建筑能源管理系統的設計與應用范文

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摘要：

介紹建筑能源管理系統的必要性，分析某實驗室建筑能源管理系統的需求，提出了綜合應用無線通信技術、動態(tài)組網技術及數據挖掘技術的建筑能源管理系統方案，并詳細介紹了系統的架構、功能和特點。該系統采用900MHz頻段的無線通信，提供了數據可視化、數據挖掘分析等功能，為實驗室管理人員實現科學的節(jié)能管理，提高能源利用效率提供數據支持。

關鍵詞：

能源管理；無線通信；900MHz頻段；數據挖掘分析

引言

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

1實驗室概況

某實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，用于檢驗電子產品、電子元件在濕熱環(huán)境下的性能指標。據實驗室管理方透露，該實驗室1年的用電量約為550萬kWh，屬于高耗能實驗室，其配電系統的配電結構.實驗室管理方具體需求為：監(jiān)測一/二/三級配電箱開關點位的電流、電壓、電量等相關參數，其中PG-M，PG-M1，PG-M23個一級開關點位位于獨立配電房中，OR1-OR66個二級開關點位位于實驗室一樓，28個三級開關點位中的20個位于一樓，8個位于二樓。

2實驗室建筑能源管理系統

2.1系統架構

實驗室建筑能源管理系統由現場設備層、數據傳輸層、系統應用層組成，如圖1所示。（1）現場設備層：現場9個一、二級配電開關點位裝有帶RS-485接口的多功能數顯表，通過加裝MESH采集模塊采集并保存對應點位的用能數據；現場28個三級配電開關點位原沒有采集計量表計，通過加裝導軌表和MESH采集模塊，采集并保存各用能設備的用能數據。（2）數據傳輸層：數據傳輸層主要是由RS-485總線網絡、MESH采集模塊、思科柱狀路由器、無線通信網絡組成，該層是數據信息交換的橋梁。數據傳輸層分為下層傳輸和上層傳輸：下層傳輸即現場采集的用能數據通過MESH采集模塊實時傳輸到柱狀路由器，采用900MHz頻段無線傳輸方式；上層傳輸為柱狀路由器到服務器之間的通信，采用光纖有線的傳輸方式。（3）系統應用層：系統應用層對采集的現場各類數據信息進行建模、計算、分析與處理，依托各種能耗分析模型，對設備的能耗進行綜合評價，利用圖形、表格等方式直觀展現現場能耗狀況，并出具各類能耗統計報表。（4）軟件運行環(huán)境：操作系統為RedhatLinux企業(yè)版；數據庫采用Oracle。

2.2系統功能

如圖2所示，系統共有5個應用類，其中3個為前臺應用類，包括我的空間、能耗管理、運行管理；2個為后臺應用類，包括信息維護、系統管理，系統共13個應用功能項。

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）站內消息：為用戶提供站內設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：實時監(jiān)測每一級配電開關點位的電壓、電流、功率、電量等運行參數。（2）能耗統計：允許有瀏覽權限的用戶對每一級配電設備的能耗數據及總能耗進行展示，包括表格、餅圖、折線圖、柱狀圖形式，相應的時間尺度包括：按小時、按天、按月、按年。（3）能耗對比：展示當前每一級配電設備的能耗數據及總能耗數據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-運行管理

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

2.2.4后臺功能-信息維護

（1）設備信息維護：包括配電設備、采集設備、計量設備信息的建檔、錄入、刪除、查詢。（2）報表維護：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-系統管理用戶可在該模塊對組織機構、人員、角色、權限和系統資源等進行配置。2.3系統特點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）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，此通信頻段和手機相同，通信距離可達1km，隔墻通信也很穩(wěn)定，避免了布線帶來的破壞裝修、人工費用高及通信不穩(wěn)定等問題。經過經濟性分析，此項目采用該形式比常規(guī)有線通信形式可節(jié)省約30％的經濟支出。

3系統其他應用案例

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，對其能耗進行采集、計量、展示、分析，依據業(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，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，距離較遠，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，與柱狀路由器進行無線通信，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，實現有線通信。自2014年11月系統投入運行以來，采用有線通信方式的其他用電分項采集不穩(wěn)定，有數據中斷的現象發(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。通過經濟性分析，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，應用本系統后，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，有單獨的低配室和空調主機房，距離主樓和輔樓約80m。在該樓加裝建筑能源管理系統，對70談宏飛，等：建筑能源管理系統的設計及應用其能耗進行采集、計量、展示、分析。系統分為一期和二期，一期只需實現低配室分回路計量，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。經過現場調研，發(fā)現以下問題：（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，實現回路的計量。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，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一、二期項目的統一性，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，與柱狀路由器進行無線通信、無線采集。系統自2015年3月投入運行以來，通信穩(wěn)定，未出現數據終端問題。通過與大樓前3年的平均能耗對比分析，應用本系統后該大樓的能耗降低了10％。

4結語

基于MESH900MHz無線通信的建筑能源管理系統為科學用能、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，實現節(jié)能工作的科學管理及能源效率的持續(xù)改進，值得大力推廣應用。

參考文獻：

1清華大學建筑節(jié)能研究中心．中國建筑節(jié)能年度發(fā)展報告2007[M]．北京：建筑工業(yè)出版社，2007.

2潘文玉，高陽．淺談辦公建筑的節(jié)能改造[J]．建筑安全，2007（7）:59-61.

3江億．我國建筑能耗狀況及有效的節(jié)能途徑[J]．暖通空調，2005，35（5）:25-27.

4倪德良．上海公共建筑節(jié)能潛力分析[J]．能源技術，2002，23（3）:14-16.

5田樹靜．論能源計量在企業(yè)節(jié)耗中的作用[J]．中國科技縱橫，2010（12）:271.

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研討會，2003.

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