某辦公建筑的建筑能耗管理系統設計及分析

高享

（湖南省建筑科學研究院有限責任公司 湖南省長沙市 410004）

目前我國擁有數百億平方米的建筑，總體量穩居世界第一，但目前我國的綠色建筑比例只有約5%，建筑的運行能耗總體偏高，目前我國建筑的運行能耗約占全社會總能耗的1/3。我國能源消費總量已躍居世界第一位，是能源資源相對短缺的國家又是能源利用率低下的國家，需求和供應的矛盾突出。因此，非常有必要廣泛應用建筑能耗管理系統，監測建筑運行的能源消耗，促進建筑的持續節能運行，這有助于我國轉變經濟發展方式，實現經濟增長模式由粗放型向集約型轉變，由高碳排放向低碳排放轉變。

1 現代建筑能耗管理系統設計存在的問題

1.1 重復建設問題

在現代大型建筑的設計工作中，智能化專項設計已經普及。智能化專項設計單位會提供一套建筑能耗管理系統施工圖用于指導施工；與此同時，電氣專業出于通過施工圖審查的目的，也會提供一套建筑能耗管理系統的施工圖。兩套建筑能耗管理系統的施工圖，一起付諸實施后，產生了重復建設的問題，有形地增加建設單位的資金投入。

1.2 計量粗放的問題

水、暖、電專業的能耗計量儀表的設置，一般以集中設置為主。智能化設計人員如果機械地按照水、暖、電專業提供的儀表的位置和數量進行能耗數據采集，就無法進行精細化能源管理，也很難為建筑節能運行提供合理的管理策略。

2 本項目建筑能耗管理系統設計

2.1 項目概況

本項目位于湖南省長沙市，總建筑面積約9.6萬平米。項目包括三棟單體，其中A棟公寓樓地上16層、地下2層；B棟辦公樓地上20層、地下2層；C棟辦公樓地上21層、地下2層。

本項目為建筑面積超過1萬平方米以上的新建公共建筑，根據《長沙市民用建筑節能和綠色建筑管理辦法》長政辦發〔2017〕53號文要求，本項目應安裝能耗監測數據采集系統，且應與建筑主體工程同步設計、同步施工、同步驗收，所采集的建筑能耗數據應能穩定上傳至長沙市建筑能耗監測平臺。

2.2 設計思路

傳統的能耗管理系統，一般只要求滿足能耗監測和能耗數據上傳的功能，系統流程如圖1所示。

這種能耗管理模式是一種用于滿足國家和地方政策規范的開環管理模式，只知道建筑消耗了多少能源，不能為建筑運行管理提供有針對性的節能管理策略。

考慮到本項目存在公寓、外租辦公和自用辦公等多種業態的實際情況，采用傳統的開環式能耗管理系統已經不能滿足物業管理要求。因此，設計方考慮將能耗計量、能耗監測、能耗收費、節能運行、節能展示等功能融合為一個整體，分別面向本項目的A棟公寓租戶、B棟辦公樓租戶、裙樓商業租戶和物業運營管理單位等多類用戶提供服務，形成一套閉環的管理系統。系統流程如圖2所示。

2.3 系統架構

本項目建筑能耗管理系統采用B/S架構，B/S架構允許授權用戶通過各類網絡終端（計算機、手機或PAD）通過互聯網訪問和管理項目的能耗管理系統。

2.4 系統結構

本系統分為五個層次，自下而上分別是數據感知層、數據采集層、網絡傳輸層、系統服務層和系統展示層。系統層次結構如圖3所示。

2.4.1 第一層：數據感知層

數據感知層由各種數字能耗計量儀表組成，如：空調能量表、數字流量表、數字電表、燃氣表等，計量末端設備的耗能量。

本項目由水暖電專業根據規范要求和物業管理要求設置能耗計量儀表，智能化專業對各專業儀表的設置提供優化建議。

圖1：開環能耗管理系統流程圖

圖2：閉環能耗管理系統流程圖

圖3：建筑能耗管理系統結構圖

2.4.2 第二層：數據采集層

數據采集層由能耗數據采集器和數據采集鏈路組成，能耗數據采集器對數字電能表、數字燃氣表、數字流量表、空調能量表等設備進行能耗數據采集、數據過濾與存儲，并通過信息網絡系統，將能耗數據上傳到能耗管理服務器。數據采集鏈路指傳輸數據的方式，如：RS-485總線、M-BUS總線以及無線等方式。

本項目數據采集器安裝在各樓層弱電間，采集各類儀表的能耗數據。系統采用RS-485總線制傳輸，采用的能耗數據采集器，最多支持4路下行RS-485總線回路，每個回路最多接32個數字儀表。為了保證總線回路的通信速率，提高通信鏈路的穩定性，設計按照不超過500米距離的要求設計總線回路。

2.4.3 第三層：網絡傳輸層

網絡傳輸層包括數據采集器上行的綜合布線鏈路、信息網絡設備以及相關協議。綜合布線鏈路包括各類光纖、雙絞線等材料；信息網絡設備包括交換機、路由器等設備；主要協議包括TCP/IP協議和UDP協議。

考慮到辦公樓擬建的局域網資源和降低通訊成本的因素，本項目能耗管理系統采用外網綜合布線系統傳輸，外網綜合布線采用單模光纖+非屏蔽6類線解決方案。能耗管理系統接入到外網信息網絡進行數據交換和處理，以便將能耗數據上傳至長沙市能耗監測管理平臺，借助辦公樓外網網絡，并在此基礎上構建增值服務。

2.4.4 第四層：系統服務層

系統服務層由能耗管理服務器和能耗管理軟件組成，負責對項目能耗數據進行匯總、統計、分析、計算、處理和存儲。實現能耗計量收費、能耗分析、能耗查詢、能耗預警和管理優化等功能。

2.4.5 第五層：系統展示層

用戶可通過多種方式訪問建筑能耗管理系統，本項目要求支持用戶可通過手機、PAD、計算機客戶端等方式訪問，實時掌握建筑的能耗動態。同時通過IBMS平臺和信息發布系統打通，支持在本項目的LED大屏進行展示。

2.5 主要功能設計

2.5.1 電能耗計量監測功能

電能耗計量監測采用電表采集電能的數據，在需要計量收費和監測的區域設計安裝電表。

總用電量計量：在每臺變壓器低壓干線處安裝數字電能表，對總的用電量進行計量。

分戶計量：在A棟公寓、B棟辦公樓裙樓商業和食堂等末端用戶設置數字電表進行分戶計量。

分層計量：C棟辦公樓為自用辦公為主，在樓層普通照明配電箱、樓層公共照明配電箱和樓層空調配電箱設置數字電表進行分層計量。

分類分項計量監測如下：

照明、插座系統電耗（照明和插座用電、走廊和應急照明用電、室外景觀照明用電）。

空調系統電耗（空調機房用電、空調末端用電）。

動力系統電耗（電梯用電、水泵用電、通風機用電）。

特殊電耗（弱電機房、消防控制室、廚房餐廳等其他特殊用電）。

2.5.2 水能耗計量監測功能

水能耗計量監測采用水表采集水能的數據，在需要計量收費和監測的區域設計安裝水表。

根據項目對水表計量收費和監測的要求，需要計量監測的區域如下：

總用水量：在園區給水干管設置數字流量表計量。

餐廳廚房用水：在餐廳廚房給水管設置數字流量表計量。

洗手間用水：在樓層洗手間給水管設置數字流量表計量。

分戶計量：在A棟公寓、B棟辦公樓裙樓商業和食堂等末端用戶設置數字流量表進行分戶計量。

空調系統用水：在空調系統給水管設置數字流量表計量。

2.5.3 空調能耗計量監測功能

（1）集中計量：供回水管上安裝能量表，計量使用的冷熱量

（2）末端計量：每戶的風機盤管安裝智能溫控器，計量風機盤管使用的當量時間

2.5.4 能耗KPI功能

能耗KPI：本項目C棟辦公樓為業主自持，各個部門分樓層、分區域獨立辦公。能耗管理系統分析能耗情況，將能源消耗分攤到各個部門、個人，實現能耗考核，促進管理方面的主動節能。

2.5.5 節能管控功能

能耗管理系統可有效的監控內各個單位的能耗狀況，避免非正常上班時間的能耗浪費，節約能源，給使用單位提供能源控制、管理方面的決策依據。

用戶可以制定能耗節約策略，例如當空調的熱量消耗達到預設值后，通過樓宇自控接口，監測風機盤管和BA設備的運行狀態，減小送風量和提高或降低送風/回風溫度。當設備終端的能源累積量達到系統設定的值時，系統可以自動對風機盤管發送關機命令，并且關閉盤管的控制面板遠程控制。

3 專業間配合

3.1 和電氣專業配合

智能化專業在項目設計前和電氣專業就避免能耗管理系統重復建設的問題進行協商，明確由電氣專業根據物業管理要求設置帶遠傳接口的數字化電表，由智能化專業負責電表的數據采集的布線和能耗管理系統的系統設計，確保整個項目只有一套能耗管理系統和平臺。

3.2 和給排水專業配合

由給排水專業根據物業管理要求設置帶遠傳接口的數字化流量表，由智能化專業負責流量表的數據采集的布線和能耗管理系統的系統設計。

3.3 和暖通專業配合

由暖通專業根據物業管理要求設置帶遠傳接口的數字化空調能量表，由智能化專業負責空調能量表的數據采集的布線和能耗管理系統的系統設計。

3.4 和綠建專業配合

根據《綠色建筑評價標準》GB/T50378要求，綠建三星級標準建筑應滿足該標準的所有控制項要求，并且綠建總得分不低于80分。智能化專業在項目設計前和綠建專業就控制項和得分項進行協商，由智能化專業設計能耗管理系統，系統的功能需要滿足和能耗監測、計量和節能措施等方面的控制項和得分項的要求，助力綠建三星級標準達標。

4 系統設計的發展趨勢

目前能耗管理系統組網以有線傳輸為主，具有穩定性高的優點，但也存在擴展不便的缺點。由于能耗管理系統在傳輸過程中產生的流量較小，對網絡帶寬要求不高，延時要求也不高，采用無線傳輸不僅可以滿足能耗管理系統的組網需求，還具備擴展靈活的優勢。隨著物聯網技術和5G通信的快速普及，利用無線傳輸會越來越廣泛地應用于能耗管理系統。

5 結語

建筑能耗管理系統不僅用于監測建筑能源消耗來滿足政策規范要求，還需要設計和實施團隊整合考慮項目的電氣、給排水、暖通、綠建和物業管理等各專業的資源和需求，為項目量身打造一套“采集–處理-監測–考核–優化”的具備閉環管理功能的系統，才能讓系統更好地為用戶服務，為用戶增值。