任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對(duì)目前國內(nèi)高耗能建筑缺少有效的能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，給出了平臺(tái)結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹了平臺(tái)的配置和系統(tǒng)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：建筑能耗；環(huán)境監(jiān)測(cè)；節(jié)能；物聯(lián)網(wǎng)

0.引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加速，預(yù)計(jì)到2020年，全國城市生活人口將達(dá)到56%以上，第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比例有可能超過45%。[1]相應(yīng)的建筑物和設(shè)施也將成倍增加，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。隨著能耗問題日益突顯，如何實(shí)現(xiàn)能耗管理和能源成本小化成為中國的首要任務(wù)。準(zhǔn)煤高出7倍。北京16家旅館中，能耗大的旅館能耗費(fèi)是能耗小的旅館能耗費(fèi)的將近3倍。北京全市的賓館、飯店、商廈、寫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(dá)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"?，F(xiàn)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(dá)國家新建建筑的3倍以上。根據(jù)測(cè)算，如果不采取有力措施，到2020年中國建筑能耗將是現(xiàn)在的3倍以上。

在我國的能源消費(fèi)中，建筑能耗占了很大的比例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗在我國能源總消費(fèi)中所占的比例已經(jīng)達(dá)到27．6％，發(fā)達(dá)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(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑單位面積年耗電量達(dá)到70～300kW·h，為普通居民住宅的10～20倍，占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%。以北京為例，[3]據(jù)調(diào)查，北京政府機(jī)構(gòu)能源消費(fèi)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(jī)關(guān)年人均用能3.35t標(biāo)準(zhǔn)煤，比全市人均生活用能0.47t標(biāo)用電的50%，單位面積年均耗電量是普通住宅的5～10倍。

這類建筑普遍缺乏細(xì)致的用能計(jì)量，已有的數(shù)據(jù)無法滿足能耗分析需求、無法及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)用能問題。為了更好地開展大型公共建筑節(jié)能工作，我們做了詳細(xì)掌握建筑的各種能耗，并通過對(duì)這些能耗和建筑環(huán)境情況進(jìn)行分析來發(fā)現(xiàn)建筑用能所存在的問題，為以后的節(jié)能管理和節(jié)能改造提供依據(jù)，而建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)在這個(gè)過程中則起了舉足輕重的作用。

1. 系統(tǒng)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圍繞建筑能耗中的電、水、氣、熱耗、冷耗5類能源系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合建筑內(nèi)部的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上采用現(xiàn)場(chǎng)總線（modbus）儀表實(shí)現(xiàn)5類能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，采用基于泛在無線傳感網(wǎng)(UNIT)的探測(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)庫與組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的匯總和分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

該系統(tǒng)包含了能耗監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)兩個(gè)部分。其中能耗監(jiān)測(cè)按照能源類別分類分項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，分類為：電量、水量、氣量、熱耗量、冷耗量5類；其中電量分兩級(jí)分項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，電量①級(jí)分項(xiàng)：照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電和特殊用電4個(gè)分項(xiàng)，電量②級(jí)分項(xiàng)：照明插座用電包括房間照明用電、插座用電、走廊用電、應(yīng)急照明用電和室外景觀照明用電5個(gè)②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個(gè)②級(jí)分項(xiàng)，動(dòng)力用電包括電梯用電、水泵用和通風(fēng)機(jī)用電3個(gè)②級(jí)分項(xiàng)，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(jí)分項(xiàng)，其它分類能耗不做分項(xiàng)監(jiān)測(cè)。環(huán)境監(jiān)測(cè)部分分為：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測(cè)等。

2.1系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建

通本系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)、通訊設(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)測(cè)及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，它可以和檢測(cè)、控制設(shè)備構(gòu)成任意復(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)通訊層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。

2.1.1站控管理層

站控管理層針對(duì)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理人員，是人機(jī)交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的上層部分。主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備，如工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS電源等組成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件具有良好的人機(jī)交互界面，對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)信息計(jì)算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況。

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)或外部提供數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行系統(tǒng)管理、維護(hù)和分析工作。

打印機(jī)：系統(tǒng)召喚打印或自動(dòng)打印圖形、報(bào)表等。模擬屏：系統(tǒng)通過通訊方式與智能模擬屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，形象顯示整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

UPS：保證計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常供電，在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生供電問題時(shí)，保證站控管理層設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.1.2網(wǎng)絡(luò)通訊層

通訊層主要是由通訊管理機(jī)、以太網(wǎng)設(shè)備及總線網(wǎng)絡(luò)組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和傳送等工作的同時(shí)，轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種控制命令。

通訊管理機(jī)：是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和智能通訊管理房。它具備了數(shù)據(jù)采集與處理、通訊控制器、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)。

通訊介質(zhì)：系統(tǒng)主要采用屏蔽雙絞線、光纖以及無線通訊等。

2.1.3現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場(chǎng)總線連接的分布式I/O控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端，向數(shù)據(jù)房上傳存儲(chǔ)的建筑能耗數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)x表擔(dān)負(fù)著基層的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，其監(jiān)測(cè)的能耗數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確并實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)房。

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)對(duì)電、水、氣、熱耗、冷耗量的數(shù)據(jù)采集。支持對(duì)多種類型用能計(jì)量裝置的數(shù)據(jù)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(jiān)測(cè)儀、電量計(jì)測(cè)模塊，水表、燃?xì)獗?、冷熱量?jì)、流量計(jì)等。

2.2.2電量采集系統(tǒng)

配置方案：通過1個(gè)三相總電量表監(jiān)測(cè)建筑總能耗，通過4個(gè)分項(xiàng)電量表監(jiān)測(cè)照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電和特殊用電4個(gè)①級(jí)分項(xiàng)電量。通過16個(gè)分項(xiàng)電量表監(jiān)測(cè)16項(xiàng)的二級(jí)分項(xiàng)電量。所有電表均為通過Modbus協(xié)議傳送電量數(shù)據(jù)到采集器，采集器通過局域網(wǎng)上傳到監(jiān)控主機(jī)上并

在監(jiān)控軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，監(jiān)測(cè)到的各種數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)房和上級(jí)調(diào)度相連，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和能耗的合理調(diào)配。

電量監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要有電流、電壓、頻率、視在頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及電能等。

2.2.3用水量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個(gè)具有Modbus協(xié)議的水表實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑用水總量的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑日、月、年用水量的監(jiān)測(cè)和分析。

2.2.4用氣量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個(gè)具有Modbus協(xié)議的氣表實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑用氣總量的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑日、月、年用氣量的監(jiān)測(cè)和分析。

2.2.5制熱量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個(gè)具有Modbus協(xié)議的熱量表實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑用熱量總耗的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑日、月、年用熱量的監(jiān)測(cè)和分析。

2.2.6制冷量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個(gè)具有Modbus協(xié)議的冷量表實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑用冷量總耗的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑日、月、年用冷量的監(jiān)測(cè)和分析。

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)，通過基于無線自組織傳感網(wǎng)的環(huán)境探測(cè)器實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)環(huán)境的參數(shù)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)有：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測(cè)等。環(huán)境探測(cè)器通過無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)房，數(shù)據(jù)房集合環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)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)房和監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)數(shù)據(jù)庫和組態(tài)軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，它可實(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)、折算數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)、歷史、報(bào)警畫面、數(shù)據(jù)報(bào)表等多種統(tǒng)計(jì)和分析功能。

3.系統(tǒng)特點(diǎn)

該項(xiàng)目針對(duì)現(xiàn)代建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量大、較密集、布線復(fù)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案，通過構(gòu)建基于無線傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和開發(fā)具有能耗管理與節(jié)能策略分析功能的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)建筑能耗與室內(nèi)環(huán)境的可視化監(jiān)測(cè)與管理。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：

1. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)建筑能耗和建筑環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)，并根據(jù)建筑環(huán)境對(duì)建筑能耗狀態(tài)進(jìn)行分析，得出耗能系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)，實(shí)施能源的優(yōu)化配置。

2. 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感層采用無線傳感技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可大大減少布線工作或無需布線，可不對(duì)現(xiàn)有耗能設(shè)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)所帶來的施工量以及綜合布線對(duì)環(huán)境的影響，減少投資和工期，特別適用于既有建筑和設(shè)施。

3. 系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，構(gòu)架簡(jiǎn)單，擴(kuò)展功能強(qiáng)，可方便地滿足用戶未來需求。內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)靈活，可隨時(shí)增加或減少傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)易于維護(hù)，任意節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響系統(tǒng)工作。

4. 使用智能終端可通過GPRS或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和監(jiān)測(cè)。同時(shí)具有本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，確保數(shù)據(jù)完整性。

5. 建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)可視化管理，自動(dòng)生成能耗分析報(bào)告，能耗報(bào)表自動(dòng)打印，操作管理便捷。

該系統(tǒng)將建筑能耗監(jiān)測(cè)與建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)有效的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化配置；無線組網(wǎng)方式和模塊化結(jié)構(gòu)架構(gòu)簡(jiǎn)單，組網(wǎng)便捷，便于建設(shè)和改建；可視化的界面為維護(hù)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(shè)綠色節(jié)能建筑的有效方法。該項(xiàng)目的應(yīng)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(jì)效益，對(duì)緩解國家能源緊缺狀況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排溫室氣體規(guī)劃目標(biāo)，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

4.安科瑞建筑能耗分析系統(tǒng)

4.1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。用戶可按照國家有關(guān)規(guī)定實(shí)施能源計(jì)算，分析現(xiàn)狀，查找問題，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。

4.2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)。

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1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。

4.3.2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。

4.3.3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。

4.3.4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。

4.3.5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。

4.3.6能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑某一時(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。

4.3.7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某一時(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。

4.3.8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。

4.3.9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。

5.系統(tǒng)硬件配置

參考文獻(xiàn)

[1]鄭明明,陳碩．建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的研究[J]．建筑節(jié)能,2009(9)．

[2]李國勇．智能控制及其Matlab實(shí)現(xiàn)[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[3]賈正源，牛曉東．電力負(fù)荷預(yù)測(cè)的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究[J]．運(yùn)籌與管理，2000，9（2）.

[4]周巧儀，崔富義，謝路建.筑能耗與環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的研究[J].

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.

作者介紹：

任運(yùn)業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)榻ㄖ芎南到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。