基于 C# 語言的能源監控平臺在綠色建筑中的設計及應用

楊愛明，胡晉維

（1.寧波大學建筑設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2.寧波東源節能科技有限公司，浙江 寧波 315000）

綠色建筑的能源系統主要包括暖通空調系統、電氣系統、給排水系統等。由于綠色建筑具有節能、高效的特點，所以對可再生能源的利用及再生水的使用均具有一定的要求。這部分能源系統一般包括地源熱泵系統、太陽能熱水系統、空氣源熱泵熱水系統、雨水回用系統、太陽能光伏系統等。但若在設計、施工及運營過程中出現偏差，缺乏一個統一的、多維的管理運營平臺，常會造成新技術、新工藝的簡單堆砌，達不到綠色建筑需求的節能效果。

基于 C# 語言的能源監控平臺是一個綜合利用計算機網絡技術、數據庫技術、通信技術、自動控制技術、新型傳感技術等的綜合智慧管理平臺。其可對空調設備、各種電氣設備、給水系統等實行智能化管理且可對各項能耗數據進行統計分析，可使各種新技術、新工藝能與綠色建筑的功能需求形成一個有機的整體，實現真正意義上的綠色建筑。

1 概 況

寧波大學科技服務大樓為浙江省寧波市首個獲得綠色三星運行標識項目，總建筑面積約為 1.2 萬 m2，其中地下1F 為 0.2 萬 m2，地上為 1.0 萬 m2。

能源監控平臺部署于大樓1F 消控室，通過接入相關監控設備及能耗采集設備實現以下功能。① 電量分項計量系統。② 水量分項計量系統。③ 地源熱泵中央空調智能監控系統。④ 地下室車庫 CO 智能監控系統。⑤1F 活動室 CO2智能監控系統。⑥ 太陽能光伏發電遠程監測系統。⑦ 中水能耗監測系統。⑧ 太陽能預熱+風冷熱泵能耗監測系統。

2 平臺架構

能源監控平臺提供了一種以計算機技術為基礎、基于遠程集中管理監控模式的自動化、智能化和高效率的技術手段。其由現場數據中心處理工作站、PLC 采集控制器及各類傳感器、執行機構組成，應用“互聯網+”、虛擬化、大數據等技術，以 C/S 框架作為整個系統的開發架構，能夠完成遠程監控、數據分析存儲、故障實時報警的網絡系統。

能源管控平臺的結構為以下3個層次[1]。

（1）現場層。負責采集儀表數據和監控各類設備。如遠傳電表、遠傳水表、溫度傳感器、壓力傳感器、CO 傳感器、CO2傳感器、新風機組、水源多連主機、水泵等。若設備點位類型為 DI/DO 或 AI/AO，則將對應點位接入采集控制器后輸入串口服務器，若設備集成數據遠傳功能，則直接輸入串口服務器，利用光纖傳輸給自動化層。

（2）現場管理層。通過光纖轉換器轉換成485總線接入工作站，從而實現工作站對現場層的監控。工作站對現場設備監控和數據采集記錄分析。平臺采用最新的三層架構，即前臺操作、后臺服務處理及數據庫服務。前臺和后臺都是采用主流 C# 語言作為開發工具，數據庫采用 SQL Server。

（3）遠程監控層。基于云服務器及互聯網，通過遠程監控平臺對多個項目的運行情況進行實時監控，一旦發現問題，可由專家遠程指導現場管理人員工作。

3 軟件設計

3.1 軟件整體架構

軟件采用3層架構[2]，分別為表現層（UI）、業務邏輯層（BLL）、數據訪問層（DAL）。表現層主要實現與用戶的交互，接收用戶請求或返回用戶請求的數據結果的展現，而具體的數據處理則交給業務邏輯層和數據訪問層去處理。業務邏輯層承上啟下，用于對上下交互的數據進行邏輯處理，實現業務目標。數據訪問層用于實現與數據庫的交互和訪問，從數據庫獲取數據或保存數據到數據庫的部分。

3.2 軟件實現串口通信代碼節選

4 能源監控平臺現場設計方案和分析

4.1 能源監控平臺網絡架構

能源監控平臺選用工控機與采集控制器、電表、水表進行通信，采集現場的水、電、傳感器等能源信息。再將這些動態能源信息存入數據庫并以報表、圖表等形式在平臺上進行展示。

4.2 現場設計方案制定和實施

4.2.1 現場設備信號分析

（1）遠傳電表。這是智能電網數據采集的基本設備之一，承擔著原始電能數據采集、計量和傳輸的任務，是實現信息集成、分析優化和信息展現的基礎。本次選用遠程電表支持 MODBUS-RTU 通信協議。

（2）遠傳水表。一種利用現代微電子技術、現代傳感技術對用水量進行計量并進行用水數據傳遞及結算交易的新型水表。本次選用遠程電表支持 MODBUS-RTU 通信協議。

（3）采集控制器[3]。采集控制器選用三菱可編程邏輯控制器，是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。采用一種可編程的存儲器，在內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。同時支持 MODBUS-RTU 通信協議。

4.2.2 數據通信和傳輸方式

工作站和現場設備之間采用 MODBUS-RTU 通信協議傳輸[4]。MODBUS 是一種串行通信協議，由 Modicon 公司于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發表。MODBUS 已經成為工業領域通信協議的業界標準，還是工業電子設備之間常用的連接方式。

5 節能優化

在實施能源管控平臺的過程中，根據項目特點及綠色建筑的要求，對原設計進行了優化調整。其既提高了能源利用效率，又有利于能源系統的管理。

5.1 節能優化措施

（1）優化照明燈具控制。① 走廊燈根據室內照度自動加減載開燈數量；路燈根據室外照度自動開關。② 室內燈根據各使用情況，設定自動關燈時間段，避免忘記關燈帶來能源浪費。

（2）優化中央空調控制[5]。① 將水泵控制調整為根據供回水主管溫差加減載水泵數量及變頻控制。② 根據室外溫度，調整末端允許設定的最高/最低溫度。③ 根據各房間使用情況，設定自動關閉末端風機盤管時間段，避免因忘記關空調帶來能源浪費。

（3）優化用水異常預警。當用水量異常時報警，避免不必要的用水浪費。

（4）實現對實時監測數據的統計分析。若發現用能異常，調整運行及管理策略，達到降低能耗的目的。

5.2 運行能耗數據及分析

平臺實施完成后，系統運行良好，對大樓2019年的運行能耗進行了分項統計，結果如表1所示。其用電量曲線圖及用電量分項占比如圖 1、圖2所示。

表1 能耗分項統計表

圖1 大樓2019年用電量曲線圖

經節能措施優化后，2019年全年年平方米耗電量 57.6 kWh/(m2·a)。

根據 GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》對能耗指標進行修正，辦公建筑非供暖能耗指標實測值的修正值應按公式（1）～式（3）計算。

式中：EOC—辦公建筑非供暖能耗指標實測值的修正值；

E0—辦公建筑非供暖能耗指標實測值；

γ1—辦公建筑使用時間修正系數；

γ2—辦公建筑人員密度修正系數；

T0—年使用時間，辦公建筑中T0取2500 h/a；

T—辦公建筑年實際使用時間，h/a；

S—實際人均建筑面積，為建筑面積與實際使用人員數的比值，m2/人；

S0—人均建筑面積，辦公建筑中S0取10m2/人。

圖2 大樓2019年用電分項占比

因本樓主要為建筑設計單位辦公用房，具有比普通辦公樓工作日上班時間長、節假日加班多等情況，經統計分析T0取3250 h/a，實際使用人員數為800人，計算后EOC=52.44 kWh/(m2·a)。參照 GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》中的 A 類辦公建筑夏熱冬冷低區能耗指標— 約束值為70kWh/(m2·a),引導值為55kWh/（m2·a）。經計算，本大樓能耗低于引導值，節能運行效果顯著。

6 結語

本能源監控平臺，通過基于 C# 的上位機程序、WCF 程序和阿里云服務器對底層的各個點位實現監控，從而構成一個網絡化、規范化的監控平臺，便于用戶實現遠程監控、遠程運維。

該平臺已實現近2a 穩定運行，運行效果良好。通過對數據的分析及日常運行狀況的監控，逐步優化完善平臺功能，持續改進，不斷提高。同時，平臺定時將能耗數據發送至市建筑能耗監測平臺，為市級管理部門提供準確的能耗數據及決策依據。