能源管理系統在大學校園設計中的應用

王紀松

(中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233018)

能源管理系統在大學校園設計中的應用

王紀松

(中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233018)

大學校園是能耗較大的公共建筑，同時也是社會的重要組成部分，是培養人才和促進科技進步的主要力量，創建節能型綠色校園意義重大。

能源管理； 綠色校園； 節能系統

1 項目背景及概述

在國家十二五規劃中，新能源問題及節能減排被提到非常重要的位置，因為它關系到我國可持續性發展的關鍵問題。公共建筑能耗在我國社會總能耗中占有較大比例，具有很大的節能潛力。這其中，高校的能耗比例一直由于各種原因長期居高不下。

隨著國家一系列激勵政策的出臺和順利落實，全國各高校已經充分認識到開展建筑節能工作的重要性，“綠色校園”已成為“和諧校園”建設的重要環節。高等學校是培養人才和促進科技進步的主要陣地，深入開展高等學校節能型校園建設工作，不僅可以促進學校本身的能源資源節約，降低辦學成本，在社會起到示范和帶動作用，還有利于使廣大學生樹立節能環保意識，對我國經濟和社會發展產生深遠影響。

2 項目能源運行管理的現狀與難點

由于高校建筑物運行管理的特殊性，采取開放式、粗放型管理模式的居多，導致其能耗比例一直居高不下，持續增長，高校建筑能耗在整個社會建筑總能耗中的占比逐年增加。集中體現在能源的浪費比較嚴重，比如教學樓、實驗樓、圖書館等建筑的長明燈現象，空調、風扇等用電設備長時間運行；用水地下管網的跑冒滴漏現象等。由于缺乏較為全面的能耗計量，導致這些浪費現象無法得到有效的監測和重視，而缺乏測量數據則自然難以得到有效的管理和改善。

該項目設計的主要目的就是建立簡約型高校建筑節能監控平臺，針對校園內各類建筑物的能源消耗進行分類、分項計量統計，獲取準確、詳細的各類建筑能源消耗的數據，制定各類建筑物合理的用電、用水評估指標體系，發現并減少校園運行管理中的能源浪費現象，實現節能增效。

該項目中的校園占地面積大，建筑種類多、分布區域廣，按照建筑功能主要包括了學院樓、圖書館、教學樓、食堂、游泳池、實驗樓、學生宿舍、服務中心、門診樓、保障樓和室外建筑等。消耗的能源類型也比較多，主要包括電、冷水、熱水、集中供冷等。不同功能的建筑物所消耗能源的特點和規律各有差異，導致對能源運行管理的方式也各有區別。對于學院樓、實驗樓等建筑，一般按照不同的管理單位，如院系等進行能源的計量考核；而對于教學樓、圖書館、服務中心等公共區域，則一般按照細分區域進行能耗的計量考核；學生宿舍是比較特殊的一類建筑，其能耗計量考核一般需要細化到每個宿舍單元。

3 項目實施的范圍與設計的總體要求

該項目的設計工作主要針對校園建筑的用電、用水情況進行全面的計量監測和管理。對于建筑對象，主要分為兩個層面來進行管：一方面是針對學院樓、圖書館、教學樓、實驗樓等建筑對象進行能耗計量監測，安裝對應的電、水消耗的計量表計，根據《國家機關辦公建筑以及大型公共建筑能源管理系統數據采集和傳輸技術導則》和《高等學校校園建筑節能監管系統建設技術導則》中的要求，實現各個建筑對象的分類、分項能耗計量；另一方面針對學生宿舍這一特殊建筑對象，實現針對每個宿舍的耗能計量，同時將能耗計量數據結果作為學生購買宿舍用電、用水的參考依據。

該項目總體的具體設計內容如下：

1)安裝智能電表和水表，對校區內學院樓、圖書館、教學樓等建筑實現分類、分項能耗計量。

2)為學生宿舍樓的每一間宿舍分別安裝電表、冷水表和熱水表，實現對每個宿舍的用電、用水計量。

3)建設一個能源運行管理監控系統，該系統可以實時在線采集所有計量表計的能耗數據，并統計出每一個建筑對象的總用電量、用水量，以及按照國家導則要求的分項用電量，如動力用電、空調用電、照明插座用電和特殊用電。

4)該系統能夠按照指定的計費方案對學生宿舍樓的用水、用電量進行自動計算統計，并提供對應的宿舍能耗賬單供學生查詢了解。

5)系統具備宿舍用電、用水自動監視功能，支持欠費自動斷電功能。系統支持與校園網系統的數據交互，可獲取每個宿舍賬戶的當前剩余可用電量和水量，自動進行實時的檢測，一旦當前用電量超出可用電量，則自動實施遠程斷電。賬戶充值繳費后，由管理人員手工實現送電，電費的充值繳費管理由校園網系統負責完成。

該設計中采用國內比較成熟的校園建筑節能監控平臺系統軟件產品iEEMV 2.1，該系統是基于PecStar V 3.5核心平臺進行軟件研發，充分吸收了PecStar V 3.5系統在數據采集、基礎數據存儲、底層設備的接入以及系統集成方面的靈活性和可靠性，系統采用開放式、模塊化、分層分布式系統架構，支持系統規模的無縫擴容；可快速接入帶通訊接口的各種能源類型的計量監測裝置設備，提供全面的能源數據采集功能，支持電、水、氣以及其他能源類型的消耗數據的在線采集與離線錄入，提供統一的界面進行全能量數據的集中管理。與此同時，該系統還支持將能耗數據按照指定的格式和接口要求定期上傳至省、市級的能源管理數據中心。

iEEM V 2.1系統支持可靈活組態的系統配置以及圖形畫面、報表定制功能，可根據項目具體要求快速建立能源分量計量管理模型以及關鍵的能耗指標參數；提供豐富、美觀的顯示界面實現分類、分項、分戶能耗數據的統計查詢和對比。系統可提供基于C/S和B/S結構的能耗數據展示方式，針對不同管理職能的用戶角色提供2D/3D可視化監測、圖形化的數據展示效果和簡單易用的操作管理功能，具有良好的用戶體驗。針對專職的能源管理用戶，系統還提供各種專業的分析工具來實現能源平衡及損耗分析、能耗指標分析、能耗成本分析和綜合能效評估等高級功能，幫助用戶發掘節能潛力，實現節能管理和節能效果的評估。

iEEM V 2.1系統以真實、準確的分類、分項能耗數據作為基礎依據。通過一系列的功能應用來滿足用戶在日常能源運行管理和能耗數據統計分析過程中的實用型需求，通過這一科學量化的管理工具，幫助用戶逐步調整和完善企業能源運行管理機制，最終實現能源管理模式的轉變：

1)實現能源管理由粗放型管理向精細型管理的轉變。

2)實現能源管理由單體節能管理向系統節能管理的轉變。

3)實現能源管理由事后被動管理向事前主動管理的轉變。

4)實現能源管理由經驗化管理向科學定量化管理的轉變。

4 該項目具體設計采用的系統結構與配置

該設計中的系統采用開放性、分層分布式的模塊化系統架構，主要分為系統主控層、通信管理層和現場設備層三個層次來實現系統組成結構。通過現場總線將各個建筑物內部的電表、水表等計量表計進行連接，匯總到區域的能耗數據采集器中后，通過光纖網絡實現區域數據的集中，統一在主控層監測管理系統的數據庫中進行存儲，由系統軟件提供各類功能應用和統計數據的展示，并實現與校園網系統(含BA系統、智能照明系統、路燈智能控制系統、OA系統和一卡通數據系統等)的數據交互，同時將校區的分類、分項能耗計量數據自動上傳至省、市級的能耗數據中心。

4.1 系統總體組成結構

該項目設計能效管理系統的組成結構，見圖1。

該項目EEMsys能效管理系統采用雙機單網結構，采用星型網絡拓撲，在每個監測對象所在區域，根據接入表計的數目分別設置一臺或多臺能耗數據采集器完成本區域的電、水能耗數據的采集和匯總，通過校園智能網絡將各個監測區域的能耗數據采集器匯總傳輸至能源管理中心，保存到系統的數據庫中。能源管理系統除了提供各類軟件功能應用之外，還提供與校園網交互訪問的接口，確保授權用戶可通過校園網通過Web方式訪問本系統，與此同時本系統還提供專門的數據上傳接口，用于將校園能耗數據按照分類、分項要求上傳至省、市級能源管理中心。

系統主控層：即能源管理系統的數據中心和運行管理中心，主要完成所采集各類能耗數據的匯總存儲和展示，提供多種軟件功能應用滿足用戶日常能源管理和數據分析的需求。主要包含一臺數據庫服務器、兩臺Web應用服務器、三臺能耗數據采集監測服務器和一臺通訊服務器等輔助設備，為了保證能耗數據采集監測的完整性，該項目采用雙機熱備的配置。

通信管理層：主要完成現場設備層所采集的各類能耗數據從設備裝置內部至系統主控層數據庫服務器中的網絡傳輸管理，主要包含能耗數據采集器、光纖以太網轉換器、以太網交互機、M-BUS轉換器等網絡通信管理設備以及光纖、以太網、總線、無線網絡等傳輸介質。

現場設備層：主要由分布在所監測區域，如教學樓、宿舍、圖書館等的智能電表、智能水表等設備組成，實現各個用電回路或用水管道的數據采集、監測、通訊和遠程傳輸。

4.2 設備層能耗計量設備配置

該項目設計中涉及的能耗計量設備主要包括智能電表和智能水表，均配備通訊接口，支持在線數據采集和監測。根據所監測區域和對象的用能特點不同，對于表計的配置方式也不同，大致可分為兩種配置類型：

1)學生宿舍是本項目的重點監測和管理對象，要求針對每個單元分別進行電、水的計量。電表采用RS 485接口。

2)學院樓、圖書館、教學樓、食堂、游泳池、實驗樓、服務中心、門診樓、保障樓和室外等建筑對象也需要監測電、水兩類能源，但是監測的細化程度不需要像學生宿舍那么詳細。該項目主要要求實現對建筑物總體、各個樓層以及重要區域的分類、分項能耗計量即可，水表的數量相對較少，主要用于計量每個樓層的衛生間用水即可。電表采用RS 485接口，水表同樣為了采購和安裝的一致性，推薦采用M-BUS接口的智能水表。

4.3 通信層系統集成與組網配置

該項目中的系統網絡通信部分主要采用星型網絡拓撲結構，使用基于光纖網絡進行各個建筑物之間的互聯。主要從網絡傳輸層和現場總線層兩方面來考慮配置的實現：

1)網絡傳輸層：通過在每個監測建筑對象內部合理配置能耗數據采集器，完成針對本建筑物內的所有電、水表計的數據采集和匯總，并通過能耗數據采集器的上行以太網接口完成本建筑物監測數據向能源數據管理中心的傳輸匯總。通過配置交換機與智能網絡連接，將能耗數據采集器的數據通過智能網絡傳輸。該項目可直接基于校園網已有的以太網網絡進行傳輸，充分利用現有的網絡通道，可以將能耗數據采集器直接接入到校園網中的以太網交換機。

2)現場總線層：現場總線主要是指將設備層的表計通過總線組網互聯然后接入到能耗數據采集器下行接口部分。根據總線類型的不同，可以分為RS 485串行總線和M-BUS串行總線兩種。RS 485總線主要負責完成電表的組網連接；而M-BUS總線則主要負責完成水表的組網連接，由于能耗數據采集器下行接口為RS 485接口，因此需要在M-BUS總線所在通道配置M-BUS轉RS 485的專用轉換器，完成轉換后即可將水表所在計量回路接入到能耗數據采集器下行接口。水表由于安裝位置的分散性，考慮采用M-BUS總線，無需額外增加電源模塊，直接通過M-BUS的通訊線即可實現供電和通訊的雙重功能。

5 實現的功能

該項目中能效管理系統通過軟件系統和硬件系統兩部分的相互配合，通過對系統配置的組態定制，建立了針對與該項目實際管理需求的能源分項計量管理模型，確保構建的能耗分類、分項、分區域計量對象的組織結構最大程度地保持與項目實際能源管理和考核要求一致性。系統提供一系列專用的能耗計量管理節點用于從不同的層次和角度來滿足能源管理與分析的需求，如能源管理分區節點、計量節點、計費節點、損耗節點、設備節點、綜合能源管理節點等。主要實現了以下功能：

1)校園建筑物對象分類、分項能耗計量監測。該系統實現了對于校園內各類建筑物的用電、用水狀況的在線計量監測，可實時統計出每棟建筑物、建筑物每一層樓以及重要區域的詳細用電量、用水量的數據。針對用電數據，可分項統計出動力、空調、照明插座和特殊用電的消耗量和占比情況，幫助管理者詳細地了解和掌握當前校園內能源分布和消耗的準確情形。同時，支持按照指定的數據格式，將校園總用能以及各個建筑物用能的分項計量數據自動上傳給省、市級的能耗數據監測中心。

2)學生宿舍用電、用水在線計量及預付費管理。該系統提供了專門針對學生宿舍用能計量監管和用能費用賬單管理的分戶計量和預付費管理功能。該功能可實現學生宿舍用電、用熱水、用冷水量實時數據采集和自動抄表，統計每個學生宿舍的分類用量，并自動完成電費、水費的計費統計，定期生成每個宿舍單元的用量費用賬單。通過與校園網系統的數據交互，系統可獲取每個學生宿舍預先購買的可用電、水量，自動進行剩余可用電量、水量的監測。一旦發現剩余電量、水量不足則實現剩余電量、水量不足的短信提醒；如果監測到當前用電量、用水量超限，則實現自動斷電、停水。綜合考慮項目具體情況，對于學生宿舍用電，實行欠費自動斷電、賬戶充值繳費后通過人工方式送電的方法；對于學生宿舍用水，包括冷水和熱水，只對用水量進行實時計量監測，暫不實行欠費自動停水的方法。

3)校園節能監管與能效指標統計分析。該系統不僅能夠實現能耗在線采集、計量監測功能，還提供更高層面的節能監管和能效分析的功能應用，幫助系統運營管理者更加準確、合理的管理校園的能源利用。通過對不同建筑物用能量和用能狀態參數的實時監視，可分析其實際耗能量與用能規律和特點是否保持一致，比如通過能源平衡分析可以快速發現用能過程的中跑、冒、滴、漏現象；通過能耗趨勢分析和用能時段對比，可及時地發現異常用能的情況，如教學樓的長明燈；通過能源定額管理和用能超標預警，可以逐步完善和優化辦公樓、教學樓的用能管理制度，培養良好的節能意識和用能習慣；通過設置建筑對象的能效指標來合理的評估建筑用能的水平，如單位建筑面積耗能、人均耗能、學生宿舍人均耗能等；通過對該類指標進行對比分析，可尋找出用能效率偏低的對象和區域，進行重點的管理和節能改造。

6 結 語

通過該項目中實施的能源管理系統，最終實現了各種能耗的在線分類、分項、分戶計量、節能控制、能源質量監測等功能，對整個校園的能源管理和能耗降低起到很大的作用，充分響應了國家建設綠色校園的號召。同時，隨著國家節能政策的推進和綠色和諧社會的發展，能源管理系統將會在各種大型公共建筑中得到更加廣泛的應用并起到越來越重要的作用。

[1] GB/T 50378—2006，綠色建筑評價標準[S].

[2] GB 50189—2005，公共建筑節能設計標準[S].

[3] JGJ/T 229—2010，民用綠色建筑設計規范[S].

[4] GB/T 23331—2012，能源管理體系要求[S].

Application of Energy Management System in University Campus Design

WANG Ji-song

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd，Bengbu 233018，China)

University campus is a kind of public building with large energy consumption，and it is also an important part of society. As the major force of higher education and the progress of science and technology, it is very important to create energy-saving green campus.

energy management; green campus; energy-saving system

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.018

2014-10-30.

王紀松(1976-)，高級工程師.E-mail:wjs@ctiec.net