某辦公建筑節能監測系統設計及應用

文｜山東省建筑設計研究院 任立全

北京泰豪智能工程有限公司 程元明

山東建筑大學信息與電氣工程學院 李 輝

1 引言

當前國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗巨大，對此，近年來國家對建筑節能工作已提出了一系列的要求及實施意見，要求建立國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測體系，通過對國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗進行動態的實時監測、能耗統計、能源審計、能效公示等手段，加強大型公共建筑和政府辦公建筑的節能管理，建立節能運行管理制度，為國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能改造提供數據支持，實現建筑節能規劃目標。目前，建筑能耗監測系統的建設工作已在我省全面展開，并于2011年制定出版山東省工程建設標準《公共建筑節能監測系統技術規范》，國家機關辦公建筑和大型公共建筑均應設置建筑物節能監測子系統。在此，本文主要介紹辦公建筑節能監測系統的具體設計及應用。

2 工程概況

本工程為山東省某新城企業總部群辦公樓項目，地上主體建筑十七層，地下二層；建筑主體高度為74.7m。其中一層為大堂，二層為商務中心和會議室，三層以上為辦公室等。地下兩層分別為10kV分變配電所、消防水泵房、制冷機房、立體車庫、風機房、值班室等。裙房為兩層商業建筑。總建筑面積為39897m2，屬于一類高層建筑。

3 節能監測系統的組成

節能監測系統是指通過在建筑物內安裝分類和分項能耗計量裝置，實時采集建筑能耗數據，并具有在線監測、數據處理及數據遠傳功能的軟件和硬件系統的統稱[1]。全省建筑節能監測系統是由各監測建筑內的節能監測子系統、市級數據中心省級數據中心以及網絡通信與信息安全設施組成。

（1）建筑物節能監測子系統

建筑物節能監測子系統設立在被監測建筑（建筑群或園區）內，具有數據采集、數據處理、網絡通信等功能，能自動保存實時監測到的建筑能耗原始數據，并能按監管體系的要求自動完成相應的數據統計和能耗分析工作。該子系統具有將建筑能耗原始數據和分析統計數據自動上傳到上一級數據中心的功能，也能按指令要求傳輸任意時段的統計數據。設立建筑物節能監測子系統有利于數據分散存儲、集中管理、降低系統風險及網絡數據流量，緩解網絡通信壓力，減輕省市兩級數據中心的工作量。

（2）市級數據中心

城市數據中心應能自動接收并存儲來自本轄區內各建筑物能耗監測系統上報的節能監測數據，按建筑節能監管體系要求統計匯總本轄區內建筑能耗各類監測數據，生成各類統計報表及分析報告，并將能耗信息定時自動上傳到省級數據中心。

（3）省級數據中心

省級數據中心負責接收和存儲各城市數據中心上傳的能耗監測信息，對上傳能耗數據進行匯總和統計分析，生成全省建筑能耗統計分析數據及相關報表。按建筑節能監管體系的要求定時完成信息上報和信息發布。

4 建筑物節能監測系統的設計組成

建筑物節能監測系統是能耗監測系統的末端子系統，一般由能耗計量裝置、數據采集器、網絡通信設備構成，大型公共建筑（建筑群或園區）應設置系統管理服務器和建筑節能監測控制室。本建筑節能監測控制室與BA控制室合用。建筑物能耗在線監測系統結構框圖如圖1所示。

圖1 建筑物能耗在線監測系統結構框圖

4.1 理想的電量分項能耗模型

建筑物能耗監測系統具有數據采集、數據存儲、數據處理以及系統管理、系統運行狀態監控和故障診斷功能，能夠將其建筑物內的各類能耗數據進行分類統計，并具有上傳至上一級數據中心的能力。其中，分類能耗是指根據國家機關辦公建筑和大型公共建筑消耗的主要能源種類劃分進行采集和整理的能耗數據，如電、燃氣、水等。分項能耗是根據各類能源的主要用途劃分進行采集和整理的能耗數據，如電量分項能耗包括照明插座用電、空調用電、動力用電及特殊用電。電量分項能耗模型如圖2所示。

圖2電量分項能耗模型是一個比較理想的模型，是能耗監測系統的重要設計依據。但在工程設計中也往往有所變化，如空調末端（分機盤管）、小容量新風換氣機等并不在空調配電中，大多數包含在照明插座配電系統里。

圖2 公共建筑能耗監測電量分項能耗模型

圖3 辦公建筑能耗監測電量分項能耗模型

4.2 本辦公建筑的主要用電負荷及電量分項能耗模型

（1）本辦公建筑的主要用電負荷等級分類

一級負荷：走道照明、客梯用電、排污泵用電、生活水泵用電、機械停車設備用電、電子信息機房、消防控制室、火災自動報警及聯動控制裝置、火災應急照明及疏散指示標志、防煙及排煙設施、自動滅火系統、消防污水泵及其電動防火卷簾、消防電梯等消防用電。

二級負荷：中水系統用電。

三級負荷：不屬于一、二級的負荷，如一般電力、照明、通風空調等用電負荷。

（2）電量分項能耗模型

電量分項能耗既要把各類能耗統計出來，還必須滿足規范要求，明確各類能耗的負荷等級，滿足負荷供電要求。本建筑節能監測系統主要依據上述電量分項能耗的理想模型，根據工程實際做出相應的調整，其中照明插座用電主要包括室內辦公照明、插座及風機盤管、走廊普通照明、應急照明、夜景照明；空調用電主要為制冷機房設備用電，包括冷水機組、冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔風機和熱循環泵等；動力用電及特殊用電也略做調整，調整后的分項能耗模型如圖3所示。

4.3 能耗計量及傳輸裝置

（1）電能表

能耗監測系統中使用的電能表應具有監測和計量三相（單相）有功電能和有功功率或電流的功能；使用的多功能電能表至少具有監測和計量三相電流、電壓、有功功率、功率因數、有功電能、最大需量及總諧波含量等功能。電能表均具有數據遠傳功能，至少具有RS485標準串行電氣接口，采用MODBUS標準開放協議或符合《多功能電能表通信協議》DL/T 645中的相關規定。電能表精確度等級不低于1.0級，配用電流互感器的精確度等級不低于0.5級。

（2）數據采集器

數據采集器是一種采用嵌入式微計算機系統的建筑能耗數據采集專用裝置，具有數據采集、處理、存儲、傳輸以及現場設備運行狀態監控和故障診斷等功能。系統硬件主要包括微處理器、I/O接口、人機接口及通信接口四部分；軟件部分主要由監控程序和功能執行程序組成。數據采集器應具有以下功能：

①根據上位機或數據中心命令采集和主動定時采集兩種模式，定時采集周期可從5分鐘到1小時靈活配置。

②應支持對不同用能種類、不同品牌的計量裝置進行數據采集，包括電能表及熱量表等。

③應配置不小于256MB的專用存儲空間，存儲能耗數據30天。

④數據傳輸前應對數據包進行加密處理，應采用AES加密和MD5身份認證機制。

⑤具有本地配置和管理功能，支持接受來自數據中心的查詢、校時等命令。

另外，嚴禁在數據采集器上設計后臺程序，使數據采集器受到非法遠程控制或私自遠傳數據包到其他服務器。

4.4 建筑物能耗監測系統存儲管理服務器

（1）系統管理服務器的主要作用

設立建筑物能耗監測系統管理服務器的主要目的是為實現建筑節能監測數據分散存儲、集中管理，降低遠程通信流量，保障數據存儲和傳輸安全，規避網絡風險，降低省、市兩級節能監測管理工作量，提高網絡運行效率。系統管理服務器設在建筑節能監測控制室。

（2）系統管理服務器的主要功能

①系統管理服務器作為上位機負責管理數據采集器，接收由數據采集器發來的節能監測數據和設備監控管理信息，并按照分類、分項的原則對能耗監測數據進行統計分析，生成并展示本建筑各分類、分項能耗、單位面積能耗、總能耗統計數據和相關圖表等。

②系統管理服務器能檢測并顯示系統監測層的運行情況，接收和顯示系統監測層發送的計量裝置運行狀態及故障定位信息，具有故障定位、診斷和處理功能，以及數據異常報警功能等。

③系統管理服務器負責管理維護能耗監測原始數據庫、能耗統計分析數據庫及系統運行數據庫。各類數據庫信息均不能人為修改及生成。

④系統管理服務器保持系統運行時鐘與上級數據中心時鐘同步，按同步時鐘自動傳輸生成各類數據文件，并具有斷點續傳功能。

4.5 能耗監測系統應用軟件

能耗監測系統應用軟件主要由數據采集、處理和發送模塊組成。系統應用軟件應提供各計量裝置靜態信息人工錄入功能，設置各計量裝置與各分類、分項能耗的關系，并能靈活配置各計量裝置通信協議、通信通道及計量裝置名稱、安裝位置等基本屬性。能耗監測系統應用軟件具有友好的人機交互界面，可實時和定時采集現場設備各參量及開關量狀態，并將采集到的數據上傳給數據中心存儲。此外系統應用軟件還應具備良好的開放性、具有報警管理、用戶權限管理、系統日志生成，以及管理主機數據存儲、統計功能，自動對應用數據庫進行備份，以防運行數據丟失。

能耗節能監測系統主要包括用電總覽、分項能耗、對比分析、支路數據、實時數據、抄表數據、建筑信息、系統管理等8個方面的功能展示。圖4、圖5、圖6、圖7是某辦公建筑能耗節能監測系統應用軟件系統部分功能截圖。

圖4 節能監測系統“用電總覽”圖

圖5 節能監測系統“分項能耗”圖

圖6 節能監測系統“對比分析”圖

圖7 節能監測系統“抄表數據”圖

5 結束語

建筑能耗監測系統能夠實時記錄建筑物用能狀況，自動進行能耗數據處理，完成建筑能耗結構、建筑用能效率及建筑節能潛力數據分析并將相關統計數據報送上一級數據中心。建筑能耗監測系統的建設是一個長期的過程，需要業主、設計人員以及系統集成商的共同努力，能耗監測系統為大型公共建筑節能改造提供數據支持，為實現建筑節能規劃目標奠定堅實的基礎。參考文獻

1 DBJ/T14-071-2010.公共建筑節能監測系統技術規范[S].2010

2 住房和城鄉建設部.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.2008

3 住房和城鄉建設部.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傳輸技術導則. 2008

4 上海現代建筑設計（集團）有限公司.建筑節能設計統一技術措施（電氣）[M].北京：中國建筑工業出版社，2009