基于互聯網的建筑能源管家解決方案設計與實現

張敏杰，秦玉臣，王洪陽

（北京中電普華信息技術有限公司，北京　100192）

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基于互聯網的建筑能源管家解決方案設計與實現

張敏杰，秦玉臣，王洪陽

（北京中電普華信息技術有限公司，北京100192）

摘要：針對建筑節能行業發展的新形勢，基于互聯網技術，提出了建筑能源管家解決方案，實現能源體檢、能效診斷和能源治理相結合，構建能源醫生模型、能源大數據“病例庫”，逐步完善能源評價體系，支撐建筑能源的全過程管理。

關鍵詞：互聯網；能源醫生；能源“病例庫”；建筑能源管家

目前，我國城鎮民用建筑（非工業建筑）運行耗電占我國總發電量的22%～24%，北方地區城鎮建筑供暖消耗的燃煤占我國非發電用煤量的15%～18%，建筑能耗約占全社會終端能耗的30%，且在不斷上升。其中，現役冷熱能量應用系統全年能耗約占建筑總能耗的60%以上。可見，我國建筑能耗偏高，建筑節能技術發展不平衡，且對現役能量系統節能潛力重視不足，導致建筑節能效果不明顯。

在節能減排的大形勢下，涌現了大量的能源管理產品，如：企業能源管理系統、能源監控平臺、能效管理平臺、電能服務管理平臺等，服務的對象也從單一的高耗能企業、工商企業逐步向產業園區、工業園區，甚至城市等綜合體擴張。在公共建筑節能領域的產品也是層出不窮，有建筑能源監測、監管系統、智能控制系統等，但就能源管理產品而言，多處于監測、監控、分析、單一的診斷層面。雖然產品涵蓋范圍廣泛，但是并沒有幫助建筑節能實現最佳節能效果和最優用能結構，也缺乏先進的信息技術的融合應用。

1　節能產業發展新需求

隨著能源管理和節能產業不斷發展，單一的監測、分析已經無法滿足節能產業發展的需求和用戶的需求。在互聯網時代，互聯網的思維與技術必將帶動傳統能源產業的轉型。

（1）基于互聯網發展節能產業。互聯網代表一種先進的生產力，推動經濟形態不斷地發生演變，從而帶動社會經濟實體的生命力，為改革、發展、創新提供廣闊的網能平臺，被稱作中國經濟提質增效升級的“新引擎”。目前在工業、金融、商貿、通信、交通、民生、政府各個行業廣泛應用，而在節能產業領域只是初見端倪。所以，“十三五”期間，節能減排工作亟需融入互聯網元素，促進“互聯網節能”的發展。

（2）能源醫生智能診療。能效診斷已不是一個新話題，而目前的節能服務商各自為戰、節能用戶半信半疑、能效評價體系殘缺不全，所以基于互聯網提出構建完備的能源評價體系，并基于體檢模型進行大數據的深入分析，拉近節能服務商與用能用戶的距離，提出“節能B2C模式”，實現能源醫生無處不在、能效診斷精準全面、能效改進快速響應。

（3）大數據“病例庫”。體檢、診療模型體系的大范圍應用，將會帶動能源病例庫的不斷完善。同時真實的能源數據建模也會對能效模型的改進提供幫助。可借此機會構建基于大數據的能源“病例庫”中心，這將對能源產業的發展和轉型具有深遠的影響。

2　建筑能源管家解決方案設計

2.1總體設計

建筑能源管家，簡稱“BE管家”，是面向建筑行業的綜合性節能解決方案，集采集監控、能耗分析、能效診斷于一體，采用云計算、大數據技術構建能源評價診療體系。該體系包含能源體檢評價模型、診斷治理模型、能源“病例庫”的構建，以及能源醫生智能機器人。

能源醫生（Energy doctor，Dr. E）可以向互聯網用戶提供專業的能源診療服務，基于病例庫、體檢診療模型的大數據基礎，面向互聯網、移動互聯網用戶提供能源的用能體檢、在線診療、智能化改進等服務，從而通過互聯網促進能源系統扁平化發展，推進能源生產與消費模式的革命，促進形成“互聯網+智慧能源”的新產業模式。

2.2能源監控與分析

使用采集設備對建筑各耗能對象進行全參量、全能源（包括水、電、氣、燃油）的數據采集，包括電氣參量（電量、電壓、電流、負荷、功率因數等）和非電氣參量（流量、流速、壓力、濕度、溫度、熱量、冷量、PM 2.5、CO2等），采用基于物聯網的三維展現方式進行監測監控，并將采集的數據上傳至云平臺。

BE管家可基于互聯網對建筑耗能設備，如：供暖、空調系統、電動機、水泵、鍋爐、新風系統、照明插座系統等進行遠程智能控制，并通過節能控制策略進行自動控制，也可人工干預進行遠程控制。

BE管家不僅可以對能源進行監控，更主要的是進行能耗、能效的分析，從總體能耗、單元能耗、能耗指標、能耗分布、負荷時段、人均能耗、單位面積能耗、能耗晝夜比和工休比、對標分析等多角度進行分析，幫助用戶全面了解建筑能耗情況。

2.3大數據診斷

從建筑能耗的用能結構、用能人群、用能習慣、用能區域、用能設備入手，進行大數據的挖掘分析和診斷，全面了解建筑耗能的用能習慣、規律、類型、特性等，為建筑智能節能控制提供大數據基礎，便于制定最佳的節能控制策略，同時對存在或潛在的用能問題進行預防性診斷。

2.4構建能源評價體系

根據用能企業各項指標，參考建筑行業各耗能設備的標準，制定出能源體檢評分的模型。將建筑用能的各項實際用能水平與體檢模型進行綜合對比，按照設定的權重得出體檢得分。可以根據體檢的各項明細制定出合理的、有參考價值的診斷意見，構建能源評價體系。

能源評價體系的構建可根據國家和行業標準，以及實際用能的創新性指標，制定出符合建筑行業的特性企業標準，并基于此進行綜合評價診斷。能源評價必須依托能源體檢體系的不斷完善及能效診斷模型的完備性。目前梳理的體檢模型可以分為入門級體檢、常規性體檢、擴展性體檢3個等級。

2.4.1入門級體檢

入門級體檢模型主要是采用用戶整體、易獲取的能耗數據（如：用電量、負荷）進行的入門級體檢。基于大數據對整體用能進行體檢，采用各體檢模型診斷得分乘以權重比例的方式得出綜合用能得分。

入門級體檢不依賴于數據采集控制等硬件設備，除直接采集外，還可以采用接口方式集成電力、水、燃氣等信息化系統數據，并基于模型進行大數據分析耗能用戶的綜合水平。

（1）整體耗能模型

按照報告期內用能總量、單位面積用能、人均用能、單位面積（人均）碳排放與同期、上期對比；按照報告期內單位面積耗能、人均用能與同行業、同區域耗能用戶進行匿名對比，幫助用戶了解耗能分布、排名水平等情況。

（2）能效標識模型

按照建筑行業節能能效標識水平標準，對單位人口、單位面積、能耗晝夜比、能耗工休比的能效水平等級進行評分。

（3）整體用電負荷模型

用電負荷模型主要從負荷率分布、負荷不均衡性、峰谷差特性等角度，從指標的正常范圍及同行業水平（對標分析）角度入手進行評價。

以負荷率分布評價方法為例進行說明如下。

負荷率，反映企業負荷變動的幅度，用來衡量在規定時間內負荷變動情況，以及考核電氣設備的利用程度。

負荷率正常范圍：50%～100%，且負荷率越大，表示負荷變動幅度越小，運行負荷越穩定。負荷率是一定時間內的平均有功負荷與最高有功負荷之比的百分數，用以衡量平均負荷與最高負荷之間的差異程度，是反映供、用電設備是否得到充分利用的重要技術經濟指標之一。從經濟運行方面考慮，負荷率越接近1，表明設備利用程度越好，用電越經濟。采用大數據方法分析平均負荷率同行業水平，并將負荷率分布和同行業水平計算權重分數，計入評價總分。

2.4.2常規性體檢

建筑能耗的常規性體檢可以從以下模型進行評價：①建筑總體能效模型；②建筑圍護結構模型；③建筑運行能效模型；④供暖空調系統運行能效模型；⑤電能質量模型；⑥電動機能效模型；⑦水泵能效模型；⑧空調總能效模型；⑨照明能效模型；⑩余熱利用模型；?新風能效模型；?冷卻塔能效模型；?空調機組能效模型；?鍋爐能效模型；?換熱器能效模型；?供暖空調能量輸配系統模型；?建筑舒適性模型等。

2.4.3擴展性體檢

擴展性體檢是指針對入門級、常規性體檢的補充模型，例如：系統運行模型。系統運行模型是指采集監測相關的工況指標，如：采集率、終端在線率、數據完整率、服務器無故障運行時間、服務器負載率、異常事件等。根據定義的分值權重計算評價得分，并計入體檢總分。

2.5互聯網能源醫生

國務院《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》中提到互聯網智慧能源的生產消費智能化，鼓勵能源企業運用大數據技術進行挖掘預測，而本文能源醫生主要是利用大數據技術，構建基于互聯網形態下的精準的能源“疾病”診斷、預防、治療體系。

2.5.1能源醫生構建方法

通過體檢診斷模型及實際用能問題構建大數據能源“病例庫”，并基于此對能源使用情況及能源治理制定出綜合的解決方案。方案的制定可以采用人工與智能相結合，并逐步實現脫離人工方式構建能源醫生。

能源醫生是集能源問題的診斷、咨詢、治療于一體的智能機器人。基于病例庫及實際用能情況對耗能單位及耗能環節進行綜合服務。基于云計算、大數據、體檢模型、即時通信技術對“用能患者”進行實時的診斷治療。

2.5.2體檢診斷方法

根據實際用能對象的體檢指標，進行體檢模型匹配，解析模型參量并自動確定數據來源，數據來源可分為額定信息、自動采集、計算值、默認值等幾個類型。對于模型需要的自動采集、計算值、默認值無需用戶操作，系統進行自動識別并獲取，對于額定信息需要用戶人工錄入或進行經驗數據匹配，其中經驗數據匹配是基于互聯網信息和系統大數據病例庫進行查找并匹配。體檢診斷的步驟如下：

（1）確定體檢對象類型及體檢指標，進行體檢模型匹配。

（2）解析模型，識別數據源并進行數據查詢和統計。

（3）根據匯總數據及錄入參量，基于體檢模型指標進行專項的診斷分析。

（4）根據體檢結果及模型庫標桿數據、同行業大數據等進行對比，確定體檢項水平。

（5）根據預先設定的體檢策略及評分標準進行評分。

（6）體檢結束后提交體檢結果，體檢結果中包括體檢總分、各項得分、各體檢項水平指標及異常問題。

2.5.3診斷治療方法

能源醫生面向建筑節能用戶提供專業診療服務，根據體檢結果及診斷模型、“病例庫”等分析用戶的用能問題，并提出優化改進方法。針對治療的方法步驟如下：

（1）進行能源情況的全面體檢、專項體檢。

（2）依據體檢結果及所得到的用能問題，利用大數據分析方法從診斷模型庫及用能“病例庫”中進行診療方案的自動識別與匹配。

（3）提交的診療方案中需包括問題的嚴重程度及導致該問題的原因，對應的改進方法或者提高某些體檢指標的方法。

（4）系統可利用互聯網資源提供解決某類用能問題的先進能源產品或節能技術。

（5）提交完整的用能問題分析診斷報告及建議解決方案。

3　建筑能源管家實現方案

3.1數據采集架構

對于電氣及非電氣參量采集監測遵照國家標準《電力能效監測系統技術規范》。

前置采集系統是集現代數字通信技術、計算機軟硬件技術、電能計量技術、電力負荷管理技術為一體的綜合的實時數據采集與處理系統。它以移動通信網絡、光纖專網為主要通信載體，通過多種通信方式實現系統平臺主站和現場終端之間的數據通信，具有數據采集、數據處理、通信管理、接口服務和前置運維管理等功能。

集中器上行采用光纖、無線公網、無線專網等通道與前置主站通信。

集中器下行支持RS485、電力線載波、微功率無線、以太網等通道和計量表計（傳感器）、電力能效監測終端、采集器進行通信。

傳感設備包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、CO2傳感器、PM 2.5檢測傳感器與集中器或監測終端采用RS485串口通信，接入設備通信類型支持Modbus及Modbus-RTU。

電氣計量儀表包括電力能效監測終端、智能電能表與集中器采用RS485串口通信，且應支持①直流模擬量；②交流模擬量；③串口（RS485或RS232）；④以太網；⑤Zigbee。接入設備通信類型支持①DL/T 645—1997；②DL/T 645—2007；③Modbus。

非電氣計量儀表包括智能水表、熱量儀表、智能燃氣表等與集中器采用RS485串口通信，且應支持RS485、M-bus。接入設備通信類型支持CJ/T 188—2004、Modbus。圖1為數據采集架構圖。

圖1　數據采集架構圖

3.2智能控制架構

公共建筑的控制對象多為空調系統控制、照明插座控制等。下面以空調控制為例進行介紹。

智能空調遙控器是專門針對普通空調實現遠程監控而開發的具有自學習功能的“萬能”遙控器，它具有RS485通信接口、溫濕度采集、自學習等多種功能，通過自學習原空調遙控器的各種控制命令后，監控系統通過RS485接口可以采集環境溫濕度、遠程開關機、設置溫度、設置運行模式等多種操作，從而實現對普通空調的遠程監測和控制，可適用于任意品牌的普通空調以及其他紅外遙控設備。

智能遠程控制器下行可通過RS485接口直接與空調控制器互聯，也可通過紅外/射頻信號對現有控制器進行直接控制。

智能遠程控制器上行與集中器或監測終端采用RS485串口接口互聯，或通過其他組網方式，如：以太網、WiFi、Zigbee形成自組網，采用標準ModBus通信協議。

集中器與監測終端采用RS485、以太網、微功率無線等進行通信。

集中器上行與前置主站采用光纖、無線公網、無線專網等方式通信，采用能效協議。

控制命令參數通信可選用以下3種方式：

（1）中繼轉發。控制命令及參數通過前置主站拼socket報文，通過集中器透傳功能至下行空調控制器。此方式前置及平臺均需擴展ModBus協議功能，平臺拼xm1發給前置主站，前置主站解析成報文在能效協議AFN=16（數據轉發）應用層功能實現。

（2）擴展能效協議。擴展現有能效協議，在AFN=5（控制命令）中進行擴展。結合現有F9（遙控跳閘）、F10（允許合閘）、F17（能效模型有效）、F18（能效模型清除）進行修改現有Fn或擴展新的Fn。

上述2種方式均要求集中器支持ModBus協議，其中方式（1）要求前置主站支持Modbus協議，方式（2）要求集中器將擴展之后的能效協議轉成Modbus協議與控制器交互。圖2為空調控制通信架構圖。

（3）采用串口服務器

集中器及監測終端可由串口服務器代替，串口服務器包括串口轉網口、串口轉WIFI、串口轉GPRS等，下行控制器（RS485）通過串口服務器切換直接與前置主站互聯。要求平臺與前置主站支持ModBus協議，可直接發送Socket報文命令進行控制參數的下發。

3.3功能架構

首先，構建基于云的數據中心，實現建筑能源的全采集、用戶接口數據、手工數據為建筑用戶提供全面的建筑能耗分析服務。

其次，基于體檢模型為建筑能源用戶、互聯網用戶提供體檢服務。

第三，基于大數據基礎，在體檢模型、體檢案例等鋪墊下構建能源醫生診療體系，從耗能環節、用能全局、案例咨詢、病例復用等方面為用戶提供系統的能源診療服務。圖3為功能結構圖。

圖2　空調控制通信架構圖

圖3　功能結構

3.4應用案例

某企業辦公大樓能源監管系統，系統采集各水、電、氣等能源及溫濕度、CO2濃度、PM 2.5等非電氣，基于控制模型進行智能控制。該辦公區實現智能化辦公，完全實現人走燈滅、空氣質量自動調節、節水系統自動斷流等智能辦公模式，年節能量達20%以上。

通過對辦公區采集數據進行體檢，通過診療模型分析可以得出以下用能問題及應對方法：

（1）夏季室內設定溫度偏低。通過對辦公區域各房間實際溫度曲線采集及空調設定溫度可知，大部分空調系統設定室溫低于24℃，建議提高室內設定溫度，降低能耗，依據診斷模型為節能設計標準模型。根據《公共建筑節能設計標準》可知：在加熱工況下，室內計算溫度每降低1℃，能耗可減少5%～10%；在冷卻工況下，室內計算溫度每提高1℃，能耗可減少8%～10%。

（2）循環水平效率平均穩定在60%～70%左右。通過對水泵的運行數據分析，套用循環水泵能效模型及運行指標得出空調系統循環水泵效偏低，原因為循環水泵設計臺數較多，導致單臺水泵效率降低。故建議減少水泵臺數，并更換更大流量的循環水泵提高單臺水泵的運行效率。

全面的用能體檢及診療服務需要依托于真實測量數據和模型庫基礎，需要部署必要的采集監測設備。

4　結束語

隨著“互聯網+智慧能源”及國家節能減排工作不斷推進，用戶側能效診斷已經成為一種必然趨勢，而對應的能效改進與治理工作也越發重要。本文所介紹的基于“互聯網+”的建筑BE管家是面向互聯網用戶提供能源監控與分析、體檢診療模型庫、能效診斷、能源智能醫生等方面的專業化服務，基本滿足了大型公共建筑節能和工業企業節能的能源診療需求，幫助耗能單位降低了能源消費總量、提升了能源利用效率、優化了用能資源結構、保證了用能安全。

另外，BE管家從“互聯網+”角度出發，充分發揮互聯網在社會資源配置中的優化和集成作用，將傳統節能業務和技術深入融合于互聯網，創造了新的發展形態，構建了“互聯網節能”新模式。應用結果表明，BE管家體檢快捷、診斷精準、方案可靠，具有較強的實用性。

參考文獻：

［1］劉洋.大型公共建筑空調系統能效監測、診斷與性能優化探討［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006，6.

［2］梁翀，楊小云，姚建凱，等.基于用戶側能效診斷系統的研究［J］.廣西電力，2014，37（2）：22-24.

［3］薛志峰，江億.北京市大型公共建筑用能現狀與節能潛力分析［J］.暖通空調，2004，34（9）：8-10.

［4］左現廣，唐鳴放.國內外建筑能耗調查與統計研究［J］.重慶建筑，2003（2）：16-18.

［5］DG/TJ08—2078-2010，民用建筑能效測評標識標準［S］.上海：上海市城鄉建設和交通委員會，2011.

［6］GB/T50378-2014，綠色建筑評價標準［S］.

［7］李運華，張吉禮.大型公共建筑運行能耗數據庫管理系統初步外發及應用［J］.建筑科學，2007，23（10）：48-50.

The design and imp1ementation of bui1ding energy manager based on Internet

ZHANG Min-jie，QIN Yu-chen，WANG Hong-yang
（Beijing China Power Information Techno1ogy Co.，Ltd.，Beijing 100192，China）

Abstract：Based on Internet techno1ogy，in 1ight of bui1ding energy conservation industry deve1opment in new situation the paper proposed bui1ding energy manager so1utions to rea1ize the combination of physica1 examination of energy，energy efficiency diagnosis and energy management to construct energy doctor mode1 and energy data case 1ibrary，and gradua11y improve the energy eva1uation system and support the who1e process management of bui1ding energy.

Key Words：Internet；energy doctor；energy“case base”；bui1ding energy manager

收稿日期：2015-08-21

中圖分類號：F407.61；TK018

文獻標志碼：C