大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文｜山東省建筑設(shè)計(jì)研究院第五分院 任立全 史大洋 聶玉安

1 引言

目前，國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗巨大。據(jù)調(diào)查，國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑的建筑面積占全國(guó)城鎮(zhèn)總建筑面積的4%，但年耗電量卻占全國(guó)城鎮(zhèn)總耗電量的22%，每平方米年耗電量是普通居民住宅的10～20倍、是日本及歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家同類建筑的1.5～2倍。近年來，國(guó)家對(duì)建筑節(jié)能工作提出了一系列更新、更高的要求，制發(fā)了實(shí)施意見等相關(guān)文件，要求建立國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)體系，通過對(duì)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)能耗監(jiān)測(cè)、能耗統(tǒng)計(jì)、能源審計(jì)、能效公示等手段，加強(qiáng)對(duì)大型公共建筑和政府辦公建筑的節(jié)能管理，建立節(jié)能運(yùn)行管理制度，為國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能規(guī)劃目標(biāo)。

2 能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)通過安裝于國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑的分類和分項(xiàng)能耗計(jì)量裝置，采用遠(yuǎn)程傳輸?shù)仁侄渭皶r(shí)采集能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)建筑能耗的在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析功能的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)稱[1]。能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站和數(shù)據(jù)中心。其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)建筑中的各計(jì)量裝置、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)等組成。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

能耗數(shù)據(jù)采集方式包括人工采集和自動(dòng)采集兩種。以人工采集方式采集的數(shù)據(jù)包括建筑基本情況數(shù)據(jù)采集指標(biāo)和其他不能通過自動(dòng)方式采集的能耗數(shù)據(jù)，如建筑消耗的煤、液化石油、人工煤氣等能耗量。以自動(dòng)采集方式采集的數(shù)據(jù)包括建筑分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)和分類能耗數(shù)據(jù)，由自動(dòng)計(jì)量裝置實(shí)時(shí)采集，通過自動(dòng)傳輸方式實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

建筑物能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)量裝置（各類計(jì)量表具）所采集的能耗數(shù)據(jù)，通過RS485接口，以TCP/IP通信協(xié)議自動(dòng)實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，以保證數(shù)據(jù)得到有效的管理，支持高效率的查詢服務(wù)；數(shù)據(jù)傳輸采取一定的編碼規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)及交換的一致性。為保證能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑧?yīng)采用虛擬專用網(wǎng)（VPN）技術(shù)對(duì)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行加密，防止傳輸數(shù)據(jù)被竊聽及篡改。

2.3 數(shù)據(jù)中心

省級(jí)行政區(qū)域的建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由建筑物節(jié)能監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、各城市數(shù)據(jù)中心以及省級(jí)數(shù)據(jù)中心三級(jí)組成。如圖1所示。數(shù)據(jù)中心接收并存儲(chǔ)其管理區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)建筑的能耗數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理、分析、展示和發(fā)布；具備設(shè)置數(shù)據(jù)更新的時(shí)間間隔、訪問歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警、打印報(bào)表、繪制實(shí)時(shí)與歷史曲線等功能，并預(yù)留有相應(yīng)的擴(kuò)展功能。

圖1 建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（1）建筑物節(jié)能監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

建筑物節(jié)能監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)立在被監(jiān)測(cè)建筑（建筑群或園區(qū)）內(nèi)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，能自動(dòng)保存實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的建筑能耗原始數(shù)據(jù)，并能按監(jiān)管體系的要求自動(dòng)完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和能耗分析工作。該子系統(tǒng)應(yīng)具有將建筑能耗原始數(shù)據(jù)和分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到上一級(jí)數(shù)據(jù)中心的功能，也能按指令要求傳輸任意時(shí)段的原始數(shù)據(jù)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。設(shè)立建筑物節(jié)能監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)有利于數(shù)據(jù)的分散存儲(chǔ)、集中管理，降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，緩解網(wǎng)絡(luò)通信壓力，減輕省市兩級(jí)數(shù)據(jù)中心的工作量。

（2）市級(jí)數(shù)據(jù)中心

市級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)能自動(dòng)接收并存儲(chǔ)本轄區(qū)內(nèi)各建筑物能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上報(bào)的節(jié)能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按建筑節(jié)能監(jiān)管體系的要求統(tǒng)計(jì)，匯總本轄區(qū)內(nèi)建筑能耗的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，生成各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表及分析報(bào)告，并將能耗信息定時(shí)自動(dòng)上傳到省級(jí)數(shù)據(jù)中心。

（3）省級(jí)數(shù)據(jù)中心

省級(jí)數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)各市級(jí)數(shù)據(jù)中心上傳的能耗監(jiān)測(cè)信息，對(duì)上傳能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和統(tǒng)計(jì)、分析，生成全省建筑能耗統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)及相關(guān)報(bào)表。按建筑節(jié)能監(jiān)管體系的要求定時(shí)完成信息上報(bào)和信息發(fā)布。

建筑物節(jié)能監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心之間以及省、市級(jí)數(shù)據(jù)中心之間的自動(dòng)連接與信息傳輸應(yīng)采用有效、可靠、適用的軟、硬件設(shè)備，以保障信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全。

3 建筑物能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成

建筑物能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的末端子系統(tǒng)，一般由能耗計(jì)量裝置、數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備構(gòu)成。大型公共建筑（建筑群或園區(qū)）應(yīng)設(shè)置系統(tǒng)管理服務(wù)器和建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)控制室。建筑物能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

建筑物能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)管理、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷功能，能夠?qū)ㄖ飪?nèi)的各類能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并具有上傳至上一級(jí)數(shù)據(jù)中心的能力。

分類能耗是指根據(jù)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑消耗能源的主要種類劃分，如電、燃?xì)狻⑺冗M(jìn)行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)。分項(xiàng)能耗是指根據(jù)各類能源的主要用途劃分進(jìn)行采集和整理的能耗數(shù)據(jù)。以電量為例，其分項(xiàng)能耗應(yīng)當(dāng)包括照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電及特殊用電，分項(xiàng)能耗模型如圖3所示。

圖2 建筑物能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 公共建筑電量分項(xiàng)能耗模型圖

圖3所示的電量分項(xiàng)能耗模型是一個(gè)比較理想的模型，是能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。但在工程設(shè)計(jì)中，模型往往會(huì)有所變化，如空調(diào)末端（分機(jī)盤管）、小容量新風(fēng)換氣機(jī)等大多并非包含在空調(diào)配電系統(tǒng)中，而是包含在照明插座配電系統(tǒng)里。

3.1 能耗計(jì)量裝置

建筑物能耗計(jì)量裝置主要包括電能表、熱量表及水表等。

（1）電能表

能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的電能表應(yīng)具有監(jiān)測(cè)和計(jì)量三相（單相）有功電能和有功功率或電流的功能，多功能電能表至少應(yīng)具有監(jiān)測(cè)和計(jì)量三相電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)、有功電能、最大需量及總諧波含量的功能。電能表均應(yīng)具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，至少具有符合RS485標(biāo)準(zhǔn)的串行電氣接口，采用Modbus標(biāo)準(zhǔn)開放協(xié)議或符合《多功能電能表通信協(xié)議》（DL/T 645-2007）中的相關(guān)規(guī)定。電能表精確度等級(jí)應(yīng)不低于1.0級(jí)，配用電流互感器的精確度等級(jí)應(yīng)不低于0.5級(jí)。

（2）熱量表

熱量表是用于測(cè)量及顯示水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)釋放或吸收熱量的儀表，分為整體式和組合式兩種。熱量表流量測(cè)量裝置以測(cè)量方式為標(biāo)準(zhǔn)，主要可分為電磁及超聲波式、機(jī)械式和壓差式三大類，熱量表溫度測(cè)量裝置主要分為接觸式和非接觸式兩大類。熱量表應(yīng)帶有檢測(cè)接口或數(shù)據(jù)通信接口，接口形式可為RS485或無線接口；熱量表還應(yīng)具有斷電數(shù)據(jù)保護(hù)功能。

（3）水表

遠(yuǎn)傳水表是在普通水表的基礎(chǔ)上加裝電子采集模塊而成，電子模塊完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)并將數(shù)據(jù)通過通信線路上傳給中繼器或手持式抄表器。遠(yuǎn)傳水表采用一體式設(shè)計(jì)的表體，可以實(shí)時(shí)地記錄并保存用戶用水量。每塊水表都有唯一的代碼，當(dāng)接收到抄表指令后可即時(shí)將數(shù)據(jù)上傳給管理系統(tǒng)。遠(yuǎn)傳水表可按機(jī)電轉(zhuǎn)換方式分為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換式遠(yuǎn)傳水表和直讀式遠(yuǎn)傳水表，按翼輪構(gòu)造分為螺翼式遠(yuǎn)傳水表和旋翼式遠(yuǎn)傳水表，按照計(jì)數(shù)機(jī)件的浸沒方式分為干式遠(yuǎn)傳水表和濕式遠(yuǎn)傳水表。

3.2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是一種采用嵌入式微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的建筑能耗數(shù)據(jù)采集專用裝置，具有數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷等功能。系統(tǒng)硬件主要包括微處理器、I/O接口、人機(jī)接口及通信接口四部分，軟件部分主要由監(jiān)控程序和功能執(zhí)行程序組成。數(shù)據(jù)采集器應(yīng)具有以下功能：

◆ 支持根據(jù)上位機(jī)或數(shù)據(jù)中心命令采集和主動(dòng)定時(shí)采集兩種數(shù)據(jù)采集模式，定時(shí)采集周期可靈活配置（5分鐘到1小時(shí)可調(diào)）；

◆ 支持對(duì)面向不同種類能源、不同品牌的計(jì)量裝置，包括電能表及熱量表等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

◆ 配置不小于256MB的專用存儲(chǔ)空間，能耗數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)30天；

◆ 在數(shù)據(jù)傳輸前對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密處理，采用AES加密和MD5身份認(rèn)證機(jī)制；

◆ 具有本地配置和管理功能，支持接受來自數(shù)據(jù)中心的查詢、校時(shí)等命令。

另外，嚴(yán)禁在數(shù)據(jù)采集器上設(shè)計(jì)后臺(tái)程序，使數(shù)據(jù)采集器受到非法遠(yuǎn)程控制或私自遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)包到其他服務(wù)器。

3.3 建筑物能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理服務(wù)器

（1）系統(tǒng)管理服務(wù)器的主要作用

建筑物能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理服務(wù)器的主要作用，也即設(shè)立建筑物能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理服務(wù)器的主要目的，是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分散存儲(chǔ)、集中管理，降低遠(yuǎn)程通信流量，保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸安全，規(guī)避網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，降低省、市兩級(jí)節(jié)能監(jiān)測(cè)管理工作量，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。系統(tǒng)管理服務(wù)器一般設(shè)在建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)控制室（也可與BA控制室合用）。

（2）系統(tǒng)管理服務(wù)器的主要功能

①系統(tǒng)管理服務(wù)器作為上位機(jī)負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)采集器，接收由數(shù)據(jù)采集器發(fā)來的節(jié)能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備監(jiān)控管理信息，并按照分類、分項(xiàng)的原則對(duì)能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成并展示各分類、分項(xiàng)能耗、單位面積能耗、總能耗的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和相關(guān)圖表等。

②系統(tǒng)管理服務(wù)器能檢測(cè)并顯示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)層的運(yùn)行情況，接收和顯示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)層發(fā)送的計(jì)量裝置運(yùn)行狀態(tài)及故障定位信息，具有故障定位、診斷和處理的功能，以及數(shù)據(jù)異常報(bào)警功能等。

③系統(tǒng)管理服務(wù)器負(fù)責(zé)管理維護(hù)能耗監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)庫、能耗統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫。各類數(shù)據(jù)庫信息均不能人為修改及生成。

④系統(tǒng)管理服務(wù)器保持系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘與上級(jí)數(shù)據(jù)中心時(shí)鐘同步，按同步時(shí)鐘自動(dòng)傳輸生成的各類數(shù)據(jù)文件，具有斷點(diǎn)續(xù)傳功能。

3.4 能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件

能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要由數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送模塊組成。系統(tǒng)應(yīng)用軟件應(yīng)提供各計(jì)量裝置的靜態(tài)信息人工錄入功能，可用于設(shè)置各計(jì)量裝置與各分類、分項(xiàng)能耗的關(guān)系，并能靈活配置各計(jì)量裝置的通信協(xié)議、通信通道及裝置名稱、安裝位置等基本屬性。能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件具有友好的人機(jī)交互界面，可實(shí)時(shí)和定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各參量及開關(guān)量狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)。此外，系統(tǒng)應(yīng)用軟件還應(yīng)具備良好的開放性，具有報(bào)警管理、用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)日志生成，以及管理主機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，可自動(dòng)對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份，以防運(yùn)行數(shù)據(jù)丟失。

4 結(jié)束語

大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄建筑物用能狀況，自動(dòng)進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)處理，完成建筑能耗結(jié)構(gòu)、建筑用能效率及建筑節(jié)能潛力數(shù)據(jù)分析，并將相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)送上一級(jí)數(shù)據(jù)中心。大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，需要業(yè)主和廣大設(shè)計(jì)人員的共同努力。能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為大型公共建筑節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)支持，建設(shè)和完善能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)建筑節(jié)能規(guī)劃目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。