建筑能源計量監測系統在樓宇節能運營管理中的應用

夏洪軍,李愛國,陳勤平

(上海市建筑科學研究院,上海200032)

建筑物運行能耗直接取決于用能設備的使用情況和設備的運行管理及維護,特別是大型公共建筑的運行能耗既受住戶的影響也與物業管理有關,完善的管理模式可以為技術層面上的節能工作創造便利條件,合理的建筑運行管理是最直接、效果最明顯的節能手段。我國的寫字樓空調耗能占總耗能的比例為50%～70%;酒店的熱、通風和空調控制耗能占總耗能的比例為44%。寫字樓照明耗能占總耗能的比例為23%～55%,酒店照明耗能占總耗能的比例為29%;寫字樓耗能占總耗能的比例為8%,酒店電梯耗能占總耗能的比例為10%。不難看出,空調照明和電梯用能占了公共建筑用能主要部分,搞好空調和照明系統的監控調節對于商業樓宇建筑節能十分重要,而利用智能化系統對大廈內部機電設備和照明設備的優化啟停,將是未來建筑節能的主要發展方向。建筑能源計量監測系統是指對建筑物安裝分項能耗計量裝置,采用遠程傳輸等手段及時采集能耗數據,可以全面和準確地掌握建筑能耗情況實現重點建筑能耗的在線監測和動態分析功能的硬件系統和軟件系統,該系統是能耗統計、能效測評、能源審計、能效公示、建立用能標準、用能定額和節能服務等各項制度的重要基礎,是樓宇節能運營管理工作的前提和必要的組成部分。我國的建筑用能特別是大型公共建筑能耗遠遠高于發達國家建筑節能的潛力很大,但是我國的建筑節能工作開展較晚,公共建筑運行的用能管理還很落后,全國氣候分區的功能建筑的基礎能耗數據統計、大型公共建筑分項能耗計量體系、運行能耗的定額管理指標體系等工作只是剛剛起步,尚無切實可行的方法及運行能耗值作為參照標準。建筑能源計量監測系統可以優化節能運營管理,統計能耗基礎數據、對節能改造進行評估等。本文將對建筑能源計量監測系統的組成和功能進行分析和介紹。

1 系統的組成

建筑能源計量監測(EMS)系統的組成見圖1,一般采用以工業PC和高檔微機為核心的中央管理操作界面和圖象顯示設備,同時配備UPS系統、模擬顯示屏、打印機等;下面設有智能分站,主要完成數據采集、傳送及現場控制設備;布線系統包括EMS系統和其他各系統聯動、信息傳輸、電源線敷設等,要求保證相互間或受外界干擾要小,檢修方便。

圖1 EMS系統圖

監測系統軟件包括了數據采集層、數據傳輸層、數據處理存儲層和數據展示層四層架構。

1.1 數據采集層

數據采集層—主要通過電能表獲取各回路的電耗,依據《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據采集技術導則》中的要求,辦公建筑的用能數據采集對象包括建筑基本情況、分類能耗和分項能耗。建筑用能設備運行數據的采集包括人工采集方式和自動采集方式:人工采集方式采集建筑基本指標和其他不能通過自動方式采集的能耗數據;自動采集方式利用自動計量裝置實時采集采集建筑分項和分類能耗數據,通過自動傳輸方式實時傳輸至數據中心。

1.2 數據傳輸層

數據傳輸層—主要是把能源數據轉換成TCP/ IP協議格式上傳至能源管理中心,一般由三部分組成:第一部分為表具至網關設備,采用485總線形式傳輸;第二部分為各個網關之間采用的Zigbee無線傳輸;第三部分為網關與能源管理主機之間傳輸。

1.3 數據處理存儲層

數據處理存儲層—主要負責對能耗數據的存儲;包括數據存儲區后臺分析數據庫數數據集市和信息展示發布幾個部分,見圖2。

數據存儲區中存儲的是一些原始明細數據,這些數據來自于監測儀表和手動輸入樓宇和設備基礎信息,可以直接供明細類查詢,也可以在與報警規則信息結合進行后臺處理后,用于能源計量和遠程監測系統進行實時監測、報警或者直接供查詢。后臺分析數據庫中存儲的是經過處理的原始數據,包括按照統計、分析、比較功能的要求對數據存儲區的基礎數據進行時段的分類、匯總和折算后得到的數據。后臺分析數據庫的設置目的,是提高系統的運行效率,縮短系統的響應時間。數據集市是對后臺分析數據庫的分類處理,具有面向不同角色,不同用戶的專用業務功能,使其更具針對性。信息展示發布采用統一的發布平臺,支持多樣化的展示方式,如圖表、報表、短信和大屏顯示等,并帶操作權限、報表模板、規則庫等,可以實現格式定制和展示控制等功能。

1.4 數據分析展示層

數據展示層—主要對存儲層中的能耗數據進行匯總、統計、分析、展示和發布。對經過數據處理后的分類分項能耗數據進行分析匯總和整合,通過靜態表格和動態圖表方式將能耗數據展示出來,為節能運行、節能改造、信息服務和制定政策提供服務。

系統采用B/S軟件體系結構,有關用戶還可以通過大樓局域網直接利用IE瀏覽器方式訪問能源中心服務器,查看數據報表和圖表等信息,操作方便。數據圖表可選擇數據透視表、餅圖、柱狀圖、線圖、儀表盤或動畫等形式,格式靈活,可交互操作。

2 系統的功能

建筑能源計量監測系統是建筑的用水、用電、用氣、用油等能耗進行實時能源計量和遠程監測,以全自動的抄表方式,通過網絡化計算機管理,加強能源計量和實時管理。通過建筑能源計量監測系統,可以為相關部門動態掌握建筑的能耗數據及能耗構成,發現用能問題,為節能工作提供基礎數據和指導,使用能設備的能耗降到最低、使用效率達到最高。

(1)實時監測 對供電系統實時監測,實時顯示各建筑各子系統和大型設備的用電情況。儀表讀數功能中實時顯示各大樓的水、電、氣三種能源的實時儀表讀數。

(2)統計報表 根據用戶需要自由選取定義統計項目,由軟件自帶的運算工具統計匯總,并根據用戶要求以相應的圖表形式輸出;同時具有查詢功能。

(3)分析比較 分析主要耗能設備的用電情況;分析電能浪費的漏洞;驗證通過節能改造而降低的能耗的效果;單體建筑內不同用電設備的分項消耗電能縱向比較;也可以和同類建筑進行橫向用電比較,發現問題及時解決。

(4)事故報警 實時監測各種用能設備的非正常用能情況,一旦用能發生非正常情況可以采用多種方式進行報警提醒。

(5)目標管理 調整動態負荷,對大廈的各類供電負荷制定用電指標,獎勤罰懶,用科學的系統的目標管理手段提升管理水平和提高能源使用效率。避免因管理混亂引起的用能浪費。

(6)優化運行 通過對設備系統功耗的實時、有效的長期分析總結,找出系統存在的問題,例如結構形式和設計不合理、運行調節策略不當、設備沒有工作在最佳工況點、設備已存在老化等,以便及時安排節能改造。

(7)節能評估 設備實施了節能改造后,可以驗證節能技術以及改造的實際效果,明確節能量。

3 系統的應用

建筑能源計量監測系統節能運行管理優化的應用,主要包括能源監測與分析和節能運行優化控制。

3.1 能源監測與分析

(1)電力能耗監測 電力能耗監測主要包括總電耗和動力設備、照明設備、空調設備的電耗,其中空調系統中的用能設備還可細分為主機、水泵、空調機、新風機、風機盤管、冷卻塔和其他輔助設備。建筑能源計量監測系統采用多功能組合式智能電量儀表,儀表的數據通過網關接入能源管理系統,可以用來進行數據分析和預測,為管理者提供決策數據支持,系統以采集到的動力、空調、照明等相關數據為基礎,可以提供建筑能耗的實時情況和變化趨勢,記錄高峰與低谷用電(圖3和圖4是電力能耗監測過程的兩個例子),為節能運營管理提供必要條件,為合理用能或優化調整提供依據。

圖3 某樓層逐時用電功率曲線

圖4 分項逐時用電功率曲線

(2)制冷機能效比監測 制冷機的能效比是空調系統的主要節能指標之一,特別是制冷機在長期運行的部分負荷條件下,提高能效比對于建筑節能非常重要。

3.2 節能運行管理優化

采暖通風空調系統和照明系統是建筑采暖和通風空調系統是建筑中的能耗大戶。合理地監控系統設備的運行,可以在保證建筑物內舒適環境的前提下最大程度地降低能耗。

(1)采暖和通風空調系統 大型公共建筑物的采暖、通風和空調系統,系統復雜設備多,建筑能源管理系統不僅對集中于冷熱主機房的冷凍主機、冷卻和冷凍水泵、冷卻塔進行能源計量監測,而且對分散于各處的空調機組、送回風機也進行了能耗監控。由于我國的中央空調系統最大冷熱負荷設計和設備選型,通常按建筑物所在地的極端氣候條件來計算的,因此平時的運行經常出現大馬拉小車的現象,運行效率受到很大影響,通過建筑能源計量監測系統,可以實現對供暖、通風、空調和其他設備的最佳匹配運營和節能管理。

(2)照明系統 通過系統查看建筑物照明系統電耗的逐時變化情況。非工作時間段照明系統電耗和工作日時間段相差不多,或者與同類型建筑物相比電耗較大時,可以診斷照明系統是否存在用能浪費環節,從而進一步優化照明系統運營管理。

4 應用案例

建筑能源計量監測系統已成功應用于上海市政府機關辦公大樓和大型公共建筑中,如某政府機關辦公樓建筑地面高度為58 m,建筑面積24 302m2。建筑設備層在 B1F、屋頂層,總配電容量為2 500 kVA,二路進線 10 kVA 供電,2只1 250 kVA變壓器。辦公樓實施該系統時在低壓配電柜安裝智能化電力儀表,每個分項計量單體柜采用一臺三相電力儀表,電流采集與原有電流表串聯延用原有互感器,電壓采集以單個進線柜為單位,通過橋架的敷設將電壓電流采集型號傳輸到統一的一臺儀表柜內,將每五個儀表作為一組通訊,組內通訊串接,每組連線至協議轉換器,將各智能電表信號轉換成網絡電信號,傳輸至配電值班室內的建筑能源計量監測系統主機上。系統主機軟件界面按不同操作可以顯示圖5和圖6的統計分析圖。

圖5 辦公樓各分項用電功率曲線

圖6 周統計的環比能耗統計圖

5 結語

節能運行管理是一個系統工程,因為節能管理涉及所有耗能設備的控制及運行管理,涉及物業管理的軟件功能等管理手段、管理效率,涉及系統配置設備的性能,節能的效果取決于節能技術的先進性、節能措施的落實程度。建筑能源計量監測系統的有效實現為進一步開展建筑物的各種節能改造和節能管理工作提供了一個定量管理的平臺 ,對動態掌握建筑能耗狀況、制定相關政策和措施、推廣各類建筑節能先進技術都將發揮重要作用。通過監測系統的一系列功能 ,能夠實現動態數據監測、統計分析、在線診斷和節能效果評估等 ,從實時數據中可以發現各建筑的真正用能問題 ,從而實現對癥下藥,優化樓宇節能運營管理,制定相應的節能運營管理措施。