建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)的研究

周巧儀 崔富義 謝 路

（1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院 浙江 杭州 310030；2.浙江天煌科技實業(yè)有限公司 浙江 杭州 310030；3.重慶德易安科技發(fā)展有限公司 中國 重慶 401332）

建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)的研究

周巧儀1崔富義2謝 路3

（1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院 浙江 杭州 310030；2.浙江天煌科技實業(yè)有限公司 浙江 杭州 310030；3.重慶德易安科技發(fā)展有限公司 中國 重慶 401332）

針對目前國內(nèi)高耗能建筑缺少有效的能源監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可視化建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案，給出了平臺結(jié)構(gòu)，并詳細介紹了平臺的配置和系統(tǒng)的特點。

建筑能耗；環(huán)境監(jiān)測；節(jié)能；物聯(lián)網(wǎng)

崔富義（1981—），工程師，浙江天煌科技實業(yè)有限公司。

謝路（1983—），工程師，重慶德易安科技發(fā)展有限公司。

隨著我國城市化進程的加速，預計到2020年，全國城市生活人口將達到56%以上，第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比例有可能超過45%。[1]相應(yīng)的建筑物和設(shè)施也將成倍增加，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。隨著能耗問題日益突顯，如何實現(xiàn)能耗管理和能源成本最小化成為中國的首要任務(wù)。

1 建筑能耗分析

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三大“耗能大戶”。現(xiàn)在我國每年新建房屋20億m2中，99%以上是高能耗建筑；而既有的約430億m2建筑中，只有4%采取了能源效率措施，單位建筑面積采暖能耗為發(fā)達國家新建建筑的3倍以上。根據(jù)測算，如果不采取有力措施，到2020年中國建筑能耗將是現(xiàn)在的3倍以上。

在我國的能源消費中，建筑能耗占了很大的比例，據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗在我國能源總消費中所占的比例已經(jīng)達到27.6%，發(fā)達國家的建筑能耗一般占全國總能耗的30～40%。[2]在建筑能耗中，國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計，國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑單位面積年耗電量達到70～300kW·h，為普通居民住宅的10～20倍，占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%。以北京為例，[3]據(jù)調(diào)查，北京政府機構(gòu)能源消費中，單位建筑面積年耗電量約為80～150kW·h，是居民住宅的4～8倍；行政機關(guān)年人均用能3.35t標準煤，比全市人均生活用能0.47t標準煤高出7倍。北京16家星級旅館中，能耗最大的旅館能耗費是能耗最小的旅館能耗費的將近3倍。北京全市的賓館、飯店、商廈、寫字樓等大型公共建筑面積僅占民用建筑的5.4%，但全年耗電量卻高達33億kW·h，接近全市居民生活用電的50%，單位面積年均耗電量是普通住宅的5～10倍。[1]

圖1

這類建筑普遍缺乏細致的用能計量，已有的數(shù)據(jù)無法滿足能耗分析需求、無法及時準確的發(fā)現(xiàn)用能問題。為了更好地開展大型公共建筑節(jié)能工作，我們必須詳細掌握建筑的各種能耗，并通過對這些能耗和建筑環(huán)境情況進行分析來發(fā)現(xiàn)建筑用能所存在的問題，為以后的節(jié)能管理和節(jié)能改造提供依據(jù)，而建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)在這個過程中則起了舉足輕重的作用。

2 系統(tǒng)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)圍繞建筑能耗中的電、水、氣、熱耗、冷耗5類能源系統(tǒng)進行監(jiān)測，結(jié)合建筑內(nèi)部的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對能耗數(shù)據(jù)進行分析。在實現(xiàn)技術(shù)上采用現(xiàn)場總線（modbus）儀表實現(xiàn)5類能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，采用基于泛在無線傳感網(wǎng)(UNIT)的探測器實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，采用工業(yè)數(shù)據(jù)庫與組態(tài)軟件實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的匯總和分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

該系統(tǒng)包含了能耗監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測兩個部分。其中能耗監(jiān)測按照能源類別分類分項進行監(jiān)測、統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析，分類為：電量、水量、氣量、熱耗量、冷耗量5類；其中電量分兩級分項進行監(jiān)測，電量一級分項：照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊用電4個分項，電量二級分項：照明插座用電包括房間照明用電、插座用電、走廊用電、應(yīng)急照明用電和室外景觀照明用電5個二級分項，空調(diào)用電包括冷熱站用電和空調(diào)末端用電2個二級分項，動力用電包括電梯用電、水泵用和通風機用電3個二級分項，特殊用電包括信息中心、洗衣房、廚房、餐廳、游泳池、健身房6個二級分項，其它分類能耗不做分項監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測部分分為：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測等。

2.1 系統(tǒng)平臺構(gòu)建

本系統(tǒng)是以計算機、通訊設(shè)備、測控單元為基本工具，為大型公共建筑的實時數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及遠程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺，它可以和檢測、控制設(shè)備構(gòu)成任意復雜的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用分層分布式計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場設(shè)備層。

2.1.1 站控管理層

站控管理層針對能耗監(jiān)測系統(tǒng)的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的最上層部分。主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備，如工業(yè)級計算機、打印機、UPS電源等組成。監(jiān)測系統(tǒng)軟件具有良好的人機交互界面，對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息計算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運行狀況。

監(jiān)控主機：用于數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為系統(tǒng)內(nèi)或外部提供數(shù)據(jù)接口，進行系統(tǒng)管理、維護和分析工作。

打印機：系統(tǒng)召喚打印或自動打印圖形、報表等。

模擬屏：系統(tǒng)通過通訊方式與智能模擬屏進行數(shù)據(jù)交換，形象顯示整個系統(tǒng)運行狀況。

UPS：保證計算機監(jiān)測系統(tǒng)的正常供電，在整個系統(tǒng)發(fā)生供電問題時，保證站控管理層設(shè)備的正常運行。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)通訊層

通訊層主要是由通訊管理機、以太網(wǎng)設(shè)備及總線網(wǎng)絡(luò)組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負責對現(xiàn)場設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進行采集、分類和傳送等工作的同時，轉(zhuǎn)達上位機對現(xiàn)場設(shè)備的各種控制命令。

通訊管理機：是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和智能通訊管理中心。它具備了數(shù)據(jù)采集與處理、通訊控制器、前置機等功能。

以太網(wǎng)設(shè)備：包括工業(yè)級以太網(wǎng)交換機。

通訊介質(zhì)：系統(tǒng)主要采用屏蔽雙絞線、光纖以及無線通訊等。

2.1.3 現(xiàn)場設(shè)備層

現(xiàn)場設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場總線連接的分布式I/O控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端，向數(shù)據(jù)中心上傳存儲的建筑能耗數(shù)據(jù)。測量儀表擔負著最基層的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，其監(jiān)測的能耗數(shù)據(jù)必須完整、準確并實時傳送至數(shù)據(jù)中心。

2.2 系統(tǒng)主要部件技術(shù)性能指標

2.2.1 數(shù)據(jù)采集器

采用數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)對電、水、氣、熱耗、冷耗量的數(shù)據(jù)采集。支持對多種類型用能計量裝置的數(shù)據(jù)采集，包括電能表（含單相電能表、三相電能表、多功能電能表）、電力監(jiān)測儀、電量計測模塊，水表、燃氣表、冷熱量計、流量計等。

2.2.2 電量采集系統(tǒng)

配置方案：通過1個三相總電量表監(jiān)測建筑總能耗，通過4個分項電量表監(jiān)測照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊用電4個一級分項電量。通過16個分項電量表監(jiān)測16項的二級分項電量。所有電表均為通過Modbus協(xié)議傳送電量數(shù)據(jù)到采集器，采集器通過局域網(wǎng)上傳到監(jiān)控主機上并在監(jiān)控軟件上進行數(shù)據(jù)處理和分析，監(jiān)測到的各種數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心和上級調(diào)度相連，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和能耗的合理調(diào)配。

電量監(jiān)測指標主要有電流、電壓、頻率、視在頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及電能等。

2.2.3 用水量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個具有Modbus協(xié)議的水表實現(xiàn)對建筑用水總量的監(jiān)測，實現(xiàn)對建筑日、月、年用水量的監(jiān)測和分析。

2.2.4 用氣量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個具有Modbus協(xié)議的氣表實現(xiàn)對建筑用氣總量的監(jiān)測，實現(xiàn)對建筑日、月、年用氣量的監(jiān)測和分析。

2.2.5 制熱量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個具有Modbus協(xié)議的熱量表實現(xiàn)對建筑用熱量總耗的監(jiān)測，實現(xiàn)對建筑日、月、年用熱量的監(jiān)測和分析。

2.2.6 制冷量采集系統(tǒng)

配置方案：通過一個具有Modbus協(xié)議的冷量表實現(xiàn)對建筑用冷量總耗的監(jiān)測，實現(xiàn)對建筑日、月、年用冷量的監(jiān)測和分析。

2.2.7 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

配置方案：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過基于無線自組織傳感網(wǎng)的環(huán)境探測器實現(xiàn)建筑室內(nèi)環(huán)境的參數(shù)監(jiān)測，檢測的環(huán)境參數(shù)有：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測等。環(huán)境探測器通過無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心集合環(huán)境參數(shù)實現(xiàn)對能耗系統(tǒng)的分析。

2.2.8 數(shù)據(jù)中心和監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心和監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)數(shù)據(jù)庫和組態(tài)軟件進行實現(xiàn)，它可實現(xiàn)參數(shù)列表、實時曲線圖、數(shù)據(jù)棒圖、實時數(shù)據(jù)、折算數(shù)據(jù)、累計數(shù)據(jù)、歷史、報警畫面、數(shù)據(jù)報表等多種統(tǒng)計和分析功能。

3 系統(tǒng)特點

該項目針對現(xiàn)代建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點數(shù)量大、較密集、布線復雜的特點，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可視化建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，通過構(gòu)建基于無線傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和開發(fā)具有能耗管理與節(jié)能策略分析功能的軟件平臺，實現(xiàn)建筑能耗與室內(nèi)環(huán)境的可視化監(jiān)測與管理。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

（1）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對建筑能耗和建筑環(huán)境系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)測，并根據(jù)建筑環(huán)境對建筑能耗狀態(tài)進行分析，得出耗能系統(tǒng)的綜合評價，實施能源的優(yōu)化配置。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)的傳感層采用無線傳感技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可大大減少布線工作或無需布線，可不對現(xiàn)有耗能設(shè)備作任何改造，工程安裝和維修簡單方便。減少建立建筑能耗及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所帶來的施工量以及綜合布線對環(huán)境的影響，減少投資和工期，特別適用于既有建筑和設(shè)施。

（3）系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，構(gòu)架簡單，擴展功能強，可方便地滿足用戶未來需求。內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)靈活，可隨時增加或減少傳感節(jié)點系統(tǒng)易于維護，任意節(jié)點的故障不會影響系統(tǒng)工作。

（4）使用智能終端可通過GPRS或互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程管理和監(jiān)測。同時具有本地數(shù)據(jù)存儲功能，確保數(shù)據(jù)完整性。

（5）建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測實現(xiàn)可視化管理，自動生成能耗分析報告，能耗報表自動打印，操作管理便捷。

該系統(tǒng)首次將建筑能耗監(jiān)測與建筑環(huán)境監(jiān)測有效的結(jié)合起來，實現(xiàn)能源優(yōu)化配置；無線組網(wǎng)方式和模塊化結(jié)構(gòu)架構(gòu)簡單，組網(wǎng)便捷，便于建設(shè)和改建；可視化的界面為維護管理人員提供了更為便捷的操作管理模式，易于推廣，是一種建設(shè)綠色節(jié)能建筑的有效方法。該項目的應(yīng)用可使建筑中能源使用效率大大提高，有效緩解目前能源緊張的壓力，具有廣闊的市場前景和良好的經(jīng)濟效益，對緩解國家能源緊缺狀況，實現(xiàn)節(jié)能和減排溫室氣體規(guī)劃目標，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要而深遠的意義。

［1］鄭明明,陳碩.建筑能耗監(jiān)測平臺的研究[J].建筑節(jié)能,2009(9).

［2］泰豪分項計量系統(tǒng)在大型公共建筑中的應(yīng)用[J].Intelligent Building,2010(4).

［3］清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能2008年度發(fā)展研究報告[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

本文受浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院科研基金資助，課題名稱——基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可視化建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)研究（課題編號201006）。

周巧儀（1981—），講師，工程師，同濟大學職業(yè)技術(shù)教育學碩士，現(xiàn)任教于浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院。

王洪澤］