淺談大型公共建筑能耗監測與信息管理系統研究及產品選型

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：文章通過闡述大型公共建筑能耗現狀，突出大型公共建筑實施節能監管的必要性，并在系統總結運用技術手段實施建筑能耗監測的基礎上，介紹了江蘇省建筑能耗監測系統研究過程中的技術創新和應用情況。

關鍵詞：公共建筑；建筑能耗；監測；節能

0.前言

隨著我國工業化和城市化進程的加速，高速發展的建筑業以及不斷擴大的建筑規模使得建筑能耗日益增長問題越來越凸顯。預計到2020年，我國城市生活人口將達到總人口數的56％以上，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。目前，建筑耗能已與工業耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的3大“耗能大戶”。在建筑能耗中，機關辦公建筑和大型公共建筑節能監管體系，依托科技手段，實施全過程、全壽命監督管理，對實現節能減排戰略目標具有重要的意義。作為建筑節能監管體系建設示范省，江蘇省按照住房和城鄉建設部的部署要求，組織開展了大型公共建筑能耗監測與信息管理系統研究，并進行了示范推廣應用，取得了階段性成效。

1.建筑節能監管與能耗監測

根據《關于加強機關辦公建筑和大型公共建筑節能運行和改造。

建筑節能主要通過技術和管理2種手段來實現，技術手段主要包括建筑圍護結構熱工性能的提升和建筑設備系統能效的優化，管理手段主要是指建筑業主對能源消耗行為的管理和政府主管部門對建筑能源使用的約束。對于大量的既有公共建筑，技術手段涉及圍護結構和設備系統改造，雖可以有效的降低建筑使用能耗，但是存在投資大、見效慢、周期長等問題；管理手段側重于主觀方面，通過人工調節和行為控制來降低建筑運行使用能耗，能耗監測就是其中投資少、見效快的主要方式。

能耗監測主要通過在建筑設備末端安裝分項能耗計量裝置，采用公共網絡等遠程傳輸手段，及時采集分析能耗數據，實現建筑能耗的在線監測和動態分析，是掌握用能狀況，發現用能問題，研究用能標準和實施節能改造的重要環節。通過能耗監測，可以科學判斷運行模式的合理性，判斷系統能耗水平的高低，判斷系統的用能合理性。尤其對于配電支路錯綜復雜的高能耗既有公共建筑，可以查找建筑高能耗環節，從而進行優化管理。能耗監測不僅有助于提供基礎數據和編制分析報告，為業主指明節能管理方向；同時，對用能單位能源的消耗和使用也起到了監督和管理作用。

為進一步規范建筑能耗監測系統建設，發揮工程建設標準的科技支撐和約束引導作用，按照住房和城鄉建設部及江蘇省住房和城鄉建設廳關于機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測工作的要求，江蘇省工程建設標準《公共建筑能耗監測系統技術規程》（DGJ32/TJ111-2010）對建筑用能的分類、分項、建筑能耗監測的范圍以及能耗監測系統工程的設計、施工、檢測、驗收和運行維護的全過程提出了技術要求，以確保系統采集的能耗數據真實準確。規程明確要求能耗監測系統采集的數據應遠程傳輸給省、市級建筑能耗監測數據庫，并提供給建筑所有權人、業主或其委托的物業管理單位，為制定節能政策、加強用能管理等提供科學可靠依據。

2.能耗監測與信息管理系統

目前大多數公共建筑只有總電表、總氣表等為數非常少的計量表具，缺乏樓宇內部各個用能子系統的實時、分項用能數據，難以掌握樓宇中各個子系統各自的用能現狀，無法實現科學的用能管理。能耗監測*初起源于分項計量設想的提出，好比醫生通過儀器對病人進行科學性診斷，查找“病癥”所在部位，實施針對性的“治療”。2006年北京市率先開展了機關辦公建筑和大型公共建筑分項用電計量項目研究，并初步實現了分項用電數據穩定持續的獲取、傳輸、存儲和分析，這即是建筑能耗監測系統。江蘇省自2007年開展能耗監測調研與研究，并于2008年起實施能耗監測項目試點，依托省級建筑節能專項引導資金落實了分項計量工程項目和數據庫建設。

監測建筑能耗數據展示可為建筑業主等單位提供建筑的分類分項用能狀況的統計數據，使其定量了解建筑內各部位的能源消耗情況，為指導節能運行管理、實施節能改造等工作提供技術保障。為實現能耗監測平臺對建筑用能橫向對比發現問題、縱向挖掘節能潛力的建設目的，江蘇省依據國家有關技術導則要求，結合工作實際，自行研發了能耗監測與信息管理系統，并在以下3方面進行了技術集成創新。

2.1基于Flex技術大型公建能耗監測平臺的開發方法

目前關于能耗監測應用軟件的開發傳統主要采用net技術和J2EE技術，實現的功能側重于能耗數據的查詢與展示。但建筑耗能與很多因素有關，如建筑物的形狀、面積、朝向、層數等多種因素有關，同時也與建筑物的空間環境相關。傳統的開發方法很難描述建筑物的空間環境、建筑物的構造特點等與建筑自身屬性相關的問題，且傳統的開發方法基于查詢驅動，系統模式簡單，信息量不足，與用戶交互性較差。

針對傳統方法較難描述建筑物空間屬性和信息量不足的缺陷，本系統采用Flex技術開發能耗監測與信息管理系統軟件，結合三維（3D）仿真地理地圖對建筑空間屬性進行描述，將能耗數據與建筑的3D地理信息相結合，直觀展現建筑的能源消耗情況。通過對建筑區域建立3D仿真地理地圖，并將3D仿真地理地圖進行切割成分級瓦片地圖數據，再基于Flex環境開發地圖顯示程序組件，動態調用分級瓦片地圖，實現輕量級的3D地圖服務功能，并將地圖坐標信息與建筑的能耗統計信息進行有機融合，通過地圖縮放實現以不同粒度動態查詢及比對多個建筑的能耗分析統計信息。

2.2建筑支路異常能耗診斷技術

建筑支路異常能耗可能造成能源浪費，也可能造成安全事故，建筑支路異常用能預警是一項重要的節能服務內容。建筑海量的能耗數據隱藏著大量的用能特征信息，通過對歷史能耗數據進行信息挖掘，對異常用能情況進行捕捉，及時給出預警信息。建筑支路異常能耗分析傳統上借助一些數學方法，如統計法、偏差法、密度法等，較多地從數學的角度考慮算法，并不能反映建筑支路異常能耗數據產生的原因，這些算法只是在少數研究人員中進行研究，缺乏廣泛的應用價值。建筑支路異常能耗診斷技術克服了現有技術中的不足，提出了一種基于自組織映射網絡的建筑異常能耗支路的在線診斷方法。通過該診斷技術，實現自適應的檢測模型，自動在線監測建筑各能耗支路的用能情況，當異常特征發生時，及時給出預警信息。

2.3智能樓宇中海量信息的壓縮方法

由于建筑能耗監測與信息管理系統實時接收來自監測建筑的能耗信息，監測的數據點多，而采集的時間又相對較短，因而要保存的歷史數據量非常大，如果將這些數據直接存儲，不僅會占用大量的系統存儲空間，而且會降低數據的實時性，使數據的傳輸、查詢和分析變得困難。本系統針對建筑能耗數據的特殊性，考慮不同特性數據點的需求，研究了一種智能樓宇中海量能耗信息的壓縮方法，即采用多級壓縮策略與自控精度SDT數據壓縮算法。利用開放性的記錄方式給予系統配置自由度，有效地過濾冗余數據。利用數據平滑方法對數據序列中強噪聲點進行處理，使得處理后的數據能接近被測參數的實際值，降低了傳感器的測量精度誤差給數據處理帶來的影響。數據處理過程中采用了周期跨度的保存方式，具有很高的壓縮比，與內存數據庫中的緩存結構設計相結合，使得壓縮方法與結構設計相得益彰。

3.系統應用

江蘇省建筑能耗監測與信息管理系統具備各種建筑能耗實時分類/分項計量。數據采集與存貯、數據統計與分析、數據發布與遠傳等基本功能，已先后應用在南京、無錫、常州、蘇州等市級監測中央級建筑能耗數據庫上傳數據任務。

從2008年起，江蘇省實施的建筑能耗監測系統一期工程中要對8大類、798萬m2公共建筑能耗進行在線動態監測，其中：辦公建筑73幢、商場建筑19幢、賓館建筑21幢、教育建筑73幢、醫療衛生建筑18幢、體育建筑7幢、綜合建筑7幢、其他建筑21幢。運行以來，系統穩定可靠，功能齊全，為加強用能監管管理提供了科學數據和技術支撐，獲得了良好的經濟效益和社會效益。目前，已對數據傳輸長期穩定、可靠、連續的部分監測建筑開展用能診斷分析，科學查找用能存在問題，提出改進措施，進一步發揮能耗監測的作用。

4.工程案例分析

某棟4層商用寫字樓，底層商業用房尚未使用，2至4層為辦公用房。該樓宇安裝電能表分別計量照明、空調、機房、廚房等8個回路的用電情況，并實現了遠程動態監測，其中：各樓層的照明插座用電，包括辦公室的照明、辦公設備等；各樓層的空調用電是中央空調機的能耗；機房內主要耗能設備是計算機網絡設備和空調；廚房餐廳支路包括2樓廚房的設備用電、2樓餐廳的空調用電等。

圖14月至11月各層照明插座用電比較

從圖1可知，總體上該樓照明插座用電的變化規律相同，符合工作人員作息時間一致的現狀；4樓工作人員較多，日用照明插座負荷相對較高，監測結果對此予以驗證；2樓計量的面積較少，故能耗較3、4樓也較少。

從圖2可知，各層空調用電基本規律相同，7、8月份是空調用電的高峰期。3樓與2樓的空調用電基本相同，但考慮到2樓的計量面積較少，故2樓的單位面積空調用電較高。4樓空調用電夏季使用較多，符合其人數較多的現狀，而進入11月份其空調用電較2、3樓低，可能與其工作人員中占多數的年輕人對低溫適應能力較強而未開啟空調有關，見圖2。

圖2各層空調用電比較

圖3所示為機房用電情況趨勢圖，從圖中可知機房用電比較規律，日用電在300kW·h左右，用電基本在12.5kW·h左右，起伏很小。這與機房內各類設備24h工作情況相符。機房內各類計算機網絡設備工作狀態下的能耗基本不變，空調的工作能耗與氣溫情況關系不大。

圖3機房用電情況

圖4廚房餐廳用電情況

該樓宇廚房餐廳主要為辦公人員準備午餐，其工作時間是周一至周五的早8時到14時左右。從圖4可知，廚房餐廳的用電基本符合其工作規律，4個波谷對應的正是當月的4個雙休日；這一用電支路還包括1樓大廳的用電，故14時之后還有物業的接待與值班人員活動的用電能耗。

根據能耗動態監測結果和現場調查分析，可以得知該樓宇用電基本正常，未發現較大異常用電現象。

5.安科瑞建筑能耗分析系統

5.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系統是用戶端能源管理分析系統，在電能管理系統的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節約能源，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶可按照國家有關規定實施能源計算，分析現狀，查找問題，挖掘節能潛力，提出切實可行的節能措施，并向縣級以上管理節能工作的部門報送能源計算報告。

5.2應用場所

適用于公共建筑、集團公司、工業園區、大型物業、學校、醫院、企業等不同行業的能耗監測與管理的系統設計、施工和運行維護。

5.3系統功能

5.3.1系統概況

平臺運行狀態，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時、逐月曲線，當日，當月能耗同比分析滾動顯示。

5.3.2用能概況

對建筑、部門、區域、支路、分類分項等用能進行對比，支持當日逐時趨勢、當月逐日趨勢曲線、分時段能耗統計對比、總能耗同環比對比。

5.3.3用能統計

對建筑、區域、分項、支路等結構按日、月、年報表的形式統計對分類能源用能進行統計，支持報表數據導出EXCEL，支持選擇建筑數據進行生成柱狀圖。

5.3.4復費率統計

復費率報表按日、月、年統計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析。支持數據導出到EXCEL。

5.3.5同比分析

對建筑、分項、區域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結合的方式進行用能數據同比分析。

5.3.6能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑時段內各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標值查看。

5.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在時段工作時間與非工作時間用能統計對比，支持導出報表。

5.3.8設備管理

設備管理包括，設備類型、設備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設備，確保設備的運行。

5.3.9用戶報告

用戶報告針對選定的建筑自動統計各能源的月使用的同環比趨勢，并提供簡單的能耗分析結果，針對用電提供單獨的復費率用能分析，報告可編輯。

6.系統硬件配置

應用場景	型號	圖 片	保護功能
建筑能耗管理系統	Acrel-5000web

	采用泛在物聯、云計算、大數據、移動通訊、智能傳感等技術手段可為用戶提供能源數據采集、統計分析、能效分析、用能預警、設備管理等服務，平臺可以廣泛應用于多種領域。
智能網關	ANet-1E2S1		采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，作為信息采集系統中采集終端與平臺系統間的橋梁，能夠根據不同的采集規約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據采集匯總，并使用相應的規約轉發現場設備的數據給平臺系統。
高壓重要回路或低壓進線柜	APM810

	具有全電量測量，電能統計，電能質量分析及網絡通訊等功能，主要用于對電網供電質量的綜合監控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設計，當客戶需要增加開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD卡記錄，以太網通訊時，只需在背部插入對應模塊即可。
APM520		三相全電量測量，2-63次諧波，不平衡度，支持付費率，越限告警，SOE,4-20mA輸出。
低壓聯絡柜、出線柜	AEM96

	三相多功能電能表，均集成三相電力參數測量及電能計量及考核管理，提供上24時、上31日以及上12月的電能數據統計。具有63次分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和繼電器輸出可實現“遙信”和“遙控”功能，并具備告警輸出，可廣泛應用于多種控制系統，SCADA系統和能源管理系統中。
動力柜	ACR120EL

	測量所有的常用電力參數，如三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，諧波等，并具備完善的通信聯網功能，非常適合于實時電力監控系統。
DTSD1352

	DIN35mm導軌式安裝結構，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數設置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業標準DL/T614-2007對電能表的各項技術要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機實現數據交換。
AEW100

三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。

照明箱

DTSD1352

	DIN35mm導軌式安裝結構，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數設置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業標準DL/T614-2007對電能表的各項技術要求，并且具有電能脈沖輸出功能；可用RS485通訊接口與上位機實現數據交換。
DDSD1352

	DDSD1352單相電子式電能表主要用于計量低壓網絡的單相有功電能，同時可測量電壓、電流、功率等電量，具有紅外通訊功能，并可選配RS485通訊功能，方便用戶進行用電監測、集抄和管理。可靈活安裝于配電箱內，實現對不同區域和不同負荷的分項電能計量，統計和分析。
DDS1352

	單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量，紅外及RS485通訊，電流規格10（60）A，有功電能精度1級。無功精度2級，尺寸:1P
ADW300/4G

	計量低壓網絡的三相有功電能，具有RS485通訊和470MHz無線通訊功能，方便用戶進行用電監測、集抄和管理。可靈活安裝于配電箱內，實現對不同區域和不同負荷的分項電能計量，統計和分析。
ARCM300T-Z-4G

	三相全電量測量，剩余電流、2-63次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選2G/4G通訊。
給水管道	水表		計量流經給水管道用水的體積總量，適用于單向水流，采用電子直讀技術，通過RS485總線直接輸出表盤數據。

7.結語

建立健全大型公共建筑節能監管體系建設，實現公共建筑能耗的可計量、可監測、可分析、可診斷，逐步推進高耗能公共建筑的節能改造，實現公共建筑和大型公共建筑單位面積能耗分別下降10%和15%，是“十二”期間公共建筑節能工作總目標。

開展建筑能耗監測管理，為建筑業主提供有效的建筑能耗數據，有助于管理者了解建筑用能狀況，有助于強化建筑運行管理措施，有助于提高建筑能源利用效率，是建筑節能監管不可或缺的重要科技支撐。。

參考文獻

[1]路宏偉.大型公共建筑能耗監測與信息管理系統研究及應用.[J]江蘇建筑，2011：5-143.

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.

審核編輯 黃宇