綠色辦公建筑能耗數據采集系統設計及應用

李 輝，孫云增，梁康元，王 丹

（國網中興有限公司，北京 100761）

隨著我國城市化建設的不斷推進，城市中的辦公建筑群已經成為能源消耗的重要組成部分。根據調查數據顯示，近年來我國辦公建筑建設規模不斷擴大，其能源損耗已經由1996 年的2.59 億噸燃煤量增長至2018 年的11 億噸燃煤量，占用我國建筑行業總能耗的20%[1]。因此，近些年國家制定并頒布了一系列相關文件，推動綠色辦公建筑的應用。但是由于我國建筑行業的技術標準不統一，導致能耗數據采集及短期能耗監測技術在不同種類的建筑中不能全方面實現[2-3]。

文中主要針對白廣路辦公建筑的全面適應性綠色辦公建筑能耗數據采集及短期能耗監測系統進行設計，在數據監測模型基礎上結合建筑行業的技術標準，構建出新的綠色辦公建筑能耗數據采集流程以及短期能耗監測方式。使用數據采集模型優先識別綠色辦公能耗數據并進行錄用，并根據辦公建筑能耗屬性確定能耗數據采集設備，因此該系統可以在未來的綠色辦公建筑中持續運行。

1 能耗采集及監測系統硬件設計

該文設計的綠色辦公建筑能耗數據采集及短期能耗監測系統的設計要點為通過末端的能耗監測器對建筑能耗數據進行采集，并將采集的數據傳輸至數據中心進行匯總和存儲，最終將管理終端所需的數據上傳，在管理終端使用數據進行建筑能耗分析。該能耗監測系統的結構如圖1 所示。

圖1 能耗監測系統結構

1.1 低壓配線柜

該系統使用帶有FLUKE-435 電能質量分析器的低壓配線柜，能夠對辦公建筑現場的電源設備進行能源實時監測，同時還能夠記錄空調、照明等損耗較大設備的損耗頻率，對容易引起三相不平衡的用電設備以及能源波進行精準控制，以便協調辦公建筑的能耗諧波。對于后續接入主電路的用電設備，需要在供電匹配前進行電能質量檢測，在滿足國家供電質量標準的前提下，增加對辦公建筑中的電容器等硬件的持續性供電[4]。

該文所應用電能質量分析器的工作環境電壓確定為220 V，辦公通用設備的工作頻率均為50 Hz，其電能質量分析器原理結構如圖2 所示。

圖2 電能質量分析器原理結構

為了方便對不同設備進行配電，對低壓單母線設為分段運行，并設置聯絡開關，低壓主進線開關與聯絡開關之間采用電氣聯鎖及機械聯鎖。在低壓配線柜中安裝斷路器，保護辦公建筑用電設備[5-6]。電能質量分析器中的供電情況主要通過諧波測試的方式進行展現，該分析器分別能夠在辦公建筑用電高頻時間段、低頻時間段進行諧波測試，如圖3 所示為電能質量分析器的低頻諧波測試顯示圖。

圖3 低頻諧波測試顯示圖

1.2 照明設備

根據GB50034-2013《建筑照明設計標準》，在綠色辦公建筑中設計的照明設備必須滿足不同樓層的照度，辦公建筑中的平均照度為300 Lux。隨著樓層高度的變化，照明設備所提供的照度也將發生變化，并且辦公建筑的房間用途也會影響照明設備所提供的照度，例如辦公建筑中的會議室設計照度將高出辦公區照度[7]。該文設計的照明設備主要根據照度進行設計，在辦公建筑中的走廊空間采用照度為50 Lux的照明設備，在辦公室采用450 Lux 照度的照明設備，在會議室采用500 Lux 照度的照明設備，衛生間采用350 Lux 照度的照明設備，在滿足基本照明需求的基礎上達到綠色辦公建筑標準[8-9]。

1.3 供暖能耗監測設備

綠色辦公建筑中的供暖能耗數據需要從不同的樓層進行統一監測，最后將統計數據進行結合計算。該文在每層供暖設備中設計安裝一套FLUKE F430-2 型數據監測裝置，該裝置能夠適應高溫環境，從而能高質量地展現出供暖設備的能耗狀態，如圖4 所示為FLUKE F430-2 型數據監測裝置在每層供暖設備中的線路連接結構圖。

圖4 數據監測裝置線路連接結構圖

該數據監測裝置能夠通過供暖設備的壓力表和溫度傳感器計算出能耗的準確數據[10]，再將數據以電壓或頻率的形式對外表達，如圖5 所示為溫度采集的電路原理圖。外部的連接設備可對電壓、頻率等參數進行檢測，最終整合成為諧波圖像，圖像中的諧波狀態即代表供暖設備的能耗情況。數據監測裝置將熱能進行電能轉換是為了更高效地進行數據管理，該文設定數據監測裝置對供暖裝置的熱能轉換電壓偏差必須在額定電壓的8.5%以內，該裝置在三相電壓環境中不得超出電動機的正常工作電壓。該數據監測裝置內具有變頻器，可以方便監測設備工作頻率的更改，并且平衡每層供暖設備的數據條件，數據監測裝置允許最大的供暖轉換偏差為0.8%[11]。

圖5 溫度采集電路原理圖

1.4 能耗監測器

隨著網絡通信技術的不斷發展，該文將通信技術融入能耗監測器的硬件設計中，在能耗監測器中建立通信模塊，根據監測器的進線方式確定能耗監測器的監測內容，每條通信線路均能夠串聯外部的信號監測儀表，通過設備的管理模式控制線路的結構。該文在能耗監測器中引入多種總線，例如：CAN、PROFIBUS、P-Net 等，每條總線又可根據辦公建筑內的實際能耗狀態劃分成6 位、12 位、32 位、64位數據傳輸端口，該類端口主要以串行的方式實現數據的監測與傳輸[12-13]。

該文采用的RS485 串行總線在監測器中具有4個數據傳輸端口，每個數據端口又劃分為計算機與非計算機等物理結構層，用于區別數據接收信號的驅動裝置，此串行總線在監測器共有1 節，其最大數據傳輸速率為10 Mb/s，最遠傳輸距離為500 m，最大驅動電壓在0～24 V 范圍內，信號傳入總線的入門電阻大于20 kΩ[14]。總線外部采用屏蔽材料，避免外部干擾信號影響數據傳輸，總線的數據終端應用雙絞線作為基本組成材料，增加阻抗匹配概率，如圖6 所示為RS485 串行總線在辦公建筑中能耗監測工作結構示意圖。

圖6 RS485串行總線能耗監測工作結構示意圖

圖6 中總線與供暖設備的數據連接接口主要通過計算機端口實現，管理人員可以向計算機端口輸入待識別數據，此時檢測裝置中的部分潛在設置將會重新啟動，能夠精確測定有功功率、電壓、電流、流量等數據，還可以通過總線內部的GPRS 模塊進行網絡通信，將辦公建筑內產生的能耗與區域內的服務器管理軟件相關聯，及時傳輸硬件采集設備中的數據[15]。能耗檢測器中還采用無線通信模式完成對每層數據的檢測與傳輸。該文在相同的工作頻率段中采用TDMA 幀結構的硬件設計，以相應的網關節點作為能耗監測數據的輸入點，此無線通信結構能夠完成20.2 kbps的數據率監測。無線監測技術充分體現了物聯網結構，在每個服務器端口中均可以設計多個無線接口，每個接口為每層辦公建筑能耗數據提供30.5 kbps 以內的數據傳輸速率，并且支持用戶在2 s 內完成監測密碼的設定與解析，為后期的數據傳輸結構建立邏輯鏈路。

2 能耗采集及監測系統軟件設計

該文設計采用上位機存儲數據與下位機采集數據的軟件架構，并在數據進行傳輸的過程中表現監測系統的網絡結構。該文所設計的能耗采集及監測系統能夠使管理人員隨時查詢能耗數據，并且還能夠在服務器中進行數據的對比以及分析[16]。

該監測系統在服務器中建立三維數據可視化體系，能夠將能耗數據以更直觀的方式呈現給用戶，如圖7 所示為在數據可視化過程中的能耗數據分類結構圖。

圖7 數據類型結構圖

該文還對綠色辦公建筑能耗數據查詢流程進行設計，管理人員可以通過賬號登錄進入數據監測系統中提取能耗數據。軟件內部包含不同類型的操作區域與能耗負責區域，辦公建筑能耗信息具有種類繁多的特點，所以需要首先進行數據類型的管理與劃分，再對采集到的數據類型進行分項計算，實時對比不同層次中的能耗基本狀態，并且支持對歷史信息進行能耗查詢。當辦公建筑內部的能耗數據進入服務器時，可進行類別的匹配，根據辦公建筑內能耗產生設備的安裝量、安裝時間、工作功率等信息進行分類存儲與可視化。

該文還對辦公建筑中的能耗設備控制程序進行設計，辦公室建筑中的大多數能耗設備需要通過管理人員的操控才能正常穩定工作，能耗控制端口需要在整個控制流程中具有保障性的控制技術，在控制能耗產生的同時監控能耗數據狀態。控制能耗設備中的數據，首先要利用中間元件輸入變壓器中的頻率數據，變壓器內部的空氣開關可以作為與PLC控制程序的連接端口，再通過控制設備電源對所有運行設備進行供能，待外部的能源供應滿足設備內部裝置的需求時，可以采用將能耗數據采集器設為三線模式。能耗傳感器與能源供應端口同時采用PLC 程序控制，此外PLC 端口還與其他數據處理模塊相關聯，需要一定的輸出端子與內部設備的數據傳輸方式相匹配[17]。

能耗監測數據經過串口線后直接傳入上位機中與數據中心相關聯，并且能夠在管理員的個人服務器中完成重要的監測數據傳輸，在不受干擾的環境中向數據庫輸入采集的數據，此時PLC 程序控制的能耗產生設備的阻值變化與周圍環境溫度變化相結合，公式（1）為兩者關系：

式中，R代表設備電阻值，t代表該設備周圍環境溫度。在辦公建筑能耗設備中直接監測的能耗數據需要在PC 機中聯合體現，PLC 控制程序會將監測數據自動輸入一臺PC 機中并進行數據復制。該文將對PC 機內部的數據實時輸出程序進行設計，程序結構如圖8 所示。

圖8 PC機數據復制程序結構圖

此程序的運行能夠自動識別監測數據中的參數值與標準值，且能夠改變每種能耗設備的參數狀態，再根據監測面板對需要監測的數據進行控制需求程度的匹配。在程序中應用PC Access 通信軟件，能夠在PC 端口向服務器端口傳輸數據，增加辦公建筑設備配置的可協調性，在相同類型的辦公建筑能耗設備中構建更多種類的數據傳輸途徑。

3 實驗研究

該文以白廣路辦公區為實驗研究對象，針對白廣路范圍內的綠色辦公建筑能耗項目實現能耗數據的采集以及分析。白廣路范圍內辦公建筑能耗類型主要分為空調設備、照明設備、供暖設備、排水設備等，針對能耗設備的數據采集，設定有專業人員以及管理制度進行數據的統計，將整個數據管理網絡劃分為三個階段，每項能耗設備都具有相對應的數據監測人員，對白廣路辦公建筑范圍內的能耗計量單位實時與外部單位相統一。

2018年總用電量為8 982 180 kW·h，2019年總用電量為8 201 820 kW·h，2020年總用電量為8 713 800 kW·h，由于客觀環境影響和業務用電習慣因素，園區年耗電量會有一定的增加或減少。分別對南樓的6層和12層、綜合樓6 層進行能源數據采集與節能數據更改，獲取南樓6 層辦公建筑各類設備電源能耗2 461 kW·h，UPS 能耗、自身能耗、施工能耗共133 132 kW·h；南樓12 層設備能耗97 650 kW·h，施工用電、其他用電共168 722 kW·h；綜合樓6 層設備能耗、施工能耗共39 536 kW·h，精確數據的獲取均依靠計量表的負荷×系數×時間×天數公式完成計算。

通過應用能耗數據采集設備，對白廣路辦公區建筑空調類設備進行能耗統計，可知年平均損耗量達到362.21 kW·h，空調覆蓋面積達到總辦公建筑區域的80%，辦公建筑中采用的空調符合標準參數，能夠對能耗數據采集器進行內部的安裝，且能夠應用水冷的方式降低數據采集器的周圍溫度，減少外部環境對數據監測的影響。

4 結束語

綠色辦公建筑已經成為未來辦公建筑的重要發展項目，需要在滿足工作人員正常辦公條件的情況下，達到節能減排效果。該文設計綠色辦公建筑內的能耗數據及短期能耗監測系統，應用在辦公建筑內的各項能耗設備中，對能耗數據進行精確采集與數據分析，采用的變壓器與各項監測設備均能夠適應綠色辦公建筑大環境，且內部的監測流程也能夠針對數據的準確性與范圍得到實現。通過綠色辦公建筑的實施，白廣路辦公樓的年用電量以3.2%左右的速度下降，取得了較好的節能收益。