建筑能源管理系統的設計及應用

談宏飛，秦俊寧，顏立，張建民

（國網浙江浙電節能服務有限公司，杭州310014）

建筑能源管理系統的設計及應用

談宏飛，秦俊寧，顏立，張建民

（國網浙江浙電節能服務有限公司，杭州310014）

介紹建筑能源管理系統的必要性，分析某實驗室建筑能源管理系統的需求，提出了綜合應用無線通信技術、動態組網技術及數據挖掘技術的建筑能源管理系統方案，并詳細介紹了系統的架構、功能和特點。該系統采用900 MHz頻段的無線通信，提供了數據可視化、數據挖掘分析等功能，為實驗室管理人員實現科學的節能管理，提高能源利用效率提供數據支持。

能源管理；無線通信；900 MHz頻段；數據挖掘分析

0 引言

隨著我國經濟水平的提高，能源供應日趨緊張，建筑高能耗的問題日益突出，據統計，目前建筑能耗在我國能源總消費中所占比例已高達27.6%，綜合能耗為發達國家的3倍[1]，而且90%以上為高耗能建筑[2]，節能潛力很大。據統計分析，如果對公共建筑按節能50%的標準進行改造，總的節能潛力約為1.35億t標準煤[3]，以上海為例，僅2000年，上海市公共建筑的節能潛力合計達到了1999年上海市總能耗的18.27%[4]。對企業而言，當前能源費用呈上升趨勢，能耗成本在企業成本中所占比例越來越大。如何通過技術化手段建立科學的能源監控和管理模式，對企業的經營發展和提高經濟效益具有重要意義[5]。

建筑運行能耗數據是開展節能工作重要的基礎，建筑節能要以數據為依據。國家相關文件也明確指出，需要加強高耗能企業的能源監管體系建設，利用現代化技術手段，大力推進高耗能企業能耗在線監測平臺的建設，實現對重點用能設備的能耗動態監測，是加強高耗能企業節能運行管理，建立和完善能效測評、能耗統計、用能定額、節能服務等制度的重要基礎性工作。Herzog的研究表明，通過能源管理系統可在很少投入的基礎上節約10%～25%的能耗[6]，即通過對建筑用能系統的合理化操作維護可以實現建筑節能的目的[7]。

針對上述問題，提出了綜合應用有線/無線通信技術、動態自組組網技術、數據挖掘技術的建筑能源管理系統，該系統以建筑能源監測管理為重點，通過對能源信息與設備信息的采集、基礎分析展示與高級應用分析，實現能源信息的可視化監測、能耗數據管理、系統運行監視，為建筑能源監測管理體系提供技術支撐，為建筑運行提供能源與運行監視手段，為管理決策部門提供管理決策依據。詳細介紹該系統在上海某企業高耗能實驗室的應用，并針對系統特點，簡單介紹了另外2個應用案例。

1 實驗室概況

某實驗室位于上海市徐匯區某大樓的裙房，上下2層，建筑面積約為4 000 m2，配有28臺恒溫恒濕箱，用于檢驗電子產品、電子元件在濕熱環境下的性能指標。據實驗室管理方透露，該實驗室1年的用電量約為550萬kWh，屬于高耗能實驗室，其配電系統的配電結構如表1所示。

表1 實驗室配電結構

實驗室管理方具體需求為：監測一/二/三級配電箱開關點位的電流、電壓、電量等相關參數，其中PG-M，PG-M1，PG-M2 3個一級開關點位位于獨立配電房中，OR1-OR6 6個二級開關點位位于實驗室一樓，28個三級開關點位中的20個位于一樓，8個位于二樓。

2 實驗室建筑能源管理系統

2.1 系統架構

實驗室建筑能源管理系統由現場設備層、數據傳輸層、系統應用層組成，如圖1所示。

（1）現場設備層：現場9個一、二級配電開關點位裝有帶RS-485接口的多功能數顯表，通過加裝MESH采集模塊采集并保存對應點位的用能數據；現場28個三級配電開關點位原沒有采集計量表計，通過加裝導軌表和MESH采集模塊，采集并保存各用能設備的用能數據。

（2）數據傳輸層：數據傳輸層主要是由RS-485總線網絡、MESH采集模塊、思科柱狀路由器、無線通信網絡組成，該層是數據信息交換的橋梁。數據傳輸層分為下層傳輸和上層傳輸：下層傳輸即現場采集的用能數據通過MESH采集模塊實時傳輸到柱狀路由器，采用900 MHz頻段無線傳輸方式；上層傳輸為柱狀路由器到服務器之間的通信，采用光纖有線的傳輸方式。

（3）系統應用層：系統應用層對采集的現場各類數據信息進行建模、計算、分析與處理，依托各種能耗分析模型，對設備的能耗進行綜合評價，利用圖形、表格等方式直觀展現現場能耗狀況，并出具各類能耗統計報表。

（4）軟件運行環境：操作系統為Redhat Linux企業版；數據庫采用Oracle。

圖1 系統架構

2.2 系統功能

如圖2所示，系統共有5個應用類，其中3個為前臺應用類，包括我的空間、能耗管理、運行管理；2個為后臺應用類，包括信息維護、系統管理，系統共13個應用功能項。

2.2.1 前臺功能-我的空間

（1）賬戶管理：為用戶提供賬戶密碼修改，賬戶信息修改功能。

（2）站內消息：為用戶提供站內設備告警信息與異常信息的彈出告警。

2.2.2 前臺功能-能耗管理

（1）能耗監測：實時監測每一級配電開關點位的電壓、電流、功率、電量等運行參數。

（2）能耗統計：允許有瀏覽權限的用戶對每一級配電設備的能耗數據及總能耗進行展示，包括表格、餅圖、折線圖、柱狀圖形式，相應的時間尺度包括：按小時、按天、按月、按年。

（3）能耗對比：展示當前每一級配電設備的能耗數據及總能耗數據與去年同期能耗的同比及與上月同期能耗的環比情況。

圖2 系統功能

2.2.3 前臺功能-運行管理

（1）設備告警管理：系統可對每一級配電設備監測到的各項參數設定閥值，并根據采集到的能耗數據進行判定，以聲光、短信、郵件、推送站內告警信息等方式進行告警提示，用戶對告警信息進行確認、清除或處理，當故障排除或處理后，可消除告警，將告警歸入歷史庫，提供告警信息查詢功能。

（2）運行日志管理：對數據采集情況和設備告警情況進行記錄和展示，用戶可查詢最近一年的運行日志。

（3）運行報表管理：用戶可以查看告警、能源消耗等報表并支持導出和打印功能。

2.2.4 后臺功能-信息維護

（1）設備信息維護：包括配電設備、采集設備、計量設備信息的建檔、錄入、刪除、查詢。

（2）報表維護：用戶在該模塊中定義、修改和查看報表模版。

2.2.5 后臺功能-系統管理

用戶可在該模塊對組織機構、人員、角色、權限和系統資源等進行配置。

2.3 系統特點

本項目采用集成思科通信芯片的MESH采集模塊（自行研發生產）和思科的柱狀路由器，計量表計和MESH采集模塊集中安裝，MESH采集模塊和思科柱狀路由器之間采用900 MHz頻段無線通信，此通信頻段和手機相同，通信距離可達1 km，隔墻通信也很穩定，避免了布線帶來的破壞裝修、人工費用高及通信不穩定等問題。經過經濟性分析，此項目采用該形式比常規有線通信形式可節省約30%的經濟支出。

3 系統其他應用案例

3.1 案例1

海寧市供電公司辦公大樓共15層，地下1層，地上14層，總建筑面積為9 510 m2。在此樓加裝建筑能源管理系統，對其能耗進行采集、計量、展示、分析，依據業主方需求，照明插座用電分項采集空間顆粒度需要做到分層，其中12樓要做到分房間，由此帶來以下問題：

（1）采集終端安裝在低壓配電室（以下簡稱低配室），與表計的通信距離遠，而且由于低配室在地下室，通信信號較差。

（2）各樓層和12樓房間都已裝修，安裝計量表計及RS-485線需要破壞原有裝修。

（3）每層的照明插座配電箱和管道井分別位于樓層的兩側，距離較遠，RS-485線安裝工程量較大。

海寧市供電公司大樓建筑能源管理系統針對照明插座用電分項采用MESH采集模塊采集、無線通信的方式，在低配室布置思科柱狀路由器，每層及12樓各個房間的照明插座配電箱安裝計量表計和MESH采集模塊，MESH采集模塊自主組網，與柱狀路由器進行無線通信，很好地解決了以上3個問題。大樓其他用電分項的計量直接在低配室的回路上安裝計量表計，通過RS-485線與采集終端連接，實現有線通信。

自2014年11月系統投入運行以來，采用有線通信方式的其他用電分項采集不穩定，有數據中斷的現象發生，但采用MESH無線通信方式的照明插座用電分項采集穩定，未發生任何問題。通過經濟性分析，照明插座用電分項采用有線通信的方式比MESH無線采集方式初期多投入3萬。通過與大樓前3年的平均能耗對比分析，應用本系統后，該大樓能耗降低了8%。

3.2 案例2

海鹽縣供電公司辦公大樓主樓共15層，建筑面積為12 217 m2，輔樓5層，建筑面積3 812 m2，有單獨的低配室和空調主機房，距離主樓和輔樓約80 m。在該樓加裝建筑能源管理系統，對

4 結語

基于MESH 900 MHz無線通信的建筑能源管理系統為科學用能、合理用能、節能管理提供支持平臺，為建筑管理人員提供決策支持，實現節能工作的科學管理及能源效率的持續改進，值得大力推廣應用。

[1]清華大學建筑節能研究中心．中國建筑節能年度發展報告2007[M]．北京：建筑工業出版社，2007.

[2]潘文玉，高陽．淺談辦公建筑的節能改造[J]．建筑安全，2007（7）∶59-61.

[3]江億．我國建筑能耗狀況及有效的節能途徑[J]．暖通空調，2005，35（5）∶25-27.

[4]倪德良．上海公共建筑節能潛力分析[J]．能源技術，2002，23（3）∶14-16.

[5]田樹靜．論能源計量在企業節耗中的作用[J]．中國科技縱橫，2010（12）∶271.

[6]HERZOG.P Energy-efficient Operation of Commercial Buildings[J]．McGraw-Hill，1997.

[7]張世典，楊謙柔，蔡必超．辦公建筑能源管理作業之研究[C]．臺北：建筑物能源管理技術研討會，2003.

（本文編輯：徐晗）

Design and Application of Energy Management System for Building

TAN Hongfei，QIN Junning，YAN Li，ZHANG Jianmin
（State Grid Zhejiang Energy Saving Company，Hangzhou 310014，China）

By introducing the necessity of building energy management system，the paper analyzes the needs of energy management system for laboratory building.The paper presents an energy management system solution for laboratory building that integrates wireless communication technology，dynamic networking technology with data mining technology；in addition，it elaborates on framework，functions and characteristics of the system.The system adopts 900 MHz wireless communication and has functions such as data visualization，data mining and analysis，etc；it can provide laboratory management personnel with data support for scientific energy saving management and energy utilization efficiency improvement.

energy management；wireless communication；900 MHz band；data mining and analysis

F416.61

：B

：1007-1881（2016）02-0068-04

2015-11-10

談宏飛（1987），男，碩士研究生，主要研究方向為建筑節能及新能源開發與利用。