某大型博物館建筑能源管理系統的應用分析

代小娟

（中國國家博物館）

1 引言

某大型博物館大樓建筑面積約20萬m2，其中展廳數量48個，文物庫房近 3萬 m2，藏品數量超過139萬件，每年接待觀眾達700多萬人次。不同于其他商業型建筑，博物館建筑集辦公、文物儲藏、展覽及觀眾參觀等多功能于一體，對不同功能區域需要滿足不同的溫濕度及照明亮度。由于建筑各區域需要設置不同的照明模式，空調系統的運行工況也是復雜多樣，特別是文物庫房及溫濕度需求高的展廳更需要24h不間斷運行，使得大樓用能消耗巨大。

為了對大樓能源消耗情況及時跟蹤分析，加強能源管理，進一步節約能源，博物館根據建筑能源分布特點建立能源管理系統，實現了粗放型管理向精細化管理轉變。

2 能源管理系統概況及其構架

2.1 大樓能耗概況

博物館大樓消耗的能源資源種類包括：水、電、熱力及燃氣，主要供能設施包括變配電室、制冷站、熱力站、鍋爐房。特殊用能區域包括文物庫房、展廳。

在配電方面有一個變配電室，由市政電網提供三路高壓進線對博物館大樓供電。在供水方面有兩路總進水，分別為北進水和西進水，其中西進水為備用水源。市政用水均通過這兩路以環網形式進入大樓。在供熱方面，市政熱力管道進入熱力站，熱力站設有冬季空調系統、夏季空調系統（滿足展館房間的恒溫恒濕要求）、低輻射系統、生活水系統及低、高區生活水系統，供暖面積約17萬m2。冬季空調系統主要由4臺冬季循環泵和3臺板式換熱器組成；夏季空調系統主要由2臺循環泵、1臺板式換熱器和1臺冬夏共用板式換熱器組成；低輻射系統主要由兩臺循環泵及兩臺板式換熱器組成。系統末端形式為風機盤管和空調機組。在供氣方面，市政燃氣管道進入鍋爐房后分別供至一號蒸汽鍋爐和二號蒸汽鍋爐。

2.2 能源管理系統搭建基礎

目前，在電計量上安裝了175個電計量監測點，計量涵蓋范圍包括：制冷站、熱力站、消防水泵房、全館所有客梯、扶梯及兩部貨梯、文物庫房空調、四個貴賓廳等重要區域和設備。在水計量上安裝了54個水計量監測點。

在水計量上，北進水和西進水總管道上安裝了4個一級計量監測點，通過環網對全館八個用水分區共安裝了8個二級計量監測點。在鍋爐房、制冷站、熱力站等主要用水設備上共安裝了18個三級計量監測點。同時在建筑樓頂安裝了5個室外環境監測點。

2.3 能源管理系統構架及設計思想

能源管理系統由數據庫服務器、網關、DDC控制器、各種計量監控裝置如電表、水表、燃氣表、溫濕度傳感器等設備組成（見圖1）。

通過現場勘察建筑用能系統，確定電能、水及燃氣的分項,根據儀表終端安裝條件，同時為了各項能耗檢測及分析管理，能源管理系統按照圖2中數據結構進行分類、分區域、分項計量檢測,為分析能耗狀況，選擇節能方案提供依據。

項目自2016年開始實施建立能源管理系統，采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對能源的消耗環節實施集中的動態監控和數字化管理。一共分為三期進行建設，分別為電力系統負荷監控、水資源和燃氣計量監控。目前已完成一期建設，并投入使用。

能源管理系統一期是初步建立能源計量體系和電量計量管理系統，為實時在線考核各級用能指標，對能源管理決策提供給技術支撐。能源管理系統不僅可以從各能耗監測子系統獲取能耗數據，還可集成第三方系統的能耗數據，并提供手抄能耗數據的錄入接口，并提供各種能耗數據分析報表等。

圖1 能源管理系統構架圖

圖2 博物館能源管理系統數據結構圖

3 博物館能源管理系統實現的功能

3.1 數據采集監測功能

1）建立能源監控平臺，配置服務器等硬件設備和能源監控綜合管理軟件，通過采集測試軟件完成能源管理系統的基本功能（數據采集、數據報表等)。例如室外溫濕度、水表、電表及燃氣表的數據采集等。

2）可以集成第三方系統的能耗數據，并從各耗能監測子系統獲取能耗數據。例如實現與樓控平臺和供配電平臺的資源整合及數據共享。

3）提供手抄能耗數據的錄入接口，便于能耗統計分析。例如水費、燃氣費及各時間段的電費等數據。

3.2 數據分析功能

1）可以為用戶提供監測、報表、統計分析工具幫助發現問題，實現對整個系統范圍內的用戶用能情況進行持續的監測，對能耗使用情況進行分析、對能耗數據進行挖掘，以表格的形式進行顯示，同時可以切換成以棒圖、折線等更為直觀的形式進行橫向和縱向比較。

對制冷站、空調系統、照明系統耗能大戶的耗能對比如圖3所示，6月到9月份制冷站總耗電量、空調總耗電量、照明系統總耗電量及總用電量的對比分析圖。可以看出隨著室外溫度的升高，總耗電量及制冷站耗電量也逐漸增加，同時制冷站耗電量占總耗電量的50%左右。而照明系統和空調系統耗電量變化比較平穩。

2）可以生成能耗費用、以及CO2當量報表。通過手動錄入端口輸入電費、水費、燃氣費單價等參數，系統自動生成各項能耗費用報表。同時可以設置查詢某段時間某個區域的耗能情況，并生成圖表便于對比分析。

圖3 重要耗電區域與總耗電量對比分析圖

3）采用IPMVP規范分析和評估節能效果。利用數學模型、預測和分析方法、政策模擬技術對有關數據進行深入的加工處理，分析預測，并根據設定參數進行在線處理，以提高監控數據的應用水平，為控制決策提供支持，根據能耗趨勢進行科學決策和計劃用能。

4）報警提示功能。可以選定時間段、耗能區域及能耗項目等來設定對應的能耗目標，并實時或者Email通知用戶，能耗超標異常等提示預警。

3.3 最終實現目標

通過搭建能源管理系統的硬件和軟件系統，實現對水、電、燃氣和熱力等能源的可視化管理，完善大樓建筑的能源管理體系。

能源監測平臺最終實現能源信息的采集、存儲、管理和利用，明析能源消耗情況；建立分散控制和集中管理機制，改善能源消耗方式，促進節能減排；通過智能化管理館內運行設備，監測能源使用情況，減少故障發生；建立單位能源公示機制，促進考核管理，提高管理效率，降低使用和運行成本；提高系統可靠性，保障供水、供電的連續性，節約能源和改善環境；建立自動化能源數據獲取系統，對能源供應進行監測，以便實時掌握能源狀況，實現能源自動化調控。

3.4 制冷站運行模式案例分析

能源管理系統可以對制冷站、空調系統的不同控制模式下節能效果給出實時準確的數據支持和決策支持等。例如：博物館大樓夏季制冷是通過冷機和蓄冰融冰相結合的方式進行。為了進一步節約能源，利用能源管理系統對制冷站在三種不同控制運行模式下每天產生的電量、成本及CO2進行了對比分析（見圖4），從而選取一種更節能的運行模式。

通過能源管理系統對制冷站在三種方案下的能耗、成本及CO2對比分析，方案2較好，不僅耗能和CO2在中間，而且成本最低（見表1）。

4 結論與展望

圖4 制冷站不同控制模式下電量、成本、CO2對比分析圖

表1 三種方案效果分析表

博物館大樓能源管理系統一期的建立，實現了電力系統負荷的實時采集和存儲；并能通過監測分析電力能源消耗情況，改善能源消耗方式，提高工作效率，降低設備使用和運行成本等。下一步將繼續完成水資源和燃氣的計量監控。能源管理系統的建立，不僅能進一步提高能源的利用率，加強設備運行和能源的管理，降低能源消耗，而且為公共機構節約能源貢獻力量。

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