境監測實(shí)現可視化管理，自動(dòng)生成能耗分析報告，能耗報表自動(dòng)打印，操作管理便捷。

該系統將建筑能耗監測與建筑環(huán)境監測有效的結合起來(lái)，實(shí)現能源優(yōu)化配置；無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式和模塊化結構架構簡(jiǎn)單，組網(wǎng)便捷，便于建設和改建；可視化的界面為維護管理人員提供了更為便捷的操作管理模式，易于推廣，是一種建設綠色節能建筑的有效方法。該項目的應用可使建筑中能源使用效率大大提高，有效緩解目前能源緊張的壓力，具有廣闊的市場(chǎng)前景和良好的經(jīng)濟效益，對緩解國家能源緊缺狀況，實(shí)現節能和減排溫室氣體規劃目標，促進(jìn)國民經(jīng)濟可持續發(fā)展具有重要而深遠的意義。

4.安科瑞建筑能耗分析系統

4.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系統是用戶(hù)端能源管理分析系統，在電能管理系統的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過(guò)對用戶(hù)端所有能耗進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)的數據和圖表向管理人員或決策層展示各類(lèi)能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習慣，有效節約能源，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶(hù)可按照國家有關(guān)規定實(shí)施能源計算，分析現狀，查找問(wèn)題，挖掘節能潛力，提出切實(shí)可行的節能措施，并向縣級以上管理節能工作的部門(mén)報送能源計算報告。

4.2應用場(chǎng)所

適用于公共建筑、集團公司、工業(yè)園區、大型物業(yè)、學(xué)校、醫院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監測與管理的系統設計、施工和運行維護。

4.3系統功能

4.3.1系統概況

平臺運行狀態(tài)，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時(shí)、逐月曲線(xiàn)，當日，當月能耗同比分析滾動(dòng)顯示。

4.3.2用能概況

對建筑、部門(mén)、區域、支路、分類(lèi)分項等用能進(jìn)行對比，支持當日逐時(shí)趨勢、當月逐日趨勢曲線(xiàn)、分時(shí)段能耗統計對比、總能耗同環(huán)比對比。

4.3.3用能統計

對建筑、區域、分項、支路等結構按日、月、年報表的形式統計對分類(lèi)能源用能進(jìn)行統計，支持報表數據導出EXCEL，支持選擇建筑數據進(jìn)行生成柱狀圖。

4.3.4復費率統計

復費率報表按日、月、年統計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進(jìn)行統計分析。支持數據導出到EXCEL。

4.3.5同比分析

對建筑、分項、區域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結合的方式進(jìn)行用能數據同比分析。

4.3.6能源流向圖

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

4.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線(xiàn)、餅圖等形式對選擇支路分類(lèi)能時(shí)段工作時(shí)間與非工作時(shí)間用能統計對比，支持導出報表。

4.3.8設備管理

設備管理包括，設備類(lèi)型、設備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶(hù)合理管理設備，確保設備的運行。

4.3.9用戶(hù)報告

用戶(hù)報告針對選定的建筑自動(dòng)統計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡(jiǎn)單的能耗分析結果，針對用電提供單獨的復費率用能分析，報告可編輯。

參考文獻

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[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.

作者介紹：

韓歡慶，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為建筑能耗系統的設計與應用