建筑能源管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用范文

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摘要：

介紹建筑能源管理系統(tǒng)的必要性，分析某實(shí)驗室建筑能源管理系統(tǒng)的需求，提出了綜合應(yīng)用無線通信技術(shù)、動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的建筑能源管理系統(tǒng)方案，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)、功能和特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用900MHz頻段的無線通信，提供了數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)挖掘分析等功能，為實(shí)驗室管理人員實(shí)現(xiàn)科學(xué)的節(jié)能管理，提高能源利用效率提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：

能源管理；無線通信；900MHz頻段；數(shù)據(jù)挖掘分析

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，能源供應(yīng)日趨緊張，建筑高能耗的問題日益突出，據(jù)統(tǒng)計，目前建筑能耗在我國能源總消費(fèi)中所占比例已高達(dá)27.6％，綜合能耗為發(fā)達(dá)國家的3倍[1]，而且90％以上為高耗能建筑[2]，節(jié)能潛力很大。據(jù)統(tǒng)計分析，如果對公共建筑按節(jié)能50％的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改造，總的節(jié)能潛力約為1.35億t標(biāo)準(zhǔn)煤[3]，以上海為例，僅2000年，上海市公共建筑的節(jié)能潛力合計達(dá)到了1999年上海市總能耗的18.27％[4]。對企業(yè)而言，當(dāng)前能源費(fèi)用呈上升趨勢，能耗成本在企業(yè)成本中所占比例越來越大。如何通過技術(shù)化手段建立科學(xué)的能源監(jiān)控和管理模式，對企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[5]。建筑運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)是開展節(jié)能工作重要的基礎(chǔ)，建筑節(jié)能要以數(shù)據(jù)為依據(jù)。國家相關(guān)文件也明確指出，需要加強(qiáng)高耗能企業(yè)的能源監(jiān)管體系建設(shè)，利用現(xiàn)代化技術(shù)手段，大力推進(jìn)高耗能企業(yè)能耗在線監(jiān)測平臺的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)用能設(shè)備的能耗動態(tài)監(jiān)測，是加強(qiáng)高耗能企業(yè)節(jié)能運(yùn)行管理，建立和完善能效測評、能耗統(tǒng)計、用能定額、節(jié)能服務(wù)等制度的重要基礎(chǔ)性工作。Herzog的研究表明，通過能源管理系統(tǒng)可在很少投入的基礎(chǔ)上節(jié)約10％~25％的能耗[6]，即通過對建筑用能系統(tǒng)的合理化操作維護(hù)可以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目的[7]。針對上述問題，提出了綜合應(yīng)用有線/無線通信技術(shù)、動態(tài)自組組網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的建筑能源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以建筑能源監(jiān)測管理為重點(diǎn)，通過對能源信息與設(shè)備信息的采集、基礎(chǔ)分析展示與高級應(yīng)用分析，實(shí)現(xiàn)能源信息的可視化監(jiān)測、能耗數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視，為建筑能源監(jiān)測管理體系提供技術(shù)支撐，為建筑運(yùn)行提供能源與運(yùn)行監(jiān)視手段，為管理決策部門提供管理決策依據(jù)。詳細(xì)介紹該系統(tǒng)在上海某企業(yè)高耗能實(shí)驗室的應(yīng)用，并針對系統(tǒng)特點(diǎn)，簡單介紹了另外2個應(yīng)用案例。

1實(shí)驗室概況

某實(shí)驗室位于上海市徐匯區(qū)某大樓的裙房，上下2層，建筑面積約為4000m2，配有28臺恒溫恒濕箱，用于檢驗電子產(chǎn)品、電子元件在濕熱環(huán)境下的性能指標(biāo)。據(jù)實(shí)驗室管理方透露，該實(shí)驗室1年的用電量約為550萬kWh，屬于高耗能實(shí)驗室，其配電系統(tǒng)的配電結(jié)構(gòu).實(shí)驗室管理方具體需求為：監(jiān)測一/二/三級配電箱開關(guān)點(diǎn)位的電流、電壓、電量等相關(guān)參數(shù)，其中PG-M，PG-M1，PG-M23個一級開關(guān)點(diǎn)位位于獨(dú)立配電房中，OR1-OR66個二級開關(guān)點(diǎn)位位于實(shí)驗室一樓，28個三級開關(guān)點(diǎn)位中的20個位于一樓，8個位于二樓。

2實(shí)驗室建筑能源管理系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)驗室建筑能源管理系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備層、數(shù)據(jù)傳輸層、系統(tǒng)應(yīng)用層組成，如圖1所示。（1）現(xiàn)場設(shè)備層：現(xiàn)場9個一、二級配電開關(guān)點(diǎn)位裝有帶RS-485接口的多功能數(shù)顯表，通過加裝MESH采集模塊采集并保存對應(yīng)點(diǎn)位的用能數(shù)據(jù)；現(xiàn)場28個三級配電開關(guān)點(diǎn)位原沒有采集計量表計，通過加裝導(dǎo)軌表和MESH采集模塊，采集并保存各用能設(shè)備的用能數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)傳輸層：數(shù)據(jù)傳輸層主要是由RS-485總線網(wǎng)絡(luò)、MESH采集模塊、思科柱狀路由器、無線通信網(wǎng)絡(luò)組成，該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁。數(shù)據(jù)傳輸層分為下層傳輸和上層傳輸：下層傳輸即現(xiàn)場采集的用能數(shù)據(jù)通過MESH采集模塊實(shí)時傳輸?shù)街鶢盥酚善鳎捎?00MHz頻段無線傳輸方式；上層傳輸為柱狀路由器到服務(wù)器之間的通信，采用光纖有線的傳輸方式。（3）系統(tǒng)應(yīng)用層：系統(tǒng)應(yīng)用層對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行建模、計算、分析與處理，依托各種能耗分析模型，對設(shè)備的能耗進(jìn)行綜合評價，利用圖形、表格等方式直觀展現(xiàn)現(xiàn)場能耗狀況，并出具各類能耗統(tǒng)計報表。（4）軟件運(yùn)行環(huán)境：操作系統(tǒng)為RedhatLinux企業(yè)版；數(shù)據(jù)庫采用Oracle。

2.2系統(tǒng)功能

如圖2所示，系統(tǒng)共有5個應(yīng)用類，其中3個為前臺應(yīng)用類，包括我的空間、能耗管理、運(yùn)行管理；2個為后臺應(yīng)用類，包括信息維護(hù)、系統(tǒng)管理，系統(tǒng)共13個應(yīng)用功能項。

2.2.1前臺功能-我的空間

（1）賬戶管理：為用戶提供賬戶密碼修改，賬戶信息修改功能。（2）站內(nèi)消息：為用戶提供站內(nèi)設(shè)備告警信息與異常信息的彈出告警。

2.2.2前臺功能-能耗管理

（1）能耗監(jiān)測：實(shí)時監(jiān)測每一級配電開關(guān)點(diǎn)位的電壓、電流、功率、電量等運(yùn)行參數(shù)。（2）能耗統(tǒng)計：允許有瀏覽權(quán)限的用戶對每一級配電設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及總能耗進(jìn)行展示，包括表格、餅圖、折線圖、柱狀圖形式，相應(yīng)的時間尺度包括：按小時、按天、按月、按年。（3）能耗對比：展示當(dāng)前每一級配電設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及總能耗數(shù)據(jù)與去年同期能耗的同比及與上月同期能耗的環(huán)比情況。

2.2.3前臺功能-運(yùn)行管理

（1）設(shè)備告警管理：系統(tǒng)可對每一級配電設(shè)備監(jiān)測到的各項參數(shù)設(shè)定閥值，并根據(jù)采集到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，以聲光、短信、郵件、推送站內(nèi)告警信息等方式進(jìn)行告警提示，用戶對告警信息進(jìn)行確認(rèn)、清除或處理，當(dāng)故障排除或處理后，可消除告警，將告警歸入歷史庫，提供告警信息查詢功能。（2）運(yùn)行日志管理：對數(shù)據(jù)采集情況和設(shè)備告警情況進(jìn)行記錄和展示，用戶可查詢最近一年的運(yùn)行日志。（3）運(yùn)行報表管理：用戶可以查看告警、能源消耗等報表并支持導(dǎo)出和打印功能。

2.2.4后臺功能-信息維護(hù)

（1）設(shè)備信息維護(hù)：包括配電設(shè)備、采集設(shè)備、計量設(shè)備信息的建檔、錄入、刪除、查詢。（2）報表維護(hù)：用戶在該模塊中定義、修改和查看報表模版。2.2.5后臺功能-系統(tǒng)管理用戶可在該模塊對組織機(jī)構(gòu)、人員、角色、權(quán)限和系統(tǒng)資源等進(jìn)行配置。2.3系統(tǒng)特點(diǎn)本項目采用集成思科通信芯片的MESH采集模塊（自行研發(fā)生產(chǎn)）和思科的柱狀路由器，計量表計和MESH采集模塊集中安裝，MESH采集模塊和思科柱狀路由器之間采用900MHz頻段無線通信，此通信頻段和手機(jī)相同，通信距離可達(dá)1km，隔墻通信也很穩(wěn)定，避免了布線帶來的破壞裝修、人工費(fèi)用高及通信不穩(wěn)定等問題。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性分析，此項目采用該形式比常規(guī)有線通信形式可節(jié)省約30％的經(jīng)濟(jì)支出。

3系統(tǒng)其他應(yīng)用案例

3.1案例1

海寧市供電公司辦公大樓共15層，地下1層，地上14層，總建筑面積為9510m2。在此樓加裝建筑能源管理系統(tǒng)，對其能耗進(jìn)行采集、計量、展示、分析，依據(jù)業(yè)主方需求，照明插座用電分項采集空間顆粒度需要做到分層，其中12樓要做到分房間，由此帶來以下問題：（1）采集終端安裝在低壓配電室（以下簡稱低配室），與表計的通信距離遠(yuǎn)，而且由于低配室在地下室，通信信號較差。（2）各樓層和12樓房間都已裝修，安裝計量表計及RS-485線需要破壞原有裝修。（3）每層的照明插座配電箱和管道井分別位于樓層的兩側(cè)，距離較遠(yuǎn)，RS-485線安裝工程量較大。海寧市供電公司大樓建筑能源管理系統(tǒng)針對照明插座用電分項采用MESH采集模塊采集、無線通信的方式，在低配室布置思科柱狀路由器，每層及12樓各個房間的照明插座配電箱安裝計量表計和MESH采集模塊，MESH采集模塊自主組網(wǎng)，與柱狀路由器進(jìn)行無線通信，很好地解決了以上3個問題。大樓其他用電分項的計量直接在低配室的回路上安裝計量表計，通過RS-485線與采集終端連接，實(shí)現(xiàn)有線通信。自2014年11月系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，采用有線通信方式的其他用電分項采集不穩(wěn)定，有數(shù)據(jù)中斷的現(xiàn)象發(fā)生，但采用MESH無線通信方式的照明插座用電分項采集穩(wěn)定，未發(fā)生任何問題。通過經(jīng)濟(jì)性分析，照明插座用電分項采用有線通信的方式比MESH無線采集方式初期多投入3萬。通過與大樓前3年的平均能耗對比分析，應(yīng)用本系統(tǒng)后，該大樓能耗降低了8％。

3.2案例2

海鹽縣供電公司辦公大樓主樓共15層，建筑面積為12217m2，輔樓5層，建筑面積3812m2，有單獨(dú)的低配室和空調(diào)主機(jī)房，距離主樓和輔樓約80m。在該樓加裝建筑能源管理系統(tǒng)，對70談宏飛，等：建筑能源管理系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用其能耗進(jìn)行采集、計量、展示、分析。系統(tǒng)分為一期和二期，一期只需實(shí)現(xiàn)低配室分回路計量，二期的采集空間顆粒度要做到分層、分區(qū)域，每層2個區(qū)域。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)以下問題：（1）一期只需在低配室安裝1個采集終端，所有計量回路的表計采用RS-485線通過管線通道與采集終端連接，實(shí)現(xiàn)回路的計量。但二期需要做到分層、分區(qū)域，由于主樓和輔樓離低配室距離較遠(yuǎn)，又要考慮到樓層高度、橫向走廊寬度，RS-485線通信距離不能滿足現(xiàn)場要求。（2）每層分區(qū)域的2個配電箱布置在樓層，直接裝在墻上，若要敷設(shè)RS-485線，在墻上挖槽或者走PVC管線安裝的工作量都很大，而且影響美觀。（3）布線安裝工程量較大。考慮到以上3個問題以及大樓建筑能源管理系統(tǒng)一、二期項目的統(tǒng)一性，決定采用MESH無線通信的方式，在低配室取消采集終端的布置，用MESH采集模塊和柱狀路由器代替，一期所有回路表計通過MESH采集模塊采集，二期各樓層區(qū)域配電箱安裝計量表計和MESH采集模塊，MESH采集模塊自主組網(wǎng)，與柱狀路由器進(jìn)行無線通信、無線采集。系統(tǒng)自2015年3月投入運(yùn)行以來，通信穩(wěn)定，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)終端問題。通過與大樓前3年的平均能耗對比分析，應(yīng)用本系統(tǒng)后該大樓的能耗降低了10％。

4結(jié)語

基于MESH900MHz無線通信的建筑能源管理系統(tǒng)為科學(xué)用能、合理用能、節(jié)能管理提供支持平臺，為建筑管理人員提供決策支持，實(shí)現(xiàn)節(jié)能工作的科學(xué)管理及能源效率的持續(xù)改進(jìn)，值得大力推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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6蔡必超．辦公建筑能源管理作業(yè)之研究[C]．臺北：建筑物能源管理技術(shù)研討會，2003.

作者：談宏飛 秦俊寧 顏立 張建民 單位：國網(wǎng)浙江浙電節(jié)能服務(wù)有限公司