淺談大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)

劉丹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

摘要：大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠幫助管理者及時(shí)掌握建筑能耗情況，從而為綠色節(jié)能決策進(jìn)行指導(dǎo)，由此研究大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。本文基于大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，從系統(tǒng)整體架構(gòu)、具體功能模塊等角度，分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)能耗數(shù)據(jù)采集、能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能。通過(guò)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)，促進(jìn)我國(guó)大型公共建筑節(jié)能的推廣。

關(guān)鍵詞：大型公共建筑；能耗監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0概述

人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)日益頻繁，使得大量建筑拔地而起，從而導(dǎo)致建筑能耗不斷增長(zhǎng)，并使得建筑能耗成為當(dāng)前三大能源消耗領(lǐng)域之一。其中，大型公共建筑能耗是建筑能耗的重要組成部分，其單位面積的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)住宅建筑能耗。由此使得大型建筑能耗成為當(dāng)前人們關(guān)注的焦點(diǎn)，并開(kāi)始大力實(shí)施綠色節(jié)能。但是就目前來(lái)看，大型公共建筑的綠色節(jié)能還存在很多問(wèn)題，如推廣理念不全，缺乏的能耗技術(shù)監(jiān)督手段等，嚴(yán)重制約著大型公共建筑綠色節(jié)能。因此，建立大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的必要性。通過(guò)能耗監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)掌握能耗情況，從而為綠色節(jié)能提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1大型公共建筑能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求分析

1.1功能需求

合理的大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，必然建立在對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)需求進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)之上。大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求可以分為能耗數(shù)據(jù)采集與分析、配電情況監(jiān)控、監(jiān)控結(jié)果展示、信息處理、效果評(píng)估等。

能耗數(shù)據(jù)采集與分析的需求是指通過(guò)大型公共建筑能耗檢測(cè)系統(tǒng)，能夠采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)比較的功能。

配電情況監(jiān)控的需求是指通過(guò)大型公共建筑能耗檢測(cè)系統(tǒng)，能夠檢測(cè)配電的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各種事故的報(bào)警，并進(jìn)行分析診斷。

信息處理的需求是指通過(guò)大型公共建筑能耗檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的處理與輸出，比如生成分析報(bào)表等各類(lèi)報(bào)表。

展示平臺(tái)的需求是指通過(guò)大型公共建筑能耗檢測(cè)系統(tǒng)，建立用戶的交互平臺(tái)，從而展示綠色節(jié)能理念宣傳等內(nèi)容。

效果評(píng)估的需求是指通過(guò)大型公共建筑能耗檢測(cè)系統(tǒng)，將能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，將得出的結(jié)果生成相應(yīng)圖表，從而了解節(jié)能的成效。

1.2系統(tǒng)主要組成

大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由相關(guān)硬件結(jié)構(gòu)與軟件結(jié)構(gòu)共同組成，相關(guān)的硬件設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集的設(shè)備、網(wǎng)關(guān)以及服務(wù)器等，而軟件結(jié)構(gòu)主要集成了數(shù)據(jù)的采集、處理、監(jiān)測(cè)以及展示等相關(guān)方面的軟件。大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與有線數(shù)據(jù)傳輸兩種。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)是設(shè)備安裝簡(jiǎn)便，有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)在于穩(wěn)定、廉價(jià)，可根據(jù)需求進(jìn)行選擇。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方式同樣可根據(jù)需求進(jìn)行選擇，B/S架構(gòu)及C/S架構(gòu)兩者相較而言，利用瀏覽器便能進(jìn)入大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的B/S架構(gòu)，顯然適用性更高。

2大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案

2.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)在設(shè)置好的時(shí)間點(diǎn)發(fā)出指令，數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集工作并將數(shù)據(jù)傳回網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)上報(bào)至數(shù)據(jù)處理層。

2.2整體系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于前文所述的大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求分析，筆者提出系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)，可以細(xì)化為大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)信息的采集、大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)信息的傳輸、大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)信息的處理存儲(chǔ)、大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)信息的展示、大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)信息的上傳等方面。因此，在大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)中，功能層級(jí)設(shè)置為：能耗數(shù)據(jù)采集設(shè)備層、能耗數(shù)據(jù)采集功能層、能耗數(shù)據(jù)傳輸層、能耗數(shù)據(jù)處理儲(chǔ)存層、能耗數(shù)據(jù)展示層以及能耗數(shù)據(jù)上傳層，如圖1所示。

圖1 功能層架構(gòu)

從圖1中可以看到，各層具體功能為：設(shè)備層是指電能表、水表等數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安裝；采集層主要功能是通過(guò)電能表得到相關(guān)電力參數(shù)；傳輸層主要功能是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式并上傳給管理者；處理儲(chǔ)存層主要功能是分析、處理及存儲(chǔ)能耗數(shù)據(jù)；展示層主要功能是展示能耗數(shù)據(jù)；上傳層主要功能是數(shù)據(jù)上傳至上級(jí)平臺(tái)。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前我國(guó)大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象是電能消耗情況、水消耗情況、溫度及濕度等環(huán)境情況，通過(guò)人工采集和系統(tǒng)自動(dòng)采集兩種方式，利用配電站、分戶、用水、環(huán)境等專(zhuān)用監(jiān)測(cè)采集設(shè)備，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，目前，系統(tǒng)自動(dòng)采集是主要的數(shù)據(jù)采集方式。

3.2數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)

在本文提出的大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用分布式架設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，將數(shù)據(jù)采集設(shè)備所采集到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理保存。因?yàn)殡S著數(shù)據(jù)采集的不斷積累，能夠顯著提高效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速查詢(xún)和報(bào)表的快速顯示。

3.3數(shù)據(jù)展示功能實(shí)現(xiàn)

大型公共建筑的能耗數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)采集、傳輸、處理，通過(guò)展示層向管理者展示。展示包括能耗數(shù)據(jù)及相關(guān)分析、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、節(jié)能分析、報(bào)警、系統(tǒng)配置等方面，能夠地為管理者展示大型公共建筑的能耗情況，從而幫助管理者發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、輔助決策、評(píng)估效果。

3.4數(shù)據(jù)上傳功能實(shí)現(xiàn)

在大型公共建筑的能耗數(shù)據(jù)的上傳過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)狀況需要實(shí)時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，避免出現(xiàn)由網(wǎng)絡(luò)情況異常而導(dǎo)致的故障發(fā)生。在本設(shè)計(jì)中，大型公共建筑的能耗數(shù)據(jù)的上傳過(guò)程中，采用AES算法加密的方式進(jìn)行驗(yàn)證，工作流程如圖2所示。

圖2 加密驗(yàn)證流程圖

本設(shè)計(jì)中，大型公共建筑的能耗數(shù)據(jù)上傳前需要經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證和通訊測(cè)試，以此避免通訊異常而導(dǎo)致故障，工作流程如圖3所示。

圖3 身份驗(yàn)證和通訊測(cè)試流程圖

3.5數(shù)據(jù)生成功能的實(shí)現(xiàn)

大型公共建筑的能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)生成功能的工作流程為：第一步，讀取已有的XML緩存文件；步，根據(jù)緩存中的分項(xiàng)公式對(duì)XML中的每個(gè)能耗項(xiàng)進(jìn)行公式解析。若解析成功則讀取相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，代入公式計(jì)算出該分項(xiàng)配置的能耗數(shù)據(jù)，從而生成XML格式數(shù)據(jù)包，等待數(shù)據(jù)上發(fā)；若不成功則等待輪訓(xùn)二次執(zhí)行。

3.6數(shù)據(jù)重傳功能的實(shí)現(xiàn)

在大型公共建筑的能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)重傳功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：通過(guò)程序預(yù)先設(shè)置，將生成好的數(shù)據(jù)包上傳至上級(jí)平臺(tái)，接收反饋信息進(jìn)行后續(xù)處理。在數(shù)據(jù)上傳過(guò)程過(guò)程中，針對(duì)數(shù)據(jù)上傳異?；蛉笔У惹闆r，會(huì)出發(fā)斷點(diǎn)續(xù)傳及異常重傳。在接收反饋信息過(guò)程中，針對(duì)超時(shí)未接收到反饋信息的情況，在異常重發(fā)中記錄時(shí)間點(diǎn)；針對(duì)異常反饋信息的情況，將返回相關(guān)信息，包括錯(cuò)誤信息和服務(wù)器端接收客戶端信息的時(shí)間信息，系統(tǒng)將記錄錯(cuò)誤信息，并在異常重發(fā)中記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3.7傳輸控制及日志管理的實(shí)現(xiàn)

在大型公共建筑的能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基本通過(guò)自動(dòng)的方式傳輸數(shù)據(jù)，但還需要預(yù)留一定的人為干預(yù)控制流程。包括傳輸時(shí)間控制、傳輸間隔控制、接收超時(shí)限定控制、數(shù)據(jù)包特定傳輸時(shí)間控制和傳輸異常數(shù)據(jù)控制。

大型公共建筑的能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的日志管理可分為常規(guī)日志與異常日志兩部分。在本文的設(shè)計(jì)中，常規(guī)日志的主要功能是對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)日常運(yùn)行的情況進(jìn)行記錄，記錄的是與數(shù)據(jù)內(nèi)容有關(guān)的內(nèi)容；異常日志的主要功能是對(duì)報(bào)錯(cuò)信息及數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致的錯(cuò)誤信息進(jìn)行記錄。

4安科瑞能耗監(jiān)控系統(tǒng)介紹

Acrel-5000能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對(duì)水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過(guò)對(duì)用戶端所有能耗進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類(lèi)能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，節(jié)約能源，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照有關(guān)規(guī)定實(shí)施能源審計(jì)，分析現(xiàn)狀，查找問(wèn)題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實(shí)可行的節(jié)能措施，并向縣級(jí)以上人民管理節(jié)能工作的部門(mén)報(bào)送能源審計(jì)報(bào)告。

4.1平臺(tái)結(jié)構(gòu)

Acrel-5000能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、測(cè)控單元為基本工具，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用現(xiàn)場(chǎng)總線、光纖環(huán)網(wǎng)或無(wú)線通訊中的一種或多種結(jié)合的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，它可以和檢測(cè)設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的采用面向?qū)ο蟮姆謱印⒎旨?jí)、分布式智能結(jié)構(gòu)。建立如下層次結(jié)構(gòu)：

圖4 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

4.2平臺(tái)功能

（1）系統(tǒng)可按使用年份統(tǒng)計(jì)建筑物各分類(lèi)能耗——電、水、氣、集中供熱、集中供冷以及其它能源消耗量，自動(dòng)折算成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，從而反映建筑物當(dāng)年各分類(lèi)能耗用能和綜合能耗。系統(tǒng)以餅圖形式展示建筑4大用電分項(xiàng)能耗的占比情況。系統(tǒng)以曲線圖形展現(xiàn)各類(lèi)能耗的消耗的消耗趨勢(shì)，便于業(yè)主方實(shí)時(shí)直觀掌握能源消耗情況。

（2）系統(tǒng)可以根據(jù)分類(lèi)能耗的支路名稱(chēng)查詢(xún)用能情況，顯示當(dāng)日和當(dāng)月的用能峰值。顯示當(dāng)日用能、當(dāng)月用能、當(dāng)年用能與昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。以條形顯示過(guò)去48小時(shí)、31天、12個(gè)月、3年的能耗情況。右上角顯示過(guò)去15分鐘曲線（電表顯示功率曲線，流量表顯示流速曲線）。

（3）系統(tǒng)依據(jù)建筑物能源消耗的分布情況進(jìn)行能耗計(jì)量點(diǎn)的選取和設(shè)置，使得能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以覆蓋整個(gè)建筑物。系統(tǒng)使用者可通過(guò)相關(guān)界面調(diào)取該建筑物各能耗節(jié)點(diǎn)的能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表，減少用能的“跑、冒、滴、漏"和計(jì)量誤差。

（4）系統(tǒng)依據(jù)住建部分類(lèi)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集導(dǎo)則，將建筑物耗電分為照明插座、空調(diào)、動(dòng)力和特殊用電進(jìn)行計(jì)量裝置選型和設(shè)置，并按用能區(qū)域或功能區(qū)域等劃分并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以報(bào)表和同、環(huán)比棒圖形式展現(xiàn)該區(qū)域的能源消耗。

（5）系統(tǒng)可針對(duì)能源消耗量大的設(shè)備或區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確定位，便于管理層制定節(jié)能績(jī)效考核制度，推動(dòng)節(jié)能降耗的執(zhí)行。為用能設(shè)備建立運(yùn)行記錄檔案，長(zhǎng)期跟蹤記錄設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的能效分析評(píng)估結(jié)果，結(jié)合設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)記錄，為設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。

（6）系統(tǒng)提供分級(jí)權(quán)限管理功能，對(duì)具備權(quán)限用戶提供開(kāi)放的信息維護(hù)接口，用戶可自行對(duì)建筑和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)計(jì)量點(diǎn)的信息進(jìn)行增、刪、改和查詢(xún)，建筑物信息包括建筑類(lèi)型、建設(shè)年代、建筑面積、建筑物人員數(shù)量等。系統(tǒng)還對(duì)無(wú)法自動(dòng)采集的計(jì)量信息提供手動(dòng)錄入功能，便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。

4.3數(shù)據(jù)上傳

安科瑞能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范定義的系統(tǒng)平臺(tái)接口協(xié)議規(guī)范的要求，將用能企業(yè)的基礎(chǔ)信息、計(jì)量器具信息、用能數(shù)據(jù)及能效數(shù)據(jù)上傳至省級(jí)或平臺(tái)，上傳數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)HTTPS協(xié)議加密傳輸。如果數(shù)據(jù)傳輸失敗或超時(shí)（網(wǎng)絡(luò)故障），將重發(fā)數(shù)據(jù)，直至接收成功反饋消息。

4.4能源計(jì)量表具選型

5總結(jié)

綜上，通過(guò)大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可幫助相關(guān)管理者掌握大型公共建筑能耗情況，并成為提高大型公共建筑能耗管理的重要途徑。本文基于大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)的功能需求，提出了大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)了各功能層，包括數(shù)據(jù)采集功能、傳輸功能，數(shù)據(jù)展示功能，數(shù)據(jù)上傳功能，數(shù)據(jù)生成功能，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能以及傳輸控制及日志管理功能。從功能而言，基本滿足目前我國(guó)大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)的需求，能夠?yàn)榇笮凸步ㄖ墓?jié)能工作提供決策支持。

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