淺談建筑能耗監測系統的現狀及應用分析

摘要:建筑能耗分項計量和能源管理系統可實(shí)現能耗數據的采集、匯總、分析、顯示等功能，但在利用數據分析結果指導決策實(shí)現節能減排目標方面仍存在不足。分析了如何在能源管理的基礎上進(jìn)一步深入研究，并借鑒*經(jīng)驗實(shí)現基于需求的能效管理。
關(guān)鍵詞:節能；分項計量；能源管理；能效管理
0引言
       我國是一個(gè)能源消耗大國，人口眾多，能源相對缺乏，人均能源占有量?jì)H為世界平均水平的40%，而建筑能耗已占到社會(huì )總能耗的40%左右。但能源效率目?jì)H為33%，比發(fā)達國家落后20a，能耗強度大大高于發(fā)達國家及世界平均水平，約為美國的3倍，日本的7.2倍。
       為實(shí)現到2020年單位國內生產(chǎn)總值CO2排放量比2005年下降40%～50%的目標，提高能源利用效率已成為我國在未來(lái)經(jīng)濟發(fā)展中的一個(gè)緊迫問(wèn)題。
1我國建筑能耗監測系統現狀
       在建筑能耗管理方面的技術(shù)措施常有分項計量系統、能源管理系統(Energy Management System，EMS)、能效管理系統(Energy Efficiency Management System，EEMS)，這些系統在功能和發(fā)展階段上存在差異。
       能耗分項計量系統源自住房和城鄉建設部2008年6月頒布的《辦公建筑及大型公共建筑樓宇分項計量設計安裝技術(shù)導則》等五個(gè)技術(shù)導則中的相關(guān)要求。2008年10月1日，我國正式實(shí)施了《公共機構節能條例》，其中明確指出:“公共機構應當實(shí)行能源消費計量制度，區分用能種類(lèi)，用能系統，實(shí)行能源消費分戶(hù)、分類(lèi)、分項計量，并對能源消耗狀況實(shí)行監測，及時(shí)發(fā)現、糾正用能浪費現象。”之后，各省、市、自治區陸續頒布針對建筑用能監測系統的規范標準，眾多企業(yè)紛紛開(kāi)始研發(fā)并實(shí)施能耗分項計量系統，越來(lái)越多的公共建筑、機關(guān)建筑開(kāi)始應用能耗分項計量系統。分項計量系統在于通過(guò)對建筑安裝分類(lèi)和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸等手段及時(shí)采集能耗數據，進(jìn)行在線(xiàn)監測。
       EMS是在實(shí)現能耗分項計量的基礎上，對建筑的電力、燃氣、水等各分類(lèi)能耗數據進(jìn)行匯總、分析。了解建筑能耗狀況，為節能降耗提供直觀(guān)科學(xué)的依據，為企業(yè)查找能耗，促進(jìn)企業(yè)管理水平的進(jìn)一步提高及運營(yíng)成本的進(jìn)一步降低，使能源使用加合理，控制浪費，達到節能減排、降低能耗的目的。
       EEMS應用智能化集成系統技術(shù)，在EMS基礎上，通過(guò)對電耗、氣耗、水耗、材耗、環(huán)境因素、使用人的舒適度、成本等數據進(jìn)行匯總分析，掌握建筑設施的實(shí)時(shí)運行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題、調整設備參數；根據數據積累的統計值，比對找出設備(設施)運行異常、資源消耗的異常，并預測未來(lái)的能耗需求，化控制策略，改進(jìn)運行狀況，提升建筑物的整體能效。
       本文將根據近期對上海市十幢大型公共建筑所做的調研，具體分析建筑能耗監測系統目發(fā)揮的作用及存在的不足。
2建筑能耗監測系統實(shí)例分析
2.1 分項計量系統
       上海市針對建筑能耗陸續頒布了《大型公共建筑能耗監測系統工程技術(shù)規范》、《公共建筑用能監測工程技術(shù)規范》和《機關(guān)辦公建筑用能監測系統工程技術(shù)規范》等規范性文件，并且建成了市級和區級兩級建筑能耗監測平臺，實(shí)現了對全市幾百幢大型公共建筑和機關(guān)辦公建筑能耗的集中監測。
       近期調研的10幢大型公共建筑均按照上海市《公共建筑用能監測工程技術(shù)規范》的要求設置了用能監測系統，實(shí)現了對水、電、燃氣等用能情況的分項實(shí)時(shí)監測。
       分項計量系統所采用的能源架構如圖1所示。

圖1 分項計量系統基本能源架構

       其中能源按照水、電、燃氣進(jìn)行分類(lèi)；水主要記錄大樓用水總量；電耗分為照明插座、空調系統、動(dòng)力系統、特殊用電等四大類(lèi)，每類(lèi)又分為若干個(gè)子項進(jìn)行計量；燃氣消耗主要記錄廚房餐廳用氣和冷熱源用氣。
2.2 EMS
       EMS是在分項計量系統的基礎上，對建筑能耗數據進(jìn)行匯總分析，了解掌握建筑能耗水平、耗能設備及系統、分析用能異常原因，為節能減排、降低能耗提供條件。
       目，已經(jīng)應用EMS的建筑大致可分為兩類(lèi):
       (1)以統計公共建筑的實(shí)時(shí)和歷史能耗為目的，旨在制定不同類(lèi)型的公共建筑用能基準，為 制定建筑用能政策作指導，同時(shí)據此可以做宏觀(guān)分析和調控。
       (2)以一棟或者幾棟具體建筑物為目標，旨在了解掌握該建筑內設備和系統能耗情況，從而化用能設備的運行，為建筑物節能改造提供依據和策略。此類(lèi)建筑大多以商業(yè)建筑、酒店為主。
       EMS可以實(shí)現如下功能:
       (1)實(shí)現能耗概覽、能效對標、能耗分項統計、能效、設備能耗追蹤分析、能耗報警、能耗報告、報表等常規功能。
       (2)能源費用占比分析，直觀(guān)顯示建筑水、電、燃氣等能源消耗比例。
       (3)電量分項能耗分析。根據耗電用途不同，可以逐月、逐年顯示動(dòng)力、空調、照明插座、特殊用電的消耗比例。
       (4)用能情況的同比、環(huán)比分析。統計建筑整體或區域能耗的時(shí)用量、日用量和年用量，以曲線(xiàn)圖、柱狀圖等不同方式顯示，支持報表輸出。
       圖2所示的大樓由于采用冷熱雙效直燃溴化鋰主機供冷及供暖，因此近三年耗電情況都比較平穩，夏季耗電略高于冬季及過(guò)渡季耗電。

圖2 某大樓近三年逐月能耗分析

       圖3所示的大樓辦公區域采用變頻多聯(lián)機空調系統，某租戶(hù)租用了15F、16F、20F三個(gè)樓層，通過(guò)EMS可以清楚地了解6～10月該客戶(hù)的空調用電情況，其中夏季7、8月的耗電量明顯高于其余三個(gè)月。

圖3 某租戶(hù)近期逐月逐層空調耗電量分析

       圖4則對入住大樓的不同租戶(hù)同期單位面積能耗進(jìn)行評比，尋找節能潛力大的客戶(hù)。

圖4 某大樓內不同租戶(hù)間近三月單位面積能耗對比

       圖5選取某園區內兩幢相似辦公樓24h用電進(jìn)行比較，非工作時(shí)間段內用電負荷基本平穩，但6#樓在6:00左右用電出現一個(gè)尖峰值，需查明原因；工作時(shí)間段內用電負荷逐漸增加并于中午后升至高值；午休時(shí)間段內負荷逐漸降低并在13:00左右降至低值；下午上班后負荷逐漸升高，達到頂點(diǎn)后逐漸降低。

圖5 某園區內2幢樓24h辦公用電分析

       由上面的分析可知:通過(guò)對逐時(shí)用電負荷的分析，可以發(fā)現異常點(diǎn)，并掌握客戶(hù)用電規律，可以在樓際間進(jìn)行對比，方便了能源管理。
       圖6記錄了某大樓11月6日15:00到11月7日15:00間24h內的逐時(shí)用水量，包括大樓內的3個(gè)員工餐廳、2個(gè)員工浴室、衛生間及空調用水等。由圖可知工作時(shí)間內用水量較大，24:00之后用水量逐漸降低，在5:00～6:00間用水量達到小值。由圖6還發(fā)現，用水量小值并非為0，而理論上應該沒(méi)有用水點(diǎn)，因此需要進(jìn)一步查實(shí)是否存在漏水點(diǎn)，從而減少浪費，降低能耗。

圖6某大樓24h用水情況分析

2.3 EEMS
       EEMS以能源管理和節能決策為目標，實(shí)時(shí)采集與能耗相關(guān)的數據和信息，通過(guò)分析、控制和管理等各種手段，化使用能源和消除能源浪費，用少的能源投入提供同等的能源服務(wù)。
       從國內行業(yè)的現狀來(lái)看，這是把傳統的建筑設備監控系統、建筑設備集成管理系統、能耗分項監測系統、EMS的基本功能合而為一，是一個(gè)以能源管理為中心的管控一體化大系統，可實(shí)現的功能如圖7所示。

圖7 能效管理系統可實(shí)現的功能

       EEMS實(shí)施的目的就是通過(guò)智能化系統集成來(lái)實(shí)現對即有系統能源消耗的節約與改善，是一個(gè)不斷循環(huán)改進(jìn)的過(guò)程，應當遵循圖8所示的工作流程。

圖8 能效管理實(shí)施流程

       圖9所示為某機關(guān)辦公建筑某日24h的能耗數據，按照圖8所示工作流程進(jìn)行數據測量、收集、評估、分析、整改、再測量、再評估、再分析、再整改不斷循環(huán)，取得了較好的節能效果，提高了能效。對原始數據進(jìn)行評估分析，采取了一定的控制措施，圖9證實(shí)按照圖8的循環(huán)過(guò)程不斷改進(jìn)可降低能耗、提高能源使用效率。

圖9 某機關(guān)辦公樓能耗運行數據

       能效管理工作的在于根據歷史能耗數據建立未來(lái)能耗需求模型，實(shí)現基于需求響應的化控制和管理。
       日本很早就開(kāi)始了對能效管理平臺的研究，2012年橫濱市建立了綜合能效管理平臺?；谛枨蟮哪苄Ч芾砥脚_實(shí)現了以下功能:
       (1)統計分析歷史能耗數據，以30min為周期建立能耗與天氣的模型，預測未來(lái)的能源需求量。
       (2)根據當日天氣變化調整上述需求量預測值，建立能耗需求模型。
       (3)以30min為周期，實(shí)時(shí)采集當日能源使用數據。如果出現與預測模型偏離的情況，則通過(guò)與樓宇自動(dòng)化系統、智能照明系統的聯(lián)動(dòng)控制進(jìn)行干預，以期將實(shí)際消耗量控制在預測范圍內。
       (4)在需要采取措施進(jìn)行節電的時(shí)間段內，可以通過(guò)電子郵件或者短信方式向用戶(hù)或者租戶(hù)發(fā)出“節電請求”，在“節電請求”期間采取的措施有減少公共區域照明開(kāi)啟數量；夏季將公共區域空調設定溫度升高1～2℃，冬季將公共區域空調設定溫度降低1～2℃，從而減少空調系統耗電；加大綠色能源的供應量；提高“節電請求”期間電費單價(jià)，促使用戶(hù)自覺(jué)節約用電。
       (5)在大型開(kāi)發(fā)區、高科技園區內項目應用EEMS對園區能源使用進(jìn)行整體調配，解決供需矛盾。尤其當園區內建有燃氣分布式發(fā)電、太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源時(shí)，根據EEMS的預測需求量，合理制定新能源系統的運行策略，發(fā)揮新能源系統的作用，實(shí)現需求響應的控制。
       通過(guò)上述分析可知，EEMS功能加全，在能源管理的基礎上，集成眾多已有的監控平臺所建立的綜合信息平臺，來(lái)實(shí)現既監又控的目的；EEMS基于歷史數據掌握能源使用規律，并指導決策，化運行；EEMS在歷史數據基礎上建立控制模型，實(shí)現基于需求的科學(xué)管理；EEMS的工作流程是一個(gè)循環(huán)的閉環(huán)過(guò)程，需要不斷分析、調整、檢驗、再分析、再調整、再檢驗，實(shí)現降低能耗、提高能效的目標；EEMS需要加專(zhuān)業(yè)的運營(yíng)維護人員參與到整個(gè)分析、決策、控制、檢驗過(guò)程中，以期加有效地發(fā)揮能效管理平臺的作用。
3安科瑞能耗監控系統介紹
       Acrel-5000能耗在線(xiàn)監測系統是用戶(hù)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(guò)對用戶(hù)端所有能耗進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)的數據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)或不合理的耗能習慣，有效節約能源，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶(hù)可按照國家有關(guān)規定實(shí)施能源審計，分析現狀，查找問(wèn)題，挖掘節能潛力，提出切實(shí)可行的節能措施，并向縣級以上人民 管理節能工作的部門(mén)報送能源審計報告。
3.1平臺結構
       Acrel-5000能耗在線(xiàn)監測系統以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，根據現場(chǎng)實(shí)際情況采用現場(chǎng)總線(xiàn)、光纖環(huán)網(wǎng)或無(wú)線(xiàn)通訊中的一種或多種結合的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)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控系統。開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò )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：

3.2平臺功能
       (1)系統可按使用年份統計建筑物各分類(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)折算成相應的標準煤消耗量，從而反映建筑物當年各分類(lèi)能耗用能和綜合能耗。系統以餅圖形式展示建筑4大用電分項能耗的占比情況。系統以曲線(xiàn)圖形展現各類(lèi)能耗的消耗的消耗趨勢，便于業(yè)主方實(shí)時(shí)直觀(guān)掌握能源消耗情況。
       (2)系統可以根據分類(lèi)能耗的支路名稱(chēng)查詢(xún)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(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(xiàn)（電表顯示功率曲線(xiàn)，流量表顯示流速曲線(xiàn)）。
       (3)系統依據建筑物能源消耗的分布情況進(jìn)行能耗計量點(diǎn)的選取和設置，使得能耗監測系統可以覆蓋整個(gè)建筑物。系統使用者可通過(guò)相關(guān)界面調取該建筑物各能耗節點(diǎn)的能耗統計報表，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計量誤差。
       (4)系統依據住建部分類(lèi)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(dòng)力和特殊用電進(jìn)行計量裝置選型和設置，并按用能區域或功能區域等劃分并進(jìn)行統計，以報表和同、環(huán)比棒圖形式展現該區域的能源消耗。
       (5)系統可針對能源消耗量大的設備或區域進(jìn)行準確定位，便于管理層制定節能績(jì)效考核制度，推動(dòng)節能降耗的有效執行。為用能設備建立運行記錄檔案，長(cháng)期跟蹤記錄設備運行過(guò)程中的能效分析評估結果，結合設備維護保養記錄，為設備的運行維護提供依據。
       (6)系統提供分級權限管理功能，對具備權限用戶(hù)提供開(kāi)放的信息維護接口，用戶(hù)可自行對建筑和系統監測范圍內計量點(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、建設年代、建筑面積、建筑物人員數量等。系統還對無(wú)法自動(dòng)采集的計量信息提供手動(dòng)錄入功能，便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。
3.3數據上傳
       安科瑞能耗在線(xiàn)監測系統按照用能單位能耗在線(xiàn)監測系統技術(shù)規范定義的系統平臺接口協(xié)議規范的要求，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(jīng)過(guò)HTTPS協(xié)議加密傳輸。如果數據傳輸失敗或超時(shí)（網(wǎng)絡(luò )故障），將重發(fā)數據，直至接收成功反饋消息。
3.4能源計量表具選型

4結語(yǔ)

       隨著(zhù)市場(chǎng)應用范圍的不斷擴大，分項計量系統和EMS發(fā)展已經(jīng)比較成熟。分項計量系統的建設基于完善的規范標準，隨著(zhù)IT技術(shù)的不斷發(fā)展，EMS的數據分析越來(lái)越精細、圖表展示越來(lái)越豐富、建筑模型越來(lái)越逼真，但是對于數據分析結果的應用還不盡如人意。例如，能耗分析的結果無(wú)法直接參與決策，無(wú)法根據歷史能耗數據的分析預測今后的能耗情況。

       日本資源廳從2011年開(kāi)始推進(jìn)大廈EMS集成業(yè)務(wù)，利用云服務(wù)進(jìn)行跨區域能源管理。截至2013年2月15日，已有接近2700棟大樓安裝了大廈EMS，并且針對住宅建筑、辦公及商業(yè)建筑、園區、工廠(chǎng)等開(kāi)發(fā)有完善的解決方案。在這一方面，我國還有一定的差距，相信隨著(zhù)能耗監測平臺的不斷應用和普及，功能加完善的能效管理平臺也將得到廣泛應用。

【參考文獻】
[1]王坐中.建筑能耗監測系統的應用分析[J].現代建筑電氣
[2]王弘成，李鑫.能耗分項計量管理系統的應用[J].智能建筑與城市信息，2013(3):12-14．
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版