夏洪軍,李愛國,陳勤平

(上海市建筑科學(xué)研究院,上海200032)

建筑物運行能耗直接取決于用能設(shè)備的使用情況和設(shè)備的運行管理及維護(hù),特別是大型公共建筑的運行能耗既受住戶的影響也與物業(yè)管理有關(guān),完善的管理模式可以為技術(shù)層面上的節(jié)能工作創(chuàng)造便利條件,合理的建筑運行管理是最直接、效果最明顯的節(jié)能手段。我國的寫字樓空調(diào)耗能占總耗能的比例為50%～70%;酒店的熱、通風(fēng)和空調(diào)控制耗能占總耗能的比例為44%。寫字樓照明耗能占總耗能的比例為23%～55%,酒店照明耗能占總耗能的比例為29%;寫字樓耗能占總耗能的比例為8%,酒店電梯耗能占總耗能的比例為10%。不難看出,空調(diào)照明和電梯用能占了公共建筑用能主要部分,搞好空調(diào)和照明系統(tǒng)的監(jiān)控調(diào)節(jié)對于商業(yè)樓宇建筑節(jié)能十分重要,而利用智能化系統(tǒng)對大廈內(nèi)部機(jī)電設(shè)備和照明設(shè)備的優(yōu)化啟停,將是未來建筑節(jié)能的主要發(fā)展方向。建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng)是指對建筑物安裝分項能耗計量裝置,采用遠(yuǎn)程傳輸?shù)仁侄渭皶r采集能耗數(shù)據(jù),可以全面和準(zhǔn)確地掌握建筑能耗情況實現(xiàn)重點建筑能耗的在線監(jiān)測和動態(tài)分析功能的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),該系統(tǒng)是能耗統(tǒng)計、能效測評、能源審計、能效公示、建立用能標(biāo)準(zhǔn)、用能定額和節(jié)能服務(wù)等各項制度的重要基礎(chǔ),是樓宇節(jié)能運營管理工作的前提和必要的組成部分。我國的建筑用能特別是大型公共建筑能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家建筑節(jié)能的潛力很大,但是我國的建筑節(jié)能工作開展較晚,公共建筑運行的用能管理還很落后,全國氣候分區(qū)的功能建筑的基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、大型公共建筑分項能耗計量體系、運行能耗的定額管理指標(biāo)體系等工作只是剛剛起步,尚無切實可行的方法及運行能耗值作為參照標(biāo)準(zhǔn)。建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng)可以優(yōu)化節(jié)能運營管理,統(tǒng)計能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、對節(jié)能改造進(jìn)行評估等。本文將對建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng)的組成和功能進(jìn)行分析和介紹。

1 系統(tǒng)的組成

建筑能源計量監(jiān)測(EMS)系統(tǒng)的組成見圖1,一般采用以工業(yè)PC和高檔微機(jī)為核心的中央管理操作界面和圖象顯示設(shè)備,同時配備UPS系統(tǒng)、模擬顯示屏、打印機(jī)等;下面設(shè)有智能分站,主要完成數(shù)據(jù)采集、傳送及現(xiàn)場控制設(shè)備;布線系統(tǒng)包括EMS系統(tǒng)和其他各系統(tǒng)聯(lián)動、信息傳輸、電源線敷設(shè)等,要求保證相互間或受外界干擾要小,檢修方便。

圖1 EMS系統(tǒng)圖

監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括了數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理存儲層和數(shù)據(jù)展示層四層架構(gòu)。

1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層—主要通過電能表獲取各回路的電耗,依據(jù)《國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則》中的要求,辦公建筑的用能數(shù)據(jù)采集對象包括建筑基本情況、分類能耗和分項能耗。建筑用能設(shè)備運行數(shù)據(jù)的采集包括人工采集方式和自動采集方式:人工采集方式采集建筑基本指標(biāo)和其他不能通過自動方式采集的能耗數(shù)據(jù);自動采集方式利用自動計量裝置實時采集采集建筑分項和分類能耗數(shù)據(jù),通過自動傳輸方式實時傳輸至數(shù)據(jù)中心。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層—主要是把能源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/ IP協(xié)議格式上傳至能源管理中心,一般由三部分組成:第一部分為表具至網(wǎng)關(guān)設(shè)備,采用485總線形式傳輸;第二部分為各個網(wǎng)關(guān)之間采用的Zigbee無線傳輸;第三部分為網(wǎng)關(guān)與能源管理主機(jī)之間傳輸。

1.3 數(shù)據(jù)處理存儲層

數(shù)據(jù)處理存儲層—主要負(fù)責(zé)對能耗數(shù)據(jù)的存儲;包括數(shù)據(jù)存儲區(qū)后臺分析數(shù)據(jù)庫數(shù)數(shù)據(jù)集市和信息展示發(fā)布幾個部分,見圖2。

數(shù)據(jù)存儲區(qū)中存儲的是一些原始明細(xì)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)來自于監(jiān)測儀表和手動輸入樓宇和設(shè)備基礎(chǔ)信息,可以直接供明細(xì)類查詢,也可以在與報警規(guī)則信息結(jié)合進(jìn)行后臺處理后,用于能源計量和遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測、報警或者直接供查詢。后臺分析數(shù)據(jù)庫中存儲的是經(jīng)過處理的原始數(shù)據(jù),包括按照統(tǒng)計、分析、比較功能的要求對數(shù)據(jù)存儲區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行時段的分類、匯總和折算后得到的數(shù)據(jù)。后臺分析數(shù)據(jù)庫的設(shè)置目的,是提高系統(tǒng)的運行效率,縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間。數(shù)據(jù)集市是對后臺分析數(shù)據(jù)庫的分類處理,具有面向不同角色,不同用戶的專用業(yè)務(wù)功能,使其更具針對性。信息展示發(fā)布采用統(tǒng)一的發(fā)布平臺,支持多樣化的展示方式,如圖表、報表、短信和大屏顯示等,并帶操作權(quán)限、報表模板、規(guī)則庫等,可以實現(xiàn)格式定制和展示控制等功能。

1.4 數(shù)據(jù)分析展示層

數(shù)據(jù)展示層—主要對存儲層中的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計、分析、展示和發(fā)布。對經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的分類分項能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總和整合,通過靜態(tài)表格和動態(tài)圖表方式將能耗數(shù)據(jù)展示出來,為節(jié)能運行、節(jié)能改造、信息服務(wù)和制定政策提供服務(wù)。

系統(tǒng)采用B/S軟件體系結(jié)構(gòu),有關(guān)用戶還可以通過大樓局域網(wǎng)直接利用IE瀏覽器方式訪問能源中心服務(wù)器,查看數(shù)據(jù)報表和圖表等信息,操作方便。數(shù)據(jù)圖表可選擇數(shù)據(jù)透視表、餅圖、柱狀圖、線圖、儀表盤或動畫等形式,格式靈活,可交互操作。

2 系統(tǒng)的功能

建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng)是建筑的用水、用電、用氣、用油等能耗進(jìn)行實時能源計量和遠(yuǎn)程監(jiān)測,以全自動的抄表方式,通過網(wǎng)絡(luò)化計算機(jī)管理,加強(qiáng)能源計量和實時管理。通過建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng),可以為相關(guān)部門動態(tài)掌握建筑的能耗數(shù)據(jù)及能耗構(gòu)成,發(fā)現(xiàn)用能問題,為節(jié)能工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指導(dǎo),使用能設(shè)備的能耗降到最低、使用效率達(dá)到最高。

(1)實時監(jiān)測 對供電系統(tǒng)實時監(jiān)測,實時顯示各建筑各子系統(tǒng)和大型設(shè)備的用電情況。儀表讀數(shù)功能中實時顯示各大樓的水、電、氣三種能源的實時儀表讀數(shù)。

(2)統(tǒng)計報表 根據(jù)用戶需要自由選取定義統(tǒng)計項目,由軟件自帶的運算工具統(tǒng)計匯總,并根據(jù)用戶要求以相應(yīng)的圖表形式輸出;同時具有查詢功能。

(3)分析比較 分析主要耗能設(shè)備的用電情況;分析電能浪費的漏洞;驗證通過節(jié)能改造而降低的能耗的效果;單體建筑內(nèi)不同用電設(shè)備的分項消耗電能縱向比較;也可以和同類建筑進(jìn)行橫向用電比較,發(fā)現(xiàn)問題及時解決。

(4)事故報警 實時監(jiān)測各種用能設(shè)備的非正常用能情況,一旦用能發(fā)生非正常情況可以采用多種方式進(jìn)行報警提醒。

(5)目標(biāo)管理 調(diào)整動態(tài)負(fù)荷,對大廈的各類供電負(fù)荷制定用電指標(biāo),獎勤罰懶,用科學(xué)的系統(tǒng)的目標(biāo)管理手段提升管理水平和提高能源使用效率。避免因管理混亂引起的用能浪費。

(6)優(yōu)化運行 通過對設(shè)備系統(tǒng)功耗的實時、有效的長期分析總結(jié),找出系統(tǒng)存在的問題,例如結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計不合理、運行調(diào)節(jié)策略不當(dāng)、設(shè)備沒有工作在最佳工況點、設(shè)備已存在老化等,以便及時安排節(jié)能改造。

(7)節(jié)能評估 設(shè)備實施了節(jié)能改造后,可以驗證節(jié)能技術(shù)以及改造的實際效果,明確節(jié)能量。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用

建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)能運行管理優(yōu)化的應(yīng)用,主要包括能源監(jiān)測與分析和節(jié)能運行優(yōu)化控制。

3.1 能源監(jiān)測與分析

(1)電力能耗監(jiān)測 電力能耗監(jiān)測主要包括總電耗和動力設(shè)備、照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備的電耗,其中空調(diào)系統(tǒng)中的用能設(shè)備還可細(xì)分為主機(jī)、水泵、空調(diào)機(jī)、新風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管、冷卻塔和其他輔助設(shè)備。建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng)采用多功能組合式智能電量儀表,儀表的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)接入能源管理系統(tǒng),可以用來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)測,為管理者提供決策數(shù)據(jù)支持,系統(tǒng)以采集到的動力、空調(diào)、照明等相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),可以提供建筑能耗的實時情況和變化趨勢,記錄高峰與低谷用電(圖3和圖4是電力能耗監(jiān)測過程的兩個例子),為節(jié)能運營管理提供必要條件,為合理用能或優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)。

圖3 某樓層逐時用電功率曲線

圖4 分項逐時用電功率曲線

(2)制冷機(jī)能效比監(jiān)測 制冷機(jī)的能效比是空調(diào)系統(tǒng)的主要節(jié)能指標(biāo)之一,特別是制冷機(jī)在長期運行的部分負(fù)荷條件下,提高能效比對于建筑節(jié)能非常重要。

3.2 節(jié)能運行管理優(yōu)化

采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)是建筑采暖和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是建筑中的能耗大戶。合理地監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的運行,可以在保證建筑物內(nèi)舒適環(huán)境的前提下最大程度地降低能耗。

(1)采暖和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng) 大型公共建筑物的采暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng),系統(tǒng)復(fù)雜設(shè)備多,建筑能源管理系統(tǒng)不僅對集中于冷熱主機(jī)房的冷凍主機(jī)、冷卻和冷凍水泵、冷卻塔進(jìn)行能源計量監(jiān)測,而且對分散于各處的空調(diào)機(jī)組、送回風(fēng)機(jī)也進(jìn)行了能耗監(jiān)控。由于我國的中央空調(diào)系統(tǒng)最大冷熱負(fù)荷設(shè)計和設(shè)備選型,通常按建筑物所在地的極端氣候條件來計算的,因此平時的運行經(jīng)常出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象,運行效率受到很大影響,通過建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng),可以實現(xiàn)對供暖、通風(fēng)、空調(diào)和其他設(shè)備的最佳匹配運營和節(jié)能管理。

(2)照明系統(tǒng) 通過系統(tǒng)查看建筑物照明系統(tǒng)電耗的逐時變化情況。非工作時間段照明系統(tǒng)電耗和工作日時間段相差不多,或者與同類型建筑物相比電耗較大時,可以診斷照明系統(tǒng)是否存在用能浪費環(huán)節(jié),從而進(jìn)一步優(yōu)化照明系統(tǒng)運營管理。

4 應(yīng)用案例

建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于上海市政府機(jī)關(guān)辦公大樓和大型公共建筑中,如某政府機(jī)關(guān)辦公樓建筑地面高度為58 m,建筑面積24 302m2。建筑設(shè)備層在 B1F、屋頂層,總配電容量為2 500 kVA,二路進(jìn)線 10 kVA 供電,2只1 250 kVA變壓器。辦公樓實施該系統(tǒng)時在低壓配電柜安裝智能化電力儀表,每個分項計量單體柜采用一臺三相電力儀表,電流采集與原有電流表串聯(lián)延用原有互感器,電壓采集以單個進(jìn)線柜為單位,通過橋架的敷設(shè)將電壓電流采集型號傳輸?shù)浇y(tǒng)一的一臺儀表柜內(nèi),將每五個儀表作為一組通訊,組內(nèi)通訊串接,每組連線至協(xié)議轉(zhuǎn)換器,將各智能電表信號轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)電信號,傳輸至配電值班室內(nèi)的建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)上。系統(tǒng)主機(jī)軟件界面按不同操作可以顯示圖5和圖6的統(tǒng)計分析圖。

圖5 辦公樓各分項用電功率曲線

圖6 周統(tǒng)計的環(huán)比能耗統(tǒng)計圖

5 結(jié)語

節(jié)能運行管理是一個系統(tǒng)工程,因為節(jié)能管理涉及所有耗能設(shè)備的控制及運行管理,涉及物業(yè)管理的軟件功能等管理手段、管理效率,涉及系統(tǒng)配置設(shè)備的性能,節(jié)能的效果取決于節(jié)能技術(shù)的先進(jìn)性、節(jié)能措施的落實程度。建筑能源計量監(jiān)測系統(tǒng)的有效實現(xiàn)為進(jìn)一步開展建筑物的各種節(jié)能改造和節(jié)能管理工作提供了一個定量管理的平臺 ,對動態(tài)掌握建筑能耗狀況、制定相關(guān)政策和措施、推廣各類建筑節(jié)能先進(jìn)技術(shù)都將發(fā)揮重要作用。通過監(jiān)測系統(tǒng)的一系列功能 ,能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、統(tǒng)計分析、在線診斷和節(jié)能效果評估等 ,從實時數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)各建筑的真正用能問題 ,從而實現(xiàn)對癥下藥,優(yōu)化樓宇節(jié)能運營管理,制定相應(yīng)的節(jié)能運營管理措施。