基于智能網關的建筑能耗節能監管平臺的設計

薛國劍

（太原羅克佳華工業有限公司，山西 太原 030032）

0 引 言

為深入落實科學發展觀，認真落實《節約能源法》、《民用建筑節能條例》、《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》，大力推進建筑節能，積極發展綠色建筑，努力推動科技創新，中華人民共和國住房和城鄉建設部建筑節能與科技司于2010年2月10日發布2010年重點工作通知。該通知共七個方面，其中在第一條全面推進建筑節能中的第三點提到加快開展國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能監管體系建設。建立和完善能耗動態監測系統，擴大監測范圍，抓緊研究制定能耗定額和超定額加價制度，積極推行合同能源管理試點示范。啟動高耗能公共建筑節能改造。開展國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測平臺建設。

1 系統設計原理

以“功能齊全、技術先進、經濟合理、后續服務有保障”為原則，緊密結合現場調研結果，滿足國家相關技術導則和標準規范，開展試點建筑能耗水耗分項計量、數據上傳、本地能效管理等工作。將試點建筑末端監測系統建設成為山西省建筑節能工作科學量化評價、監督、監管技術平臺，充分體現本系統在山西省乃至全國建筑能效監管平臺中重要的示范和先導作用，建成后的平臺應達到國內同類項目領先水平[1]。

2 系統設計

系統集成相應數據采集、傳輸、存儲、管理、分析等各方面的應用需求。系統通過智能網關向下直接采集水、電、氣、冷熱量等能源計量設備的數據；向上可通過以太網或無線網絡向上級能耗監管平臺傳輸能耗數據；可滿足業主及工作人員通過局域網進行操作、查詢實時能耗情況，開展能耗對比、對標分析，建筑的各支路、分類、分項等能耗計算[2]。系統主要包括：分類計量分項計量系統、數據采集上傳系統、網絡系統、能耗監管平臺等部分，見圖1。

1）分類計量分項計量系統。主要對電、熱、燃氣、煤等能源及水進行分類計量，其中又將用電計量分為照明插座用電、空調用電、動力用電、特殊用電分別計量，結合現場實際用能情況及現有配電、計量系統，設計安裝配備滿足技術導則要求通訊功能的計量表具[3]，滿足最大化利用現有配電及計量系統，滿足經濟性、適用性最優化等要求，包括設計將某些較特殊用能量采用人工上報方式進行上報的實施方案[4]。

圖1 系統配置圖

2）數據采集上傳系統。安裝專用低功耗數據采集器，按照設定采集頻率、通訊協議、加密方式等對智能儀表進行實時采集。

3）網絡系統。網絡系統主要通過智能網關把電表的modbus協議、水表熱表的M-BUS等通信協議tcp/IP協議，通過internet網絡，實現數據的實時和故障恢復上傳功能。Modbus、M-bus協議采用異步半雙工RS485通信接口，使用低成本的屏蔽雙絞線構造可靠的通信網絡，實現遠距離數據傳輸功能。見圖2。

4）能耗監管平臺。由數據庫服務器、數據中心服務器、臺能耗管理計算機、打印機、不間斷電源、工業LED大屏等組成。能耗監管平臺具備站點地理分布信息管理、站點各項電參數監測分析、運行數據管理等功能。能耗監管平臺采用以太網或GPRS/CDMA無線網絡為媒介，以數據中心為核心，實現對建筑能耗的網絡化監管，能耗監管平臺的網絡服務器子系統、數據展示子系統、數據分析子系統，通過高速光纖交換機和普通交換機，實現數據通訊。網絡服務器通過高速光纖網絡實現內部通訊，大大提高了網絡服務器集群的通訊速度，見圖3。監測系統的最底層為智能電表和智能水表，也可接入智能熱表等。對于各類能耗采集表具，智能網關通過485總線或無線通訊方式，將采集數據上傳至能耗監管平臺。

圖2 智能網關端口圖

圖3 末端監測系統設計

3 系統方案設計原則

1）智能表具選取原則。需要安裝儀表監測的建筑能耗種類有：用電和用水。智能表具的性能應至少滿足《高建筑節能監管系統建設技術導則》的要求。需要采用人工方式定期網上上報的建筑能耗種類有：燃煤、燃油、燃氣等能耗。2）數據通信方式確定原則。本方案中所有智能表具同智能網關均通過485總線連接，連接方式為有線方式。

4 重點監測建筑末端系統設計思路

1）對重點監測建筑能耗進行分類。建筑能耗監測對象有：采暖動力、鍋爐房動力、空調[5]動力、照明、辦公、電梯、其它用電等，還包括冷水機組、水泵、空調機組等大型耗電設備。建筑用電能耗監測系統分類計量，見圖4。2）建筑用電分項計量是建筑能耗監測的重點。電能分項計量包括：電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等參數，采用監測功能的現場總線式智能電量變送器，實現建筑照明用電、空調用電、辦公用電、電梯用電、鍋爐房用電、其他動力用電的分項計量。3）建筑用水計量，采用具有485現場通訊功能的水表，實現建筑用水的計量；水表安裝數量與位置，根據實際調研情況確定。4）其他建筑能耗信息的人工網絡上報。對于建筑用氣、用油、用煤等能耗信息，根據各類能耗隨時間變化的特點及實時計量的難度，采用定期人工網絡上報方法，按周（月）網絡上報方式，實現上述能耗信息的上報和統計。

圖4 建筑用電監測系統分類計量結構圖

5 技術優勢

1）能耗管理一體化：集成了能耗數據采集、能耗數據處理、能耗分類、分項統計，以及人均、平均建筑面積、平均空調面積等能耗指標的自動計算。2）按照建筑類型、地理區域等進行建筑的能耗排序，并自動計算能耗階梯比例值。3）支持能耗的對比和對標分析，并且支持多套標準的建立和維護。4）數據分析采取易于理解和問題追蹤的數據下鉆分析法，可從宏觀現象逐層分解、發現問題的根源、并確定主要問題。5）系統設計及架構先進、實用，平臺化、結構化、可擴展性思想貫穿設計及開發的全流程，全面能耗對比分析，網絡化能耗監管。

6 結束語

本文系統對建筑能耗進行分析、對標、預警，為能源審計、有效能源管理、建筑節能改造、節能改造效果評估，提供了有力的數據依據；并為國家建設節能型社會產生積極的影響。

[1] 楊秀，魏慶芃，江億.建筑能耗統計方法探討[J].建筑節能，2007，35（1）：20-23.

[2] 郭莉莉.建筑能耗及潛力[J].鐵道工程學報，2006（4）：34-36.

[3] 郎四維.我國建筑節能設計標準的現狀與進展[J].制冷空調與電力機械，2002，23（12）：12-23.

[4] 任妍麗.對建筑節能設計的認識[J].山西建筑,2004(20)：56-59.

[5] 丁虹.建筑節能與節能建筑的設計[J].建筑,2002(11)：32-36.