能源管理系統(tǒng)在大學(xué)校園設(shè)計中的應(yīng)用

王紀松

(中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233018)

能源管理系統(tǒng)在大學(xué)校園設(shè)計中的應(yīng)用

王紀松

(中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233018)

大學(xué)校園是能耗較大的公共建筑，同時也是社會的重要組成部分，是培養(yǎng)人才和促進科技進步的主要力量，創(chuàng)建節(jié)能型綠色校園意義重大。

能源管理； 綠色校園； 節(jié)能系統(tǒng)

1 項目背景及概述

在國家十二五規(guī)劃中，新能源問題及節(jié)能減排被提到非常重要的位置，因為它關(guān)系到我國可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵問題。公共建筑能耗在我國社會總能耗中占有較大比例，具有很大的節(jié)能潛力。這其中，高校的能耗比例一直由于各種原因長期居高不下。

隨著國家一系列激勵政策的出臺和順利落實，全國各高校已經(jīng)充分認識到開展建筑節(jié)能工作的重要性，“綠色校園”已成為“和諧校園”建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。高等學(xué)校是培養(yǎng)人才和促進科技進步的主要陣地，深入開展高等學(xué)校節(jié)能型校園建設(shè)工作，不僅可以促進學(xué)校本身的能源資源節(jié)約，降低辦學(xué)成本，在社會起到示范和帶動作用，還有利于使廣大學(xué)生樹立節(jié)能環(huán)保意識，對我國經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

2 項目能源運行管理的現(xiàn)狀與難點

由于高校建筑物運行管理的特殊性，采取開放式、粗放型管理模式的居多，導(dǎo)致其能耗比例一直居高不下，持續(xù)增長，高校建筑能耗在整個社會建筑總能耗中的占比逐年增加。集中體現(xiàn)在能源的浪費比較嚴重，比如教學(xué)樓、實驗樓、圖書館等建筑的長明燈現(xiàn)象，空調(diào)、風扇等用電設(shè)備長時間運行；用水地下管網(wǎng)的跑冒滴漏現(xiàn)象等。由于缺乏較為全面的能耗計量，導(dǎo)致這些浪費現(xiàn)象無法得到有效的監(jiān)測和重視，而缺乏測量數(shù)據(jù)則自然難以得到有效的管理和改善。

該項目設(shè)計的主要目的就是建立簡約型高校建筑節(jié)能監(jiān)控平臺，針對校園內(nèi)各類建筑物的能源消耗進行分類、分項計量統(tǒng)計，獲取準確、詳細的各類建筑能源消耗的數(shù)據(jù)，制定各類建筑物合理的用電、用水評估指標體系，發(fā)現(xiàn)并減少校園運行管理中的能源浪費現(xiàn)象，實現(xiàn)節(jié)能增效。

該項目中的校園占地面積大，建筑種類多、分布區(qū)域廣，按照建筑功能主要包括了學(xué)院樓、圖書館、教學(xué)樓、食堂、游泳池、實驗樓、學(xué)生宿舍、服務(wù)中心、門診樓、保障樓和室外建筑等。消耗的能源類型也比較多，主要包括電、冷水、熱水、集中供冷等。不同功能的建筑物所消耗能源的特點和規(guī)律各有差異，導(dǎo)致對能源運行管理的方式也各有區(qū)別。對于學(xué)院樓、實驗樓等建筑，一般按照不同的管理單位，如院系等進行能源的計量考核；而對于教學(xué)樓、圖書館、服務(wù)中心等公共區(qū)域，則一般按照細分區(qū)域進行能耗的計量考核；學(xué)生宿舍是比較特殊的一類建筑，其能耗計量考核一般需要細化到每個宿舍單元。

3 項目實施的范圍與設(shè)計的總體要求

該項目的設(shè)計工作主要針對校園建筑的用電、用水情況進行全面的計量監(jiān)測和管理。對于建筑對象，主要分為兩個層面來進行管：一方面是針對學(xué)院樓、圖書館、教學(xué)樓、實驗樓等建筑對象進行能耗計量監(jiān)測，安裝對應(yīng)的電、水消耗的計量表計，根據(jù)《國家機關(guān)辦公建筑以及大型公共建筑能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)導(dǎo)則》和《高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》中的要求，實現(xiàn)各個建筑對象的分類、分項能耗計量；另一方面針對學(xué)生宿舍這一特殊建筑對象，實現(xiàn)針對每個宿舍的耗能計量，同時將能耗計量數(shù)據(jù)結(jié)果作為學(xué)生購買宿舍用電、用水的參考依據(jù)。

該項目總體的具體設(shè)計內(nèi)容如下：

1)安裝智能電表和水表，對校區(qū)內(nèi)學(xué)院樓、圖書館、教學(xué)樓等建筑實現(xiàn)分類、分項能耗計量。

2)為學(xué)生宿舍樓的每一間宿舍分別安裝電表、冷水表和熱水表，實現(xiàn)對每個宿舍的用電、用水計量。

3)建設(shè)一個能源運行管理監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時在線采集所有計量表計的能耗數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計出每一個建筑對象的總用電量、用水量，以及按照國家導(dǎo)則要求的分項用電量，如動力用電、空調(diào)用電、照明插座用電和特殊用電。

4)該系統(tǒng)能夠按照指定的計費方案對學(xué)生宿舍樓的用水、用電量進行自動計算統(tǒng)計，并提供對應(yīng)的宿舍能耗賬單供學(xué)生查詢了解。

5)系統(tǒng)具備宿舍用電、用水自動監(jiān)視功能，支持欠費自動斷電功能。系統(tǒng)支持與校園網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，可獲取每個宿舍賬戶的當前剩余可用電量和水量，自動進行實時的檢測，一旦當前用電量超出可用電量，則自動實施遠程斷電。賬戶充值繳費后，由管理人員手工實現(xiàn)送電，電費的充值繳費管理由校園網(wǎng)系統(tǒng)負責完成。

該設(shè)計中采用國內(nèi)比較成熟的校園建筑節(jié)能監(jiān)控平臺系統(tǒng)軟件產(chǎn)品iEEMV 2.1，該系統(tǒng)是基于PecStar V 3.5核心平臺進行軟件研發(fā)，充分吸收了PecStar V 3.5系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲、底層設(shè)備的接入以及系統(tǒng)集成方面的靈活性和可靠性，系統(tǒng)采用開放式、模塊化、分層分布式系統(tǒng)架構(gòu)，支持系統(tǒng)規(guī)模的無縫擴容；可快速接入帶通訊接口的各種能源類型的計量監(jiān)測裝置設(shè)備，提供全面的能源數(shù)據(jù)采集功能，支持電、水、氣以及其他能源類型的消耗數(shù)據(jù)的在線采集與離線錄入，提供統(tǒng)一的界面進行全能量數(shù)據(jù)的集中管理。與此同時，該系統(tǒng)還支持將能耗數(shù)據(jù)按照指定的格式和接口要求定期上傳至省、市級的能源管理數(shù)據(jù)中心。

iEEM V 2.1系統(tǒng)支持可靈活組態(tài)的系統(tǒng)配置以及圖形畫面、報表定制功能，可根據(jù)項目具體要求快速建立能源分量計量管理模型以及關(guān)鍵的能耗指標參數(shù)；提供豐富、美觀的顯示界面實現(xiàn)分類、分項、分戶能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計查詢和對比。系統(tǒng)可提供基于C/S和B/S結(jié)構(gòu)的能耗數(shù)據(jù)展示方式，針對不同管理職能的用戶角色提供2D/3D可視化監(jiān)測、圖形化的數(shù)據(jù)展示效果和簡單易用的操作管理功能，具有良好的用戶體驗。針對專職的能源管理用戶，系統(tǒng)還提供各種專業(yè)的分析工具來實現(xiàn)能源平衡及損耗分析、能耗指標分析、能耗成本分析和綜合能效評估等高級功能，幫助用戶發(fā)掘節(jié)能潛力，實現(xiàn)節(jié)能管理和節(jié)能效果的評估。

iEEM V 2.1系統(tǒng)以真實、準確的分類、分項能耗數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)依據(jù)。通過一系列的功能應(yīng)用來滿足用戶在日常能源運行管理和能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析過程中的實用型需求，通過這一科學(xué)量化的管理工具，幫助用戶逐步調(diào)整和完善企業(yè)能源運行管理機制，最終實現(xiàn)能源管理模式的轉(zhuǎn)變：

1)實現(xiàn)能源管理由粗放型管理向精細型管理的轉(zhuǎn)變。

2)實現(xiàn)能源管理由單體節(jié)能管理向系統(tǒng)節(jié)能管理的轉(zhuǎn)變。

3)實現(xiàn)能源管理由事后被動管理向事前主動管理的轉(zhuǎn)變。

4)實現(xiàn)能源管理由經(jīng)驗化管理向科學(xué)定量化管理的轉(zhuǎn)變。

4 該項目具體設(shè)計采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置

該設(shè)計中的系統(tǒng)采用開放性、分層分布式的模塊化系統(tǒng)架構(gòu)，主要分為系統(tǒng)主控層、通信管理層和現(xiàn)場設(shè)備層三個層次來實現(xiàn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。通過現(xiàn)場總線將各個建筑物內(nèi)部的電表、水表等計量表計進行連接，匯總到區(qū)域的能耗數(shù)據(jù)采集器中后，通過光纖網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)的集中，統(tǒng)一在主控層監(jiān)測管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中進行存儲，由系統(tǒng)軟件提供各類功能應(yīng)用和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的展示，并實現(xiàn)與校園網(wǎng)系統(tǒng)(含BA系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、路燈智能控制系統(tǒng)、OA系統(tǒng)和一卡通數(shù)據(jù)系統(tǒng)等)的數(shù)據(jù)交互，同時將校區(qū)的分類、分項能耗計量數(shù)據(jù)自動上傳至省、市級的能耗數(shù)據(jù)中心。

4.1 系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)

該項目設(shè)計能效管理系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，見圖1。

該項目EEMsys能效管理系統(tǒng)采用雙機單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲，在每個監(jiān)測對象所在區(qū)域，根據(jù)接入表計的數(shù)目分別設(shè)置一臺或多臺能耗數(shù)據(jù)采集器完成本區(qū)域的電、水能耗數(shù)據(jù)的采集和匯總，通過校園智能網(wǎng)絡(luò)將各個監(jiān)測區(qū)域的能耗數(shù)據(jù)采集器匯總傳輸至能源管理中心，保存到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。能源管理系統(tǒng)除了提供各類軟件功能應(yīng)用之外，還提供與校園網(wǎng)交互訪問的接口，確保授權(quán)用戶可通過校園網(wǎng)通過Web方式訪問本系統(tǒng)，與此同時本系統(tǒng)還提供專門的數(shù)據(jù)上傳接口，用于將校園能耗數(shù)據(jù)按照分類、分項要求上傳至省、市級能源管理中心。

系統(tǒng)主控層：即能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心和運行管理中心，主要完成所采集各類能耗數(shù)據(jù)的匯總存儲和展示，提供多種軟件功能應(yīng)用滿足用戶日常能源管理和數(shù)據(jù)分析的需求。主要包含一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、兩臺Web應(yīng)用服務(wù)器、三臺能耗數(shù)據(jù)采集監(jiān)測服務(wù)器和一臺通訊服務(wù)器等輔助設(shè)備，為了保證能耗數(shù)據(jù)采集監(jiān)測的完整性，該項目采用雙機熱備的配置。

通信管理層：主要完成現(xiàn)場設(shè)備層所采集的各類能耗數(shù)據(jù)從設(shè)備裝置內(nèi)部至系統(tǒng)主控層數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的網(wǎng)絡(luò)傳輸管理，主要包含能耗數(shù)據(jù)采集器、光纖以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器、以太網(wǎng)交互機、M-BUS轉(zhuǎn)換器等網(wǎng)絡(luò)通信管理設(shè)備以及光纖、以太網(wǎng)、總線、無線網(wǎng)絡(luò)等傳輸介質(zhì)。

現(xiàn)場設(shè)備層：主要由分布在所監(jiān)測區(qū)域，如教學(xué)樓、宿舍、圖書館等的智能電表、智能水表等設(shè)備組成，實現(xiàn)各個用電回路或用水管道的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、通訊和遠程傳輸。

4.2 設(shè)備層能耗計量設(shè)備配置

該項目設(shè)計中涉及的能耗計量設(shè)備主要包括智能電表和智能水表，均配備通訊接口，支持在線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。根據(jù)所監(jiān)測區(qū)域和對象的用能特點不同，對于表計的配置方式也不同，大致可分為兩種配置類型：

1)學(xué)生宿舍是本項目的重點監(jiān)測和管理對象，要求針對每個單元分別進行電、水的計量。電表采用RS 485接口。

2)學(xué)院樓、圖書館、教學(xué)樓、食堂、游泳池、實驗樓、服務(wù)中心、門診樓、保障樓和室外等建筑對象也需要監(jiān)測電、水兩類能源，但是監(jiān)測的細化程度不需要像學(xué)生宿舍那么詳細。該項目主要要求實現(xiàn)對建筑物總體、各個樓層以及重要區(qū)域的分類、分項能耗計量即可，水表的數(shù)量相對較少，主要用于計量每個樓層的衛(wèi)生間用水即可。電表采用RS 485接口，水表同樣為了采購和安裝的一致性，推薦采用M-BUS接口的智能水表。

4.3 通信層系統(tǒng)集成與組網(wǎng)配置

該項目中的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信部分主要采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，使用基于光纖網(wǎng)絡(luò)進行各個建筑物之間的互聯(lián)。主要從網(wǎng)絡(luò)傳輸層和現(xiàn)場總線層兩方面來考慮配置的實現(xiàn)：

1)網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過在每個監(jiān)測建筑對象內(nèi)部合理配置能耗數(shù)據(jù)采集器，完成針對本建筑物內(nèi)的所有電、水表計的數(shù)據(jù)采集和匯總，并通過能耗數(shù)據(jù)采集器的上行以太網(wǎng)接口完成本建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)向能源數(shù)據(jù)管理中心的傳輸匯總。通過配置交換機與智能網(wǎng)絡(luò)連接，將能耗數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)絡(luò)傳輸。該項目可直接基于校園網(wǎng)已有的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通道，可以將能耗數(shù)據(jù)采集器直接接入到校園網(wǎng)中的以太網(wǎng)交換機。

2)現(xiàn)場總線層：現(xiàn)場總線主要是指將設(shè)備層的表計通過總線組網(wǎng)互聯(lián)然后接入到能耗數(shù)據(jù)采集器下行接口部分。根據(jù)總線類型的不同，可以分為RS 485串行總線和M-BUS串行總線兩種。RS 485總線主要負責完成電表的組網(wǎng)連接；而M-BUS總線則主要負責完成水表的組網(wǎng)連接，由于能耗數(shù)據(jù)采集器下行接口為RS 485接口，因此需要在M-BUS總線所在通道配置M-BUS轉(zhuǎn)RS 485的專用轉(zhuǎn)換器，完成轉(zhuǎn)換后即可將水表所在計量回路接入到能耗數(shù)據(jù)采集器下行接口。水表由于安裝位置的分散性，考慮采用M-BUS總線，無需額外增加電源模塊，直接通過M-BUS的通訊線即可實現(xiàn)供電和通訊的雙重功能。

5 實現(xiàn)的功能

該項目中能效管理系統(tǒng)通過軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分的相互配合，通過對系統(tǒng)配置的組態(tài)定制，建立了針對與該項目實際管理需求的能源分項計量管理模型，確保構(gòu)建的能耗分類、分項、分區(qū)域計量對象的組織結(jié)構(gòu)最大程度地保持與項目實際能源管理和考核要求一致性。系統(tǒng)提供一系列專用的能耗計量管理節(jié)點用于從不同的層次和角度來滿足能源管理與分析的需求，如能源管理分區(qū)節(jié)點、計量節(jié)點、計費節(jié)點、損耗節(jié)點、設(shè)備節(jié)點、綜合能源管理節(jié)點等。主要實現(xiàn)了以下功能：

1)校園建筑物對象分類、分項能耗計量監(jiān)測。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對于校園內(nèi)各類建筑物的用電、用水狀況的在線計量監(jiān)測，可實時統(tǒng)計出每棟建筑物、建筑物每一層樓以及重要區(qū)域的詳細用電量、用水量的數(shù)據(jù)。針對用電數(shù)據(jù)，可分項統(tǒng)計出動力、空調(diào)、照明插座和特殊用電的消耗量和占比情況，幫助管理者詳細地了解和掌握當前校園內(nèi)能源分布和消耗的準確情形。同時，支持按照指定的數(shù)據(jù)格式，將校園總用能以及各個建筑物用能的分項計量數(shù)據(jù)自動上傳給省、市級的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測中心。

2)學(xué)生宿舍用電、用水在線計量及預(yù)付費管理。該系統(tǒng)提供了專門針對學(xué)生宿舍用能計量監(jiān)管和用能費用賬單管理的分戶計量和預(yù)付費管理功能。該功能可實現(xiàn)學(xué)生宿舍用電、用熱水、用冷水量實時數(shù)據(jù)采集和自動抄表，統(tǒng)計每個學(xué)生宿舍的分類用量，并自動完成電費、水費的計費統(tǒng)計，定期生成每個宿舍單元的用量費用賬單。通過與校園網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)可獲取每個學(xué)生宿舍預(yù)先購買的可用電、水量，自動進行剩余可用電量、水量的監(jiān)測。一旦發(fā)現(xiàn)剩余電量、水量不足則實現(xiàn)剩余電量、水量不足的短信提醒；如果監(jiān)測到當前用電量、用水量超限，則實現(xiàn)自動斷電、停水。綜合考慮項目具體情況，對于學(xué)生宿舍用電，實行欠費自動斷電、賬戶充值繳費后通過人工方式送電的方法；對于學(xué)生宿舍用水，包括冷水和熱水，只對用水量進行實時計量監(jiān)測，暫不實行欠費自動停水的方法。

3)校園節(jié)能監(jiān)管與能效指標統(tǒng)計分析。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)能耗在線采集、計量監(jiān)測功能，還提供更高層面的節(jié)能監(jiān)管和能效分析的功能應(yīng)用，幫助系統(tǒng)運營管理者更加準確、合理的管理校園的能源利用。通過對不同建筑物用能量和用能狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)視，可分析其實際耗能量與用能規(guī)律和特點是否保持一致，比如通過能源平衡分析可以快速發(fā)現(xiàn)用能過程的中跑、冒、滴、漏現(xiàn)象；通過能耗趨勢分析和用能時段對比，可及時地發(fā)現(xiàn)異常用能的情況，如教學(xué)樓的長明燈；通過能源定額管理和用能超標預(yù)警，可以逐步完善和優(yōu)化辦公樓、教學(xué)樓的用能管理制度，培養(yǎng)良好的節(jié)能意識和用能習(xí)慣；通過設(shè)置建筑對象的能效指標來合理的評估建筑用能的水平，如單位建筑面積耗能、人均耗能、學(xué)生宿舍人均耗能等；通過對該類指標進行對比分析，可尋找出用能效率偏低的對象和區(qū)域，進行重點的管理和節(jié)能改造。

6 結(jié) 語

通過該項目中實施的能源管理系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了各種能耗的在線分類、分項、分戶計量、節(jié)能控制、能源質(zhì)量監(jiān)測等功能，對整個校園的能源管理和能耗降低起到很大的作用，充分響應(yīng)了國家建設(shè)綠色校園的號召。同時，隨著國家節(jié)能政策的推進和綠色和諧社會的發(fā)展，能源管理系統(tǒng)將會在各種大型公共建筑中得到更加廣泛的應(yīng)用并起到越來越重要的作用。

[1] GB/T 50378—2006，綠色建筑評價標準[S].

[2] GB 50189—2005，公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[S].

[3] JGJ/T 229—2010，民用綠色建筑設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB/T 23331—2012，能源管理體系要求[S].

Application of Energy Management System in University Campus Design

WANG Ji-song

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd，Bengbu 233018，China)

University campus is a kind of public building with large energy consumption，and it is also an important part of society. As the major force of higher education and the progress of science and technology, it is very important to create energy-saving green campus.

energy management; green campus; energy-saving system

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.018

2014-10-30.

王紀松(1976-)，高級工程師.E-mail:wjs@ctiec.net