淺談大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設計研究與實現

劉細鳳

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)測系統(tǒng)能夠幫助管理者及時掌握建筑能耗情況，從而為綠色節(jié)能決策進行指導，由此研究大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)具有長遠的意義。本文基于大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的需求，從系統(tǒng)整體架構、具體功能模塊等角度，分別對系統(tǒng)進行設計和構建，從而實現了對能耗數據采集、能耗數據統(tǒng)計分析等功能。通過該系統(tǒng)設計，促進我國大型公共建筑節(jié)能的推廣。

關鍵詞：大型公共建筑；能耗監(jiān)測；系統(tǒng)設計

0概述

人類的經濟活動日益頻繁，使得大量建筑拔地而起，從而導致建筑能耗不斷增長，并使得建筑能耗成為當前三大能源重點消耗領域之一。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遠超過住宅建筑能耗。由此使得大型建筑能耗成為當前人們關注的焦點，并開始大力實施綠色節(jié)能。但是就目前來看，大型公共建筑的綠色節(jié)能還存在很多問題，如推廣理念不全，缺乏有效的能耗技術監(jiān)督手段等，嚴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)測系統(tǒng)，具有很強的必要性。通過能耗監(jiān)測，能夠及時掌握能耗情況，從而為綠色節(jié)能提供基礎的數據依據。

1大型公共建筑能監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

1.1功能需求

合理的大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，必然建立在對系統(tǒng)的相關需求進行詳細分析的基礎之上。大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的需求可以分為能耗數據采集與分析、配電情況監(jiān)控、監(jiān)控結果展示、信息處理、效果評估等。

能耗數據采集與分析的需求是指通過大型公共建筑能耗檢測系統(tǒng)，能夠采集相關數據，并實現數據比較的功能。

配電情況監(jiān)控的需求是指通過大型公共建筑能耗檢測系統(tǒng)，能夠檢測配電的相關參數，實現各種事故的報警，并進行分析診斷。

信息處理的需求是指通過大型公共建筑能耗檢測系統(tǒng)，能夠實現信息的處理與輸出，比如生成分析報表等各類報表。

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

效果評估的需求是指通過大型公共建筑能耗檢測系統(tǒng)，將能耗數據進行計算分析，將得出的結果生成相應圖表，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)測系統(tǒng)由相關硬件結構與軟件結構共同組成，相關的硬件設備主要包括數據采集的設備、網關以及服務器等，而軟件結構主要集成了數據的采集、處理、監(jiān)測以及展示等相關方面的軟件。大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的數據傳輸方式有無線數據傳輸與有線數據傳輸兩種。無線數據傳輸的優(yōu)勢是設備安裝簡便，有線數據傳輸的優(yōu)勢在于穩(wěn)定、廉價，可根據需求進行選擇。網絡架構方式同樣可根據需求進行選擇，B/S架構及C/S架構兩者相較而言，利用瀏覽器便能進入大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的B/S架構，顯然適用性更高。

2大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)具體設計方案

2.1監(jiān)測系統(tǒng)的設計思路

數據采集網關在設置好的時間點發(fā)出指令，數據采集設備進行監(jiān)測對象的數據采集工作并將數據傳回網關，由網關上報至數據處理層。

2.2整體系統(tǒng)架構設計

基于前文所述的大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的需求分析，筆者提出系統(tǒng)整體方案設計，可以細化為大型公共建筑能耗數據信息的采集、大型公共建筑能耗數據信息的傳輸、大型公共建筑能耗數據信息的處理存儲、大型公共建筑能耗數據信息的展示、大型公共建筑能耗數據信息的上傳等方面。因此，在大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構中，功能層級設置為：能耗數據采集設備層、能耗數據采集功能層、能耗數據傳輸層、能耗數據處理儲存層、能耗數據展示層以及能耗數據上傳層，如圖1所示。

圖1 功能層架構

從圖1中可以看到，各層具體功能為：設備層是指電能表、水表等數據采集設備的安裝；采集層主要功能是通過電能表得到相關電力參數；傳輸層主要功能是轉換數據格式并上傳給管理者；處理儲存層主要功能是分析、處理及存儲能耗數據；展示層主要功能是展示能耗數據；上傳層主要功能是數據上傳至上級平臺。

3系統(tǒng)實現

3.1數據采集功能實現

當前我國大型公共建筑能耗監(jiān)測的主要對象是電能消耗情況、水消耗情況、溫度及濕度等環(huán)境情況，通過人工采集和系統(tǒng)自動采集兩種方式，利用配電站、分戶、用水、環(huán)境等監(jiān)測采集設備，對監(jiān)測對象的相關數據進行采集，目前，系統(tǒng)自動采集是主要的數據采集方式。

3.2數據傳輸功能實現

在本文提出的大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計中，使用分布式架設數據庫服務器，將數據采集設備所采集到的能耗數據進行處理保存。因為隨著數據采集的不斷積累，能夠顯著提高效率，實現數據的快速查詢和報表的快速顯示。

3.3數據展示功能實現

大型公共建筑的能耗數據經過采集、傳輸、處理，通過展示層向管理者展示。展示包括能耗數據及相關分析、數據比較、數據統(tǒng)計、節(jié)能分析、報警、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)現問題、輔助決策、評估效果。

3.4數據上傳功能實現

在大型公共建筑的能耗數據的上傳過程中，網絡狀況需要實時進行驗證，避免出現由網絡情況異常而導致的故障發(fā)生。在本設計中，大型公共建筑的能耗數據的上傳過程中，采用AES算法加密的方式進行驗證，工作流程如圖2所示。

圖2 加密驗證流程圖

本設計中，大型公共建筑的能耗數據上傳前需要經過身份驗證和通訊測試，以此避免通訊異常而導致故障，工作流程如圖3所示。

圖3 身份驗證和通訊測試流程圖

3.5數據生成功能的實現

大型公共建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)中，數據生成功能的工作流程為：第一步，讀取已有的XML緩存文件；第二步，根據緩存中的分項公式對XML中的每個能耗項進行公式解析。若解析成功則讀取相關參數數據，代入公式計算出該分項配置的能耗數據，從而生成XML格式數據包，等待數據上發(fā)；若不成功則等待輪訓二次執(zhí)行。

3.6數據重傳功能的實現

在大型公共建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計中，數據重傳功能的實現過程為：通過程序預先設置，將生成好的數據包上傳至上級平臺，接收反饋信息進行后續(xù)處理。在數據上傳過程過程中，針對數據上傳異?；蛉笔У惹闆r，會出發(fā)斷點續(xù)傳及異常重傳。在接收反饋信息過程中，針對超時未接收到反饋信息的情況，在異常重發(fā)中記錄時間點；針對異常反饋信息的情況，將返回相關信息，包括錯誤信息和服務器端接收客戶端信息的時間信息，系統(tǒng)將記錄錯誤信息，并在異常重發(fā)中記錄數據點。

3.7傳輸控制及日志管理的實現

在大型公共建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計中，基本通過自動的方式傳輸數據，但還需要預留一定的人為干預控制流程。包括傳輸時間控制、傳輸間隔控制、接收超時限定控制、數據包特定傳輸時間控制和傳輸異常數據控制。

大型公共建筑的能耗監(jiān)測系統(tǒng)的日志管理可分為常規(guī)日志與異常日志兩部分。在本文的設計中，常規(guī)日志的主要功能是對監(jiān)測系統(tǒng)日常運行的情況進行記錄，記錄的重點是與數據內容有關的內容；異常日志的主要功能是對報錯信息及數據異常導致的錯誤信息進行記錄。

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(tǒng)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(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)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(guī)定實施能源審計，分析現狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上人民管理節(jié)能工作的部門報送能源審計報告。

4.1平臺結構

Acrel-5000能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，根據現場實際情況采用現場總線、光纖環(huán)網或無線通訊中的一種或多種結合的組網方式，為大型公共建筑的實時數據采集及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測設備構成任意復雜的監(jiān)控系統(tǒng)。開放性、網絡化、單元化、組態(tài)化的采用面向對象的分層、分級、分布式智能一體化結構。建立如下層次結構：

圖4 平臺結構

4.2平臺功能

（1）系統(tǒng)可按使用年份統(tǒng)計建筑物各分類能耗——電、水、氣、集中供熱、集中供冷以及其它能源消耗量，自動折算成相應的標準煤消耗量，從而反映建筑物當年各分類能耗用能和綜合能耗。系統(tǒng)以餅圖形式展示建筑4大用電分項能耗的占比情況。系統(tǒng)以曲線圖形展現各類能耗的消耗的消耗趨勢，便于業(yè)主方實時直觀掌握能源消耗情況。

（2）系統(tǒng)可以根據分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當日和當月的用能峰值。顯示當日用能、當月用能、當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。以條形顯示過去48小時、31天、12個月、3年的能耗情況。右上角顯示過去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)依據建筑物能源消耗的分布情況進行能耗計量點的選取和設置，使得能耗監(jiān)測系統(tǒng)可以覆蓋整個建筑物。系統(tǒng)使用者可通過相關界面調取該建筑物各能耗節(jié)點的能耗統(tǒng)計報表，減少用能的“跑、冒、滴、漏"和計量誤差。

（4）系統(tǒng)依據住建部分類分項能耗數據采集導則，將建筑物耗電分為照明插座、空調、動力和特殊用電進行計量裝置選型和設置，并按用能區(qū)域或功能區(qū)域等劃分并進行統(tǒng)計，以報表和同、環(huán)比棒圖形式展現該區(qū)域的能源消耗。

（5）系統(tǒng)可針對能源消耗量大的設備或區(qū)域進行準確定位，便于管理層制定節(jié)能績效考核制度，推動節(jié)能降耗的有效執(zhí)行。為用能重點設備建立運行記錄檔案，長期跟蹤記錄設備運行過程中的能效分析評估結果，結合設備維護保養(yǎng)記錄，為設備的運行維護提供依據。

（6）系統(tǒng)提供分級權限管理功能，對具備權限用戶提供開放的信息維護接口，用戶可自行對建筑和系統(tǒng)監(jiān)測范圍內計量點的信息進行增、刪、改和查詢，建筑物信息包括建筑類型、建設年代、建筑面積、建筑物人員數量等。系統(tǒng)還對無法自動采集的計量信息提供手動錄入功能，便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。

4.3數據上傳

安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)按照重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范定義的系統(tǒng)平臺接口協(xié)議規(guī)范的要求，將用能企業(yè)的基礎信息、計量器具信息、用能數據及能效數據上傳至省級或國家平臺，上傳數據經過HTTPS協(xié)議加密傳輸。如果數據傳輸失敗或超時（網絡故障），將重發(fā)數據，直至接收成功反饋消息。

4.4能源計量表具選型

5總結

綜上，通過大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)可幫助相關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)測的功能需求，提出了大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)整體架構，在此基礎上進一步設計了各功能層，包括數據采集功能、傳輸功能，數據展示功能，數據上傳功能，數據生成功能，數據遠傳功能以及傳輸控制及日志管理功能。從功能而言，基本滿足目前我國大型公共建筑能耗監(jiān)測的需求，能夠為大型公共建筑的節(jié)能工作提供決策支持。

【參考文獻】

[1]劉芳,馬曉雯.基于公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)能管理應用研究[J].建筑節(jié)能,2015,43(06):96~99+114.

[2]于秋紅.大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設計研究[J].通訊世界,2018(01):282-283.

[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版

作者簡介：劉細鳳，女，本科，現就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)。