福建省機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統的研發與應用

文｜福建省建筑設計研究院 林衛東

2009年5月起，福建省開始全面積極落實國務院《關于支持福建省加快建設海峽西岸經濟區的若干意見》。開展機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統研究、做好建筑節能監管體系建設，對建設節約型社會、推進海峽西岸經濟區建設、營造綠色生態空間、全面完成節能減排任務有十分重大的意義。

1 研發背景

為了進一步加強對國家機關辦公建筑、大型公共建筑的節能管理，國家相關主管部門計劃，到2010年年底完成大多數重點建筑的用電分項計量裝置安裝，搭建起全國聯網的城市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測平臺，實現對重點建筑的能耗動態監測，以便于建立和完善能效測評、用能標準、能耗統計、能源審計、能效公示、用能定額、節能服務等各項制度。

福建省機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統是響應國家節能減排號召，在總結吸收國內已有能耗監測系統建設成果和經驗的基礎上，結合福建省建筑能耗監測的現狀及省國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統省級、市級數據中心（或數據中轉站）的業務需求，并綜合考慮建立起全省聯網的建筑能耗監測系統的需求而組織研發的。

研發嚴格按照《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據采集技術導則》、《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據傳輸技術導則》、《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統樓宇分項計量設計安裝技術導則》、《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統數據中心建設與維護技術導則》、《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統建設、驗收與運行管理規范》、《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統軟件開發指導說明書》及相關國家標準進行，確保本省建筑能耗監測系統能達到相關技術指標。

2 平臺軟件分類

為推動建筑節能監管體系建設，考慮到適應不同等級、不同需求的需要，福建省機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統平臺分政府管理版、企業版、普及版三種版本。

政府管理版完全符合國家機關辦公建筑、大型公共建筑能耗監測的相關技術標準要求，適合于政府各級能耗監管部門，可用于搭建省、市級和區域性的建筑能耗監測平臺；企業版適合于分布式的大型集團企業用來搭建內部的綜合能耗管理平臺，以提高自身能源管理水平、降低運營成本，它符合國家機關辦公建筑、大型公共建筑能耗監測的相關技術標準；普及版適合于單棟樓宇、中小型企業用來搭建小規模的內部綜合能耗管理平臺，僅以提高自身能源管理水平、降低運營成本為目標。

3 能耗監測系統構架

為滿足大量并發性數據訪問及可擴充性要求，結合導則要求，福建省建筑能耗監測系統采用多層級、分布式架構設計。

如圖1所示，系統由數據中心層、采集終端層以及智能儀表層三部分組成，每層分別承擔特定的任務。其中數據中心層由相關政府監管部門建設、管理，采集終端層、智能儀表層安裝在納入建筑能耗監管系統的大型樓宇建筑中。

圖1 分層結構示意圖

智能儀表層包含各種具備數據遠傳功能的智能計量儀表（如單相電能表、三相電能表、多功能電能表、水表、燃氣表、熱/冷量表等），負責各類能源的實時用量計量，為能耗數據采集終端提供原始能耗數據。

采集終端層采用符合導則要求的專用低功耗嵌入式采集設備，通過現場總線連接各種智能計量儀表，支持多種主流通信協議，并主動對儀表進行數據采集，定時或按需將數據上傳到數據中心層中；采集終端安裝于樓宇建筑內，負責整棟樓宇的建筑數據和能耗數據收集。

數據中心層包含省、市級數據中心或數據中轉站。數據中轉站負責接收、緩存所轄區域采集終端設備上報的建筑能耗數據，并將其轉發到上級數據中心。數據中轉站并無數據處理、數據分析、數據展示、數據持久存儲功能，建設成本將低于數據中心。數據中心負責接收所轄區域采集終端設備上報的建筑能耗數據，并對數據進行分類處理、持久化存儲，定時或按需向上一級數據中心上報能耗數據；此外，數據中心還為政府監管部門提供功能豐富的能耗監測管理及數據分析展示平臺，為業主用戶提供方便快捷的能耗數據查詢、能耗數據分析服務，為公眾用戶提供建筑能耗監測公示服務。

省級數據中心設計一個；市級數據中心或數據中轉站按需設立，數量在建設實施時根據樓宇的密集程度、各地市實際情況機動配置，也可在日后隨時增加，便于實現良好的可擴展性及靈活地控制系統建設成本。

系統架構如圖2所示。

4 系統技術特點

（1）在系統研發中，引入了“虛擬計量儀表”概念。進行能源分類分項計量改造的建筑物，其原有的能源供應回路往往是將不同分項類別或不同使用單位混合在一起，這導致了施工改造難度大、改造費用高、施工周期長等問題，而這些問題若得不到有效解決，勢必將影響到能耗監測系統的應用與推廣。針對這一情況，系統引入了允許用戶創建虛擬計量儀表的方法。虛擬計量儀表支持四則混合運算表達式（公式），可以對各計量支路、實體儀表的讀數直接進行加、減、乘、除等運算，以進行支路計算、公共儀表分攤等；同時，虛擬計量儀表可以像實體計量儀表一樣在系統中進行集中管理，易于維護和配置。能耗分項與支路結構均可綁定虛擬計量儀表，用戶可結合建筑現有表計或回路，實現分項、支路的合理虛擬化，大大提高現有計量儀表、能源供應回路的利用率，減少改造工程量，降低實施成本。

（2）系統支持對每種分類分項能耗分別設定碳排放折算系數，支持隨時調整碳排放折算系數，并且可提供多種碳排放數據分析功能與展示方式。在系統的幫助下，業主可以了解自身碳排放量；管理部門可以實時了解轄區內的機關辦公建筑和大型公共建筑的碳排放情況，以便對碳排放量及指標進行宏觀管理、考核或控制；研究機構可以根據實時、歷史碳排放數據進行科學研究與數據統計分析。

圖2 系統架構示意圖

（3）采用專門設計研發的采集終端設備，能搭建多個管理模型，同時向多個數據中心報送數據，分別對應省市級數據中心（政府管理版）、大型集團企業或有各部門管理需求的管理中心（企業版）和單幢樓宇或單個單位自身內部的管理中心（普及版）。上傳給上級數據中心數據，能滿足國家建筑能耗監測的相關技術標準要求。集團企業或單位自身內部的管理中心所需數據直接由采集終端設備送來，不需要通過登錄互聯網進行在線監測、統計或分析，可真正實現對各能耗運行狀況的24小時實時監測，幫助企業進行節能運營管理、能耗統計和分析等。

5 系統應用

5.1 政府管理版總體功能

政府管理版能耗監測系統平臺的總體功能如下：

◆ 滿足建筑能耗監測的基本功能要求，可實現能耗監測數據實時上傳、接收，并兼具數據人工采集錄入、丟失報警、修補及糾錯功能；

◆ 可以實時接收各級數據中心上傳的能耗監測數據，對能耗數據進行統計、分析對比，并自動形成監測報表、統計報告，打包并上傳給上級數據中心；

◆ 滿足建立省級能耗監測數據庫的需要，可存儲歷史數據，為制定節能政策提供數據支撐；并為建筑能源審計、能效公示提供必要的分析判定方法及數據支撐，可生成能源審計、能效公示基礎報告；

◆ 具備服務建筑節能改造、指導節能運行管理的功能，可對單體建筑能耗數據進行拆解、分析，具備耗能設備效率分析、能耗診斷等功能，可為建筑節能改造提供依據，并具備耗能設備運行異常報警功能，以及耗能設備運行異常控制功能；

◆ 具備為行業管理提供信息自動化辦公管理服務的功能，可通過建立建筑能耗監測管理動態門戶網站，實現機構介紹、政務公開、時政動態、公文收發管理、公共事務、部門事務、個人事務、會議管理、公告信息、政策法規發布、業務服務、政府文件、成果展示、友情連接等功能，方便與各級政府網站互聯；

◆ 能耗監測成果展示功能與城市立體地圖鏈接，以三維立體動態、圖表、文字等多種方式綜合直觀地展示監測結果，并與外接演示輸出設備連接；

◆ 能通過對區域內同類型用能建筑或者單位能效數據的采集、統計分析，進行用能模型分析和優化，確立適合本區域的用能標桿，實現標準化；

◆ 能通過數據分析和模型優化，參考國內外先進的用能模型，建立本區域的用能模型，為用戶構造和優化耗能系統提供依據。

5.2 數據傳輸與處理過程

數據采集終端專用設備安裝于機關辦公建筑或大型公共建筑內，與各種智能儀表相連接，收集建筑數據和能耗數據；終端將這些數據壓縮、打包，同時搭建多個管理模型，向多個數據中心報送數據。一方面，數據采集終端專用設備通過上級數據中心提供的斷點續傳接口將數據傳輸到上級數據中心的Web Service服務器中；Web Service服務器接收到數據后，進行驗證、解壓，將合法數據存儲到數據庫服務器中；Web服務器從數據庫服務器中提取數據，為用戶提供數據查詢、分析、處理服務。多個遠程工作站可以通過Web瀏覽器登錄系統，進行相應操作；數據中心管理員可以通過專用程序連接服務器，進行高級管理操作。另一方面，終端數據被直接傳送到集團企業或單位自身內部的管理中心，本企業或單位內部無需通過登錄互聯網就可對建筑能耗進行集中監視、測量和管理，實現能耗數據存儲、查詢、統計、分析，實現能源管理的自動化。這使得業主單位可以充分了解自身能耗狀況，并獲得節能運轉分析、決策的依據，有助于業主降低能耗成本。

5.3 系統主要功能

（1）基礎信息管理

基礎信息管理即為監管人員提供全面、方便、快捷的實用建筑基本信息管理的功能。能耗監測系統采用B/S架構，對數據中心基礎數據與基礎配置進行集中管理，具體內容包括數據中心基礎信息管理、建筑群管理、建筑物管理、建筑節能改造情況管理、建筑溫度信息管理、行政區域管理、能源類型管理、附件管理等。

（2）用能結構管理

用能結構管理即為監管人員提供對監控目標建筑用能結構進行定義和管理的功能，用于對建筑物的分項計量方案進行配置，與用能結構管理相關的信息包括建筑物能耗采集器信息，計量儀表信息及其參數、產品信息，采集器和計量儀表的對應關系，建筑物用能支路拓撲關系及各個回路計量儀表安裝信息，建筑物分類分項能耗與用能支路之間的關系等。

為實現用能結構管理的功能需引入“虛擬計量儀表”。“虛擬計量儀表”可以像實體計量儀表一樣在系統中進行集中管理，既能使配置的分項計量系統盡可能正確真實地反映各分項能耗，又能將其配置成本控制在合理范圍內。

（3）能耗分析

能耗分析即對經過數據處理后的分類分項能耗數據進行分析匯總和整合，通過靜態表格和動態圖表方式將能耗數據展示出來，為節能運行、節能改造、信息服務和制定政策提供數據支持。

能耗分析包括分類、分項、分支路能耗分析、能耗趨勢分析、同期能耗對比分析、碳排放分析、碳排放趨勢分析等。

（4）數據報表和圖表

數據報表是反映各行政區域、不同類型監測建筑的分類分項能耗狀況的統計表格和分析說明文字，可分為日報表、周報表、月報表、年報表等。

數據圖表是反映各項采集數據和統計數據的數值、趨勢和分布情況的直觀圖形和對應表格，可分為數據透視表、餅圖、柱狀圖、折線圖、儀表盤或動畫等，格式靈活，可交互操作。

此外，以能耗數據動態分析為基礎，能提供多角度的能耗數據挖掘功能，無論是總能耗、單位面積能耗統計分析還是任意組合的建筑能耗統計對比分析，均可通過簡單操作迅速呈現直觀結果。能耗數據挖掘功能能夠為用能監管部門和建筑業主單位提供豐富的分析和決策輔助工具，并有助于業主通過與同類建筑對比提高節能意識。常用分析對象有總用電量、分類能耗量、分項用電量、人均能耗量、單位建筑面積用電量、單位空調面積用電量、單位建筑面積分類能耗量、單位空調面積分類能耗量、單位建筑面積分項用電量、單位空調面積分項用電量等。

（5）折標系統

能耗監測系統中按照國家相關指導文件建立了折標系統，以便進行不同種能源的統計。

（6）動態監控

動態監控即為系統中的關鍵事件提供的報警功能。系統允許設定本轄區的建筑分項能耗、總能耗、單耗的報警閾值，當建筑分項能耗、總能耗、單耗超過相應的報警閾值時，系統將實時在醒目位置報警；同時，監管人員可以直接對指定的建筑進行跟蹤監控，真正做到建筑能耗管理工作的有效動態監控。通常觸發報警的事件有建筑能耗超標、現場采集設備故障、系統監測到非法入侵等，用戶也可以自行設定報警條件或方式，系統支持的報警方式有自動將報警信息發送到Web用戶操作界面，自動發送短信、郵件，發出聲光報警等。

（7）其他功能

除上述功能外，系統還具有以下功能：

◆ 消息管理，即為各級別用戶提供信息交流和反饋服務；

◆ 授權管理，即授予管理員和業主訪問權限；

◆ 數據管理，即數據庫服務器采用定期備份或實時備份，以確保數據安全；

◆ 專業可選功能，即除了國家標準規定的功能之外，系統依托強大的專業技術水平和豐富的能源管理實踐經驗，為滿足客戶多樣化的需求而提供專業可選功能，如中央空調全系統COP值監測，中央空調主機運行COP值監測，水泵運行效率監測，鍋爐、冷凍機等設備的負荷率監測，房間、環境溫濕度監測，二氧化碳濃度監測及照明度監測等。

6 結束語

建設機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統，提供客觀、真實的能耗數據，是加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑的節能運行管理，全面掌握能耗使用信息，實現建筑能耗有效監管的前提。自動向上級監督機關上報本轄區的建筑能耗狀況，能為監督機關制定節能管理相關政策、法規提供決策支持。提供公共能源管理監督平臺，可實現公眾監督；同時可以促使機關辦公建筑和大型公共建筑提高節能運行管理水平，培育建筑節能服務市場，為高能耗建筑進一步的節能改造準備條件；也能幫助政府提高能源管理效率和質量，實現自動化管理，降低管理成本，提高政府信息化水平。

目前，福建省機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統通過對多棟試點建筑的監測，系統的功能及性能得到了驗證：系統運行安全、穩定、可靠，具有較高的自動化程度，操作方便；可以幫助建筑業主實現對建筑能耗的集中監視、測量和管理，實現能耗數據存儲、查詢、分析、統計等功能；還可定期提供能源運營報告，不僅能使業主單位綜合掌握能源使用整體情況，充分了解自身能耗狀況，診斷能源耗費根源，還能作為節能運轉分析、決策的依據，幫助業主降低能耗成本；此外，還可以幫助業主單位及其員工養成節能的良好習慣；幫助業主單位樹立良好的社會形象，為環保事業做出貢獻。