高校節約型校園數字化建設模式研究

季文娟 張廣明 唐桂忠 李 果

(南京工業大學自動化與電氣工程學院1，江蘇 南京 210009;江蘇省綠色建筑工程技術研究中心2，江蘇 南京 210009)

0 引言

隨著我國經濟的迅速發展，能源需求不斷增長與能源日益匱乏的矛盾日趨嚴重。我國能源利用率低，單位建筑面積采暖能耗為發達國家的2～3倍。因此，節能是改善環境、提高國際競爭力的必然選擇，它已成為全社會共同關注的熱點[1－2]。在能源消耗的各領域中，建筑領域是耗能大戶。而高校校園普遍存在多種能耗浪費的現象，是一個特殊的耗能大戶[3]。但目前國內外結合高校的具體情況進行綜合節能分析與改造的示例不多，研究與應用不夠完善。本文提出用分項計量技術與數字化手段相結合建設節約型校園的構想。這是高校校園節能發展的需求和趨勢，也是我國目前有待深入研究的前沿應用型課題。

1 節約型校園數字化建設

數字化校園是指利用計算機技術和網絡通信技術將學校的各項資源數字化，構成統一的用戶管理、資源管理和權限控制模式，以實現教育信息化、決策科學化和管理規范化，完成校園的信息傳遞和資源共享[4]。

建設節約型校園不僅是學校自身發展的需要，更是學校應有的社會責任。教育部《關于建設節約型學校的通知》中提出：建設節約型校園就是以提高資源利用效率為核心，以節能、節水等資源綜合利用為重點，大力加強資源的循環利用[5]。

住房和城鄉建設部于2008年相繼發布了《高等學校節約型校園建設管理與技術導則》和《抓緊落實高等學校節約型校園建設工作要求》，指明了高等學校節約型校園建設的政策依據、存在的問題、工作方向及近期目標[6]。節約型校園數字化建設的結構包括6個層次：表現層、應用層、信息資源與數據層、網絡基礎設施層、能耗分項計量層以及分項能耗采集層。

通過分項能耗采集系統采集校園內各分項能耗數據，并傳遞到能耗分項計量層，然后通過網絡基礎設施層將能耗數據信息上傳到信息中心和數據庫。在應用層，分項能耗數據被應用于信息服務、后臺管理等各子系統，最后展現在數據管理人員、學校管理人員以及社會公眾的面前。

2 校園能耗分項計量

2.1 分項計量的數據需求

根據建筑用能特點，分項能耗數據采集指標為4項：照明插座用電、空調用電、動力用電和特殊用電[7]。通過對相關支路計量表具能耗數據的數學運算，獲得分項能耗指標。

由于目前大型建筑內普遍安裝1～3塊計量表，計量深度不夠，無法對建筑能耗進行準確拆分進而準確發現建筑用電問題所在，所以必須分項計量。

2.2 分項計量的軟硬件配置

數據中心軟件包括：① Windows XP professional中文版工作站操作系統;②Windows 2003 server中文版服務器操作系統;③防火墻、防毒軟件等;④MS SQL數據庫管理軟件;⑤數據采集軟件;⑥數據分析軟件。

數據采集器必須具備8～16個RS-485采集接口，通信的最大速率不小于115 200 bit/s，通信協議支持DL/T 645、GB/T 19582;每個接口可獨立配置，支持計量設備數量不少于32臺;采集周期可根據數據中心命令或主動定時采集;存儲容量不小于16 MB;至少具有1 個有線遠傳接口[8]。

2.3 分項能耗數據采集和傳輸

數據采集器定時采集、上傳能耗數據，采集周期可以在10 min～1 h范圍內靈活配置;一般規定分項能耗數據每15 min上傳1次，不分項的能耗數據每1 h上傳1次。

為保證數據上傳的實時性、可靠性，所選網絡必須結構簡單，數據傳輸安全可靠，設備接入靈活性高、數據采集實時性強。

考慮到校園的通信和網絡設施一般比較完備，可以利用有線和無線校園網傳輸分項能耗數據，降低運行成本，擺脫電信運營商的束縛。設計過程中將ZigBee技術應用于校園內部能耗數據的短距離無線傳輸，充分發揮其低功耗、低成本、短時延、高容量和高安全的優勢。

高校通過統一的校園網接入Internet，更好地保證了安全性和方案管理。

3 校園建設的模式

依托多學科，綜合應用工業級實時數據采集、嵌入式系統、網絡通信、計算機信息安全、大型數據庫和地理信息系統等現代技術，本文提出了節約型校園數字化建設的基本模式和擴展模式，實現了高校各能耗系統的信息交互、點面對接和實時監控。

校園建筑節能監管系統由計量表具、數據采集及轉換裝置、數據傳輸網絡、數據中轉站、數據服務器和管理軟件組成。系統基于互聯網技術，采用B/S構架。

系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統拓撲結構圖Fig.1 Structure of the system topology

3.1 基本模式

基本模式是節約型校園數字化建設的必選模式，其通過建設基本模式能達到校園能耗實時監管的目的，真正實現數字化節約型校園。它主要包括校園電能計量管理系統、校園用水及給水管網監測系統、校園戶外照明智能管理系統、網絡預付費電能管理系統以及節能管理專家系統。

校園用水及給水管網監測系統通常使用基于TCP/IP協議的校園網絡，采用有線網絡端口或由無線通信模塊接入校園網絡，實現對學校各部門的用水情況監控與管理。系統具備智能化數據分析功能，可進行漏失分析和用水異常識別，幫助管理人員進行綜合決策。校園用水及給水管網監測系統如圖2所示。

圖2 用水及給水管網監測系統Fig.2 Monitoring system of water consumption and water supplying networks

校園戶外照明主要包括校園路燈、景觀照明和戶外公共設施照明等。校園戶外照明智能管理系統結合數字矢量地圖技術、無線數據傳輸和遠程控制方法。在每段路管理模式一致的路燈上安裝一個路燈載波控制器，控制器直接通過低壓載波電力線與智能數據網關通信，無需敷設專用通信線。

根據人性化的控制方案，我們對校內各路段的路燈制定不同的開關燈周期策略，如季節策略、夜間高峰期策略、假期策略等。校區內路燈通過網絡隨時隨地輕松管理，在改善控制效果的同時，也帶來了可觀的節電效益。

校園戶外照明智能管理系統如圖3所示。

圖3 戶外照明智能管理系統Fig.3 Intelligent management system of outdoor lighting

3.2 擴展模式

擴展模式是指在啟用了基本模式的前提下，根據各學校具體情況決定是否啟用的可選模式。校園用電系統主要包括教室照明智能管理系統、教室空調智能管理系統、校園太陽能發電和集熱系統、校園安全保衛系統、公共浴室計時節水系統和圖書館水源熱泵空調系統。

擴展模式是對基本模式的補充和擴展，它能使校園更好地使用、管理能源，更大程度地降低能耗。

教室照明智能管理系統通過紅外微波雙鑒探測器和門磁開關分別采集有無人及開關門信號，并將其送到控制器中。控制器通過邏輯判斷，自動控制教室照明回路的通斷。通過在教室內不同位置安裝光敏裝置，感應相應位置的光線強度。在工作時段內，紅外探測器的監測信號判斷教室內是否有人，如“無人”，控制程序進入延時。

在延時時段內，如果DDC控制器沒有再收到“有人”信號，則延時結束后，DDC控制器自動切斷照明回路;如在延時時段內接收到“有人”信號，DDC控制模塊立即中止延時，重新等待“無人”信號。當教室有人但光敏裝置感測到光線不足時，自動開啟照明系統，以保證師生們有一個良好的教學環境。

教室空調智能管理系統通過在教室內安裝CO2濃度檢測裝置，定時采集教室內CO2的濃度數據并上傳到數據中心，與設定的濃度閾值進行比對，結合季節影響因素，分析教室的人數和通風情況。當CO2濃度達到預設的換風額定值時，自動開啟空調系統進行換風，并且換風頻率根據教室內CO2實時濃度自動進行動態調節;當教室內CO2濃度降到預設的濃度最低限值時，自動關閉空調換風系統。

該系統還可以根據江蘇地區氣候特點和相關政策的要求對室內溫度進行設置：夏季室內空調溫度不低于26℃，冬季室內空調溫度不高于20℃，以實現節能的目標。

4 結束語

建設節約型數字化校園是學校實現全面節能信息化的建設目標，是高校建設發展的必然趨勢。它要求高校在校園設施建設和運行管理中充分體現節能環保的思想。相信隨著計算機及網絡技術的發展，新技術會不斷涌現，節約型校園數字化建設的內涵、技術會不斷地加以豐富和提高。

本文旨在拋磚引玉，為目前節約型校園數字化建設提出了發展方向，但在進行具體的實施和進一步的理論、實踐研究中仍有大量的研究工作需要補充及完善。

[1]Mathews E H，Arndt D，Geyser M F.Reducing the energy consumption of a conference centre—a case study using software[J].Energy and Building，2002，37(4)：437 －444.

[2]胡平放，向才旺，丁學俊，等.中國建筑能耗現狀特征[J].武漢城市建設學院學報，1998，15(2)：39 －43.

[3]趙慶波，單葆國.世界能源需求現狀及發展[J].中國能源，2002(2)：34－36.

[4]王曼珠，何文才，楊亞濤.無線局域網IEEE802.11的安全缺陷分析[J].微電子學與計算機，2005，22(7)：189 －192.

[5]陳翊.節約型校園建設與評價的研究[D].上海：同濟大學，2008.

[6]住房和城鄉建設部，教育部.建科[2008]89號高等學校節約型校園建設管理與技術導則[S].北京，2008.

[7]住房和城鄉建設部.建科[2008]114號 國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗檢測系統分項能耗數據采集技術導則[S].北京，2008.

[8]江蘇省住房和城鄉建設廳.DGJ32/TJ 111-2010公共建筑能耗監測系統技術規程[S].南京：江蘇科學技術出版社，2011.