建筑能耗管理一體化解決方案

朱 峰 孫建華 檀姍姍

（南京磐能電力科技股份有限公司，南京 210061）

當前，隨著我國城市化水平的不斷提高，能源的匱乏和社會對能源不斷增大的需求已成為制約社會不斷進步發展的突出矛盾。建筑能耗不斷提高，對我國能源供應和環境保護造成了巨大壓力。根據發達國家的經驗，隨著城市化進程的不斷推進和人民生活水平的不斷提高，建筑能耗的比例將繼續增加并最終達到33%左右，建筑能耗也將超越公共工業、交通等行業而最終成為能耗的首位。根據近30年來能源界的研究和實踐，目前普遍認為建筑節能是各種節能途徑中潛力最大、最為直接有效的方式，是緩解社會經濟發展與能源供應不足這對矛盾最有效的措施之一，也將成為提高社會能源使用率的首要因素。在建筑節能領域，我們面臨的最大挑戰就是急需全面有效的能耗管理一體化解決方案。

1 整體解決方案

1.1 概述

建筑能耗管理一體化解決方案是指以云計算、物聯網技術和集中管理模式建立的一套具有先進性、開放性、實用性、經濟性、可持續發展性、舒適性、高效性、安全可靠性和易管理維護性的全方位建筑能耗管理解決方案，該解決方案用于對目標建筑或建筑群能源系統的生產、輸配和消耗環節實施集中扁平化的動態監控和數字化管理。

該解決方案以供配電網技術與綜合能效管理技術為基礎，將為目標建筑或建筑群等提供可靠的能源保障，并從提供增值服務、推動節能減排和帶動相關科技發展等方面，支撐目標建筑或建筑群成為能源技術和服務創新的供電服務平臺。

1.2 體系架構

建筑能耗管理一體化解決方案按照保障目標建筑或建筑群供配電網高效可靠運行、建設能源技術與服務創新的思路進行總體規劃設計，采用分層分布式的一體化設計思路，總體體系架構包括現場設備層、網絡通信層、監控管理層。解決方案的體系架構如圖1所示。

圖1 建筑能耗管理一體化解決方案體系架構圖

建筑能耗管理一體化解決方案以現場設備層的建筑配電系統為基礎，以網絡通信層的高速可靠通信網作為信息傳輸支撐，建設集供配電自動化系統、建筑分布式光伏發電系統于一體的配電網管控系統，以及集成智能樓宇用能、供配電、微網、暖通空調等各種能源系統運行狀態監控與優化的綜合能效管理系統為一體的監控管理層，應用云計算、數據挖掘等技術將獲取的信息進行傳遞和處理，完成各智能化模塊之間的信息交互、運營整合和統一指揮，優化用能控制，為目標建筑或建筑群提供系統集成服務和節能技術應用服務，最終構建統一的建筑能源綜合管控一體化平臺。

從整體上來看，建筑能耗管理一體化解決方案主要由兩個子解決方案組成，分別為供配電網系統解決方案和能效管理系統解決方案，其中供配電網系統解決方案又分別由智能供配電網方案和建筑分布式光伏發電系統方案組成，能效管理系統解決方案又分別由建筑能耗管理系統方案和能源綜合利用優化系統方案組成。

1.3 拓撲結構

整體解決方案的系統拓撲結構采用集散式架構，樓宇自控系統接口、建筑物能耗監測系統接口的物理路由利用弱電系統中的樓宇設備網絡為載體，保證了系統的經濟性、實用性、避免重復投資。建筑能耗管理一體化解決方案的系統集成網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 建筑能耗管理一體化解決方案網絡拓撲圖

1.4 技術特點

1）多系統統一融合平臺：以統一的一體化平臺融合智能供配電系統、建筑分布式光伏發電系統、建筑能耗管理系統和能源綜合利用優化系統等。

2）新能源的引入：根據建筑規劃要求，因地制宜地引入太陽能、風能等一些新能源技術，協助用戶達成建筑節能指標。

3）供配電、分布式能源、能源優化統一管理：在一體化平臺上統一管理供配電網和分布式建筑能源并實施能源的優化利用。

4）智能安全隔離“防火墻”解決方案：配備多個接口對各子系統局域網進行網段劃分，設置不同網段和安全級別，實施邏輯隔離安全策略，并通過防火墻來制定訪問控制規則，確保各安全區域的邊界控制能力，維護整個系統通信網絡的安全。

5）分布式電源接入配電網和經濟優化運行控制策略技術的應用：采用分布式電源接入配電網技術來實現突破配電網規劃以最為合理的方式將分布式電源接入，將影響降到最低；利用微網經濟優化運行控制策略技術來實現微網并網優化運行控制。

6）用能在線綜合評價模型和節能量在線統計：通過Web 形式展示能耗情況的綜合評價指標模型以及該解決方案實施后的節能量情況統計，為用戶科學決策提供依據。

2 供配電網系統解決方案

2.1 智能供配電網方案

1）方案概述

智能供配電網終端解決方案是采用現代嵌入式系統技術開發的新一代高可靠性、高性價比的配網自動化遠方終端，為10kV 柱上開關、重合器、環網柜、開閉所、配電室、配電變壓器等一次設備的實時監控提供的完整、經濟的解決方案。該系列智能配電終端，可以采集配電網上實時運行數據并對其進行處理及分析，通過通信通道將信息傳送至配網自動化主站，同時控制中心通過遙控可以對配電網設備進行必要的操作。

2）方案價值

（1）為了適應我國配電自動化發展而研制的系列產品，應用于城鄉配電網的建設和改造。

（2）率先實現了多種新功能的高度集成，功能豐富、配置靈活、便于批量生產。

（3）能更好滿足配電自動化發展需求，具有很好的推廣應用前景，達到了國內先進水平。

3）系統功能

（1）配網自動化功能。測量功能，具有完整的SCADA“三遙”功能和強大信號采集能力；短路故障檢測，具有準確故障檢測功能，可檢測單相接地、相間短路及負荷過流等故障。

（2）通信功能。配有RS485、RS232、GPRS、以太網、無線網、維護口等多種通信接口，適應多種通信方式；支持規約：IEC60870-5-101/104、DNP3.0、ModBus 規約和用戶要求增加新的規約。

（3）在線維護功能。利用維護軟件可靈活方便對終端進行配置，遠程下載維護可有效減少現場維護工作量。

（4）擴展功能。可方便地通過改變配置方式來適應不同的應用要求，亦可以根據用戶要求進行專門設計。主要擴展功能包括電能質量監視、可編程邏輯控制功能、通用數據轉發功能、斷路器在線監視和故障或擾動錄波功能。

（5）高級應用。主要包括防火墻功能和廣域保護功能。

2.2 建筑分布式光伏發電方案

1）方案概述

建筑分布式光伏發電系統解決方案遵循“清潔、高效、自治、安全”的思想和總體技術標準，將光伏發電與建筑物相結合，在建筑物的外圍結構表面上布設光伏器件產生電力，從而使“建筑物產生綠色能源”。

2）方案價值

（1）可以有效地利用建筑物屋頂和幕墻，無需占用寶貴的土地資源，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要。

（2）可原地發電、原地用電，在一定距離范圍內可以節省電站送電網的投資。對于聯網戶用系統，光伏陣列所發電力既可供給本建筑物負載使用，也可送入電網。

（3）可以有效地減少建筑能耗，實現建筑節能。光伏并網發電系統在白天陽光照射時發電，該時段也是電網用電高峰期，從而舒緩高峰電力需求。

（4）光伏組件一般安裝在建筑的屋頂及墻的南立面上直接吸收太陽能，因此建筑分布式光伏發電系統不僅提供了電力，而且還降低了墻面及屋頂的溫升。

（5）建筑分布式光伏發電系統沒有噪音、沒有污染物排放、不消耗任何燃料，具有綠色環保概念，可增加樓盤的綜合品質。

3）系統功能

（1）提供功能選擇畫面，并對光伏陣列現場環境進行實時監測與顯示，如室外溫度值、濕度百分比、光照度與陣列表面溫度值等。

（2）可分區域實時監測各光伏陣列的充電電壓及電流、蓄電池電壓及溫度等信息，并對故障點進行異常顯示和報警提醒。

（3）可繪制顯示逆變器電壓一時間曲線、功率一時間曲線等，直流側輸入電流實時曲線、交流側逆變輸出電流曲線，并采集與顯示日發電量等電參量。

（4）可針對光伏發電現場的各種事件進行記錄，如：通信采集異常、開關變位、操作記錄等，時間記錄支持按類型查詢，并可對越限報警進行更改設置。

（5）對光伏發電的發電量可形成月棒圖及年度棒圖顯示，并折算成二氧化碳、二氧化硫減排量值；并可查看太陽輻射強度趨勢曲線、風速變化趨勢曲線顯示。

（6）可判斷采集到的各個設備的數據范圍，當出現特殊情況時提供報警，通知管理員采取必要措施。

3 能效管理系統解決方案

3.1 建筑能耗管理系統方案

1）方案概述

建筑能耗管理系統解決方案將使建筑能耗實時管理工作在能力建設和制度建設上取得全面突破，為建筑能耗實時計量、統計分析、管理體系的建設搭建能耗實時管理數字化平臺，實現能耗數據的公開化、透明化，實現能耗定額管理和無成本低成本能耗管理，建立科學的能耗管理制度體系。

2）方案價值

（1）全面管理各類用能設備，建立全景數據庫，采集能耗監測數據，建立能耗數據模型，為后期能耗數據分析、節能診斷提供數據基礎。

（2）開展能耗數據統計分析工作，分析、判斷和評價能源消耗的構成、變化規律以及能源利用效率等，為后期節能改造的效果評估提供定性或定量的依據。

（3）針對能耗數據分析的結果，判定能源消耗水平，對能源消耗情況提出一套完整的診斷流程，并開展節能診斷工作，得出節能診斷結果。

（4）整合各類建筑管理系統，建立能源消耗評價體系，根據節能診斷結果，對建筑節能進行優化設計，得出節能改造方案。

（5）落實節能方案，改造用能設備，管理用能習慣，通過智能化控制系統全面實現建筑節能目標。

3）系統功能

（1）能耗數據實時監測，系統數據采集器定時采集各監測點的儀表參數并上傳至建筑能耗分析管理數據庫，用戶可通過Web 方式實時監測能耗情況。

（2）公共建筑信息管理，提供標準的手工信息錄入界面，可對各棟監測建筑的基本信息、采集器信息和表計信息等進行整理和錄入，并提供公共建筑信息的實時在線Web 展示功能。

（3）能耗數據分析，可對分類分項能耗數據進行統計分析，將各項采集數據和統計數據的數值、趨勢和分布情況，運用直觀圖形和對應表格等方式的數據圖表來展示。

（4）能耗數據展示，提供動態展示各種能耗數據分析圖表，包括曲線圖、折線圖、散點圖、柱狀圖、面積圖、餅圖等多種圖表形式。

3.2 能源綜合利用優化系統方案

1）方案概述

能源綜合利用優化系統解決方案在大量歷史數據基礎上，對能源的生產、存儲、混合、輸送和使用各環節進行集中的管理與控制，為大型建筑建立一套與能耗監測管理系統集成的能源綜合利用優化模型，實現能源供需動態與靜態平衡，得出各種能源介質優化改造方案，使大型建筑能源的合理利用達到新的高度，實現清潔能源的最優化利用和系統能效最大化。

2）方案價值

（1）合理搭配建筑冷熱源設備，提高能源消耗中占有重要比重的建筑冷熱源能耗利用率。

（2）能夠很好地緩解目前建筑冷熱源設備的低效率運行和不合理配置的局面，最大程度的高效利用能源。

（3）可隨時發現建筑中突然出現的用能問題，而且可捕捉到人工難以察覺的能耗問題，從而提醒運營管理人員及時處理，改善用能效率。

3）系統功能

（1）冷熱源優化。根據目標建筑的實際情況，輸入建筑設備信息、能耗監測信息、當地能源價格及地源熱泵相關費用，系統依據所輸入的參數智能分析并選擇適合該建筑的最佳經濟性的冷熱源優化方案。

（2）建筑用能優化。重點能耗分析，通過對園區的暖通空調、照明、動力、特殊用電等的分項計量，找出能耗占比最高的幾項內容，列為該建筑的重點節能方向，制定節能降耗指標，調動物業管理及業主單位的節能意識；待機能耗分析，冷水機組等大型設備在待機時依然會耗能，這在沒有分項計量系統情況下也很容易被物業人員所忽略。通過能耗管理系統的建設，可以及早定位這類待機損耗；節能效果評估分析，以月、季、年為單位對建筑節能效果進行量化評估，對各種節能技術和產品進行統一、公平的評價，對建筑的節能效果進行一個綜合的評定，從而促使建筑管理者向更好的方向努力，形成良性循環。

4 應用案例

建筑能耗管理一體化解決方案已經廣泛應用于大中型建筑樓宇的節能改造，如工礦企業、高校、醫院、商場、經濟綜合體、國家機關辦公樓和大型公建的節能改造工程中，節能效果非常顯著，一般可節能10 到30 個百分點。

下面以經濟綜合體應用為例，即以某市百貨集團連鎖商場節能改造工程為例簡要介紹該建筑能耗管理一體化解決方案的應用及節能效果。

某市百貨集團連鎖商場節能改造項目，通過建立某市百貨智慧能源管理系統，將該集團下的所有百貨商場統一納入該百貨智慧能源管理系統中集中管理，并以百貨集團連鎖商場內部網絡作為中心網絡，建立了智能建筑供配電系統、建筑光伏發電一體化系統、建筑能耗監測管理系統、能源綜合利用優化系統的四位一體的經濟綜合體建筑能耗管理一體化系統。

圖3 應用案例示意圖1

圖4 應用案例示意圖2

5 結論

建筑能耗管理一體化解決方案系以準確詳實的能源數據作為能效分析、統計、診斷的基礎，豐富多源的智能化控制作為節能增效的手段，以強大的集成系統軟件作為能源優化管理的平臺，以降低能源消耗、提高能源利用效率為目的，利用系統的思想和過程方法，在明確目標、職責、程序和資源要求的基礎上，進行全面策劃、實施、檢查和改進，以高效節能產品、實用節能技術和方法以及最佳管理實踐為基礎，減少能源消耗，提高能源利用效率，通過能源管理實現目標建筑或建筑群的可持續運營。建筑能耗管理一體化解決方案現已廣泛應用于大型公共建筑、高能耗工礦企業、高等院校、醫院、經濟綜合體、綠色建筑、可再生能源建筑等的能源管理，助力用戶實現建筑的綠色節能，提高管理效率，降低運營成本。