淺談大型公共建筑能耗監測與信息管理系統研究及產(chǎn)品選型

摘要：文章通過(guò)闡述大型公共建筑能耗現狀，突出大型公共建筑實(shí)施節能監管的必要性，并在系統總結運用技術(shù)手段實(shí)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(guò)程中的技術(shù)創(chuàng )新和應用情況。

關(guān)鍵詞：公共建筑；建筑能耗；監測；節能

0.前言

隨著(zhù)我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速，高速發(fā)展的建筑業(yè)以及不斷擴大的建筑規模使得建筑能耗日益增長(cháng)問(wèn)題越來(lái)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(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的3大“耗能大戶(hù)"。在建筑能耗中，機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節能監管體系，依托科技手段，實(shí)施全過(guò)程、全壽命監督管理，對實(shí)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(kāi)展了大型公共建筑能耗監測與信息管理系統研究，并進(jìn)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(guān)于加強機關(guān)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(guò)技術(shù)和管理2種手段來(lái)實(shí)現，技術(shù)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(yōu)化，管理手段主要是指建筑業(yè)主對能源消耗行為的管理和政府主管部門(mén)對建筑能源使用的約束。對于大量的既有公共建筑，技術(shù)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(jiàn)效慢、周期長(cháng)等問(wèn)題；管理手段側重于主觀(guān)方面，通過(guò)人工調節和行為控制來(lái)降低建筑運行使用能耗，能耗監測就是其中投資少、見(jiàn)效快的主要方式。

能耗監測主要通過(guò)在建筑設備末端安裝分項能耗計量裝置，采用公共網(wǎng)絡(luò )等遠程傳輸手段，及時(shí)采集分析能耗數據，實(shí)現建筑能耗的在線(xiàn)監測和動(dòng)態(tài)分析，是掌握用能狀況，發(fā)現用能問(wèn)題，研究用能標準和實(shí)施節能改造的重要環(huán)節。通過(guò)能耗監測，可以科學(xué)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(huán)節，從而進(jìn)行優(yōu)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(yè)主指明節能管理方向；同時(shí)，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(jìn)一步規范建筑能耗監測系統建設，發(fā)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(guān)于機關(guān)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(shù)規程》（DGJ32/TJ111-2010）對建筑用能的分類(lèi)、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(guò)程提出了技術(shù)要求，以確保系統采集的能耗數據真實(shí)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(yè)主或其委托的物業(yè)管理單位，為制定節能政策、加強用能管理等提供科學(xué)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(gè)用能子系統的實(shí)時(shí)、分項用能數據，難以掌握樓宇中各個(gè)子系統各自的用能現狀，無(wú)法實(shí)現科學(xué)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(guò)儀器對病人進(jìn)行科學(xué)性診斷，查找“病癥"所在部位，實(shí)施針對性的“治療"。2006年北京市開(kāi)展了機關(guān)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(shí)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(kāi)展能耗監測調研與研究，并于2008年起實(shí)施能耗監測項目試點(diǎn)，依托省級建筑節能專(zhuān)項引導資金落實(shí)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(yè)主等單位提供建筑的分類(lèi)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(shí)施節能改造等工作提供技術(shù)保障。為實(shí)現能耗監測平臺對建筑用能橫向對比發(fā)現問(wèn)題、縱向挖掘節能潛力的建設目的，江蘇省依據國家有關(guān)技術(shù)導則要求，結合工作實(shí)際，自行研發(fā)了能耗監測與信息管理系統，并在以下3方面進(jìn)行了技術(shù)集成創(chuàng )新。

2.1基于Flex技術(shù)大型公建能耗監測平臺的開(kāi)發(fā)方法

目前關(guān)于能耗監測應用軟件的開(kāi)發(fā)傳統主要采用net技術(shù)和J2EE技術(shù)，實(shí)現的功能側重于能耗數據的查詢(xún)與展示。但建筑耗能與很多因素有關(guān)，如建筑物的形狀、面積、朝向、層數等多種因素有關(guān)，同時(shí)也與建筑物的空間環(huán)境相關(guān)。傳統的開(kāi)發(fā)方法很難描述建筑物的空間環(huán)境、建筑物的構造特點(diǎn)等與建筑自身屬性相關(guān)的問(wèn)題，且傳統的開(kāi)發(fā)方法基于查詢(xún)驅動(dòng)，系統模式簡(jiǎn)單，信息量不足，與用戶(hù)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(shù)開(kāi)發(fā)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(jìn)行描述，將能耗數據與建筑的3D地理信息相結合，直觀(guān)展現建筑的能源消耗情況。通過(guò)對建筑區域建立3D仿真地理地圖，并將3D仿真地理地圖進(jìn)行切割成分級瓦片地圖數據，再基于Flex環(huán)境開(kāi)發(fā)地圖顯示程序組件，動(dòng)態(tài)調用分級瓦片地圖，實(shí)現輕量級的3D地圖服務(wù)功能，并將地圖坐標信息與建筑的能耗統計信息進(jìn)行有機融合，通過(guò)地圖縮放實(shí)現以不同粒度動(dòng)態(tài)查詢(xún)及比對多個(gè)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(shù)

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(wù)內容。建筑海量的能耗數據隱藏著(zhù)大量的用能特征信息，通過(guò)對歷史能耗數據進(jìn)行信息挖掘，對異常用能情況進(jìn)行捕捉，及時(shí)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(xué)方法，如統計法、偏差法、密度法等，較多地從數學(xué)的角度考慮算法，并不能反映建筑支路異常能耗數據產(chǎn)生的原因，這些算法只是在少數研究人員中進(jìn)行研究，缺乏廣泛的應用價(jià)值。建筑支路異常能耗診斷技術(shù)克服了現有技術(shù)中的不足，提出了一種基于自組織映射網(wǎng)絡(luò )的建筑異常能耗支路的在線(xiàn)診斷方法。通過(guò)該診斷技術(shù)，實(shí)現自適應的檢測模型，自動(dòng)在線(xiàn)監測建筑各能耗支路的用能情況，當異常特征發(fā)生時(shí)，及時(shí)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(shí)時(shí)接收來(lái)自監測建筑的能耗信息，監測的數據點(diǎn)多，而采集的時(shí)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(huì )占用大量的系統存儲空間，而且會(huì )降低數據的實(shí)時(shí)性，使數據的傳輸、查詢(xún)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(diǎn)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(kāi)放性的記錄方式給予系統配置自由度，有效地過(guò)濾冗余數據。利用數據平滑方法對數據序列中強噪聲點(diǎn)進(jìn)行處理，使得處理后的數據能接近被測參數的實(shí)際值，降低了傳感器的測量精度誤差給數據處理帶來(lái)的影響。數據處理過(guò)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(shí)時(shí)分類(lèi)/分項計量。數據采集與存貯、數據統計與分析、數據發(fā)布與遠傳等基本功能，已先后應用在南京、無(wú)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(wù)。

從2008年起，江蘇省實(shí)施的建筑能耗監測系統一期工程中要對8大類(lèi)、798萬(wàn)m2公共建筑能耗進(jìn)行在線(xiàn)動(dòng)態(tài)監測，其中：辦公建筑73幢、商場(chǎng)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(lái)，系統穩定可靠，功能齊全，為加強用能監管管理提供了科學(xué)數據和技術(shù)支撐，獲得了良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。目前，已對數據傳輸長(cháng)期穩定、可靠、連續的部分監測建筑開(kāi)展用能診斷分析，科學(xué)查找用能存在問(wèn)題，提出改進(jìn)措施，進(jìn)一步發(fā)揮能耗監測的作用。

4.工程案例分析

某棟4層商用寫(xiě)字樓，底層商業(yè)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(gè)回路的用電情況，并實(shí)現了遠程動(dòng)態(tài)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?jì)戎饕哪茉O備是計算機網(wǎng)絡(luò )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(shí)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(jìn)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(kāi)啟空調有關(guān)，見(jiàn)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?jì)雀黝?lèi)設備24h工作情況相符。機房?jì)雀黝?lèi)計算機網(wǎng)絡(luò )設備工作狀態(tài)下的能耗基本不變，空調的工作能耗與氣溫情況關(guān)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(shí)間是周一至周五的早8時(shí)到14時(shí)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(gè)波谷對應的正是當月的4個(gè)雙休日；這一用電支路還包括1樓大廳的用電，故14時(shí)之后還有物業(yè)的接待與值班人員活動(dòng)的用電能耗。

根據能耗動(dòng)態(tài)監測結果和現場(chǎng)調查分析，可以得知該樓宇用電基本正常，未發(fā)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(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)施能源計算，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，并向縣級以上管理節能工作的部門(mén)報送能源計算報告。

5.2應用場(chǎng)所

適用于公共建筑、集團公司、工業(yè)園區、大型物業(yè)、學(xué)校、醫院、企業(yè)等不同行業(yè)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(tài)，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時(shí)、逐月曲線(xiàn)，當日，當月能耗同比分析滾動(dòng)顯示。

5.3.2用能概況

對建筑、部門(mén)、區域、支路、分類(lèi)分項等用能進(jìn)行對比，支持當日逐時(shí)趨勢、當月逐日趨勢曲線(xiàn)、分時(shí)段能耗統計對比、總能耗同環(huán)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(lèi)能源用能進(jìn)行統計，支持報表數據導出EXCEL，支持選擇建筑數據進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)段內各類(lèi)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(xiàn)、餅圖等形式對選擇支路分類(lèi)能源在時(shí)段工作時(shí)間與非工作時(shí)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(lèi)型、設備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶(hù)合理管理設備，確保設備的運行。

5.3.9用戶(hù)報告

用戶(hù)報告針對選定的建筑自動(dòng)統計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡(jiǎn)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

7.結語(yǔ)

建立健全大型公共建筑節能監管體系建設，實(shí)現公共建筑能耗的可計量、可監測、可分析、可診斷，逐步推進(jìn)高耗能公共建筑的節能改造，實(shí)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(kāi)展建筑能耗監測管理，為建筑業(yè)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(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.