既有居住建筑供暖能效監測系統的設計與實現

姚慶梅，郭亞，張永 堅，劉兆 峰，聶 昌 龍

（1.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南250101；2.山東省智能建筑技術重點實驗室，山東 濟南 250101）

既有居住建筑供暖能效監測系統的設計與實現

姚慶梅1，2，郭亞1，2，張永 堅1，2，劉兆 峰1，2，聶 昌 龍1，2

（1.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南250101；2.山東省智能建筑技術重點實驗室，山東 濟南 250101）

北方既有居住建筑的冬季供暖是我國建筑能耗的主要構成部分，也是現階段建筑節能工作的重點。文章基于我國既有供暖居住建筑節能改造缺乏能效監測的現狀，圍繞改造后的建筑大多不配備計量監測系統，無法得到真實可靠的原始數據，不能對供暖系統能效進行綜合考量等問題，通過對國內既有居住建筑節能改造的適宜性技術進行研究，對目前采用的幾種熱計量方法進行對比分析，提出了構建基于溫度面積法的既有居住建筑節能改造能效監測系統，并對該監測系統整體結構進行了設計，完成了主要設備的安裝調試，在實驗室搭建了該系統的運行環境，對采集的數據進行初步分析，驗證了系統的可行性和實際效果，實現了數據的采集、處理、儲存、上傳等功能，滿足節能運轉的設計要求。

建筑節能；熱計量；溫度面積法；能效監測系統；數據采集

0 引言

隨著我國建筑業的飛速發展，每年新建建筑面積高達 18～20億m2，建筑產生的能耗占總能耗的比例越來越大，已占全國能耗消耗總量的 29%，其中供暖能耗達到56%左右，建筑能耗增長的速度大大超過能源生產增長的速度［1］。為了降低建筑能耗，催生了建筑節能改造在我國的迅速發展。結合我國建筑節能改造的實際情況和特點，當前節能改造工作的重心放在北方既有建筑的冬季供暖，北方供暖區既有建筑節能改造是指對北方供暖區的既有建筑室內供暖系統熱計量及溫度調控、建筑圍護結構和熱源及管網熱平衡等實施節能改造的活動［2］。

山東省人民政府在《關于大力推進綠色建筑行動的實施意見》中提出新建建筑的目標是，到 2015年累計建成綠色建筑 5000萬m2以上，當年 20%以上的城鎮新建建筑達到綠色建筑標準。“十三五”期間，全面執行居住建筑節能75%、公共建筑節能65%的建筑節能設計標準［3］。長期以來，北方既有建筑供熱系統節能工作的重點是通過增強建筑物圍護結構的保溫性能來降低圍護結構的耗熱量，缺乏對供暖系統能效的綜合考量。然而，隨著既有建筑數量的不斷增加，研究發現供暖系統的高耗熱量除了跟圍護結構熱工特性有關，還與供暖系統運行能效低、系統維護管理差等一系列問題有關［4－6］。所以，解決供暖能耗問題的核心內容，就是對既有供暖居住建筑進行能效監測，有效地獲取實際測量數據，提高系統運行能效。其監測內容一般包括熱源或熱交換站管道熱量、總電量，循環水泵的耗電量（單獨計量），樓棟熱力入口處管道的熱量，以及用戶房間內的溫度和小區室外環境溫度，如圖 1所示。文章主要研究適用于監測用戶房間內溫度和熱量的能效監測系統。

圖1 能效監測內容示意圖

1 既有居住建筑供暖能效監測的現狀和熱計量方法

1.1 能效監測的現狀和必要性

在國家政策的支持下，既有居住建筑節能改造的項目越來越多，但是，問題也隨之而來。從目前來看，項目單位和政府部門對于節能改造項目單個的情況并不了解，也不清楚改造后是否能夠節能，又能節約多少能源，并且項目的投資回收期、室內舒適度等問題也沒有準確的答案。為切實推進北方地區既有供暖居住建筑節能改造工作并確保節能效果，在既有居住建筑節能改造方面政策好、資金足、市場廣闊、問題多的背景下，建立既有居住建筑供暖能效監測系統是非常必要的。它可以有效的獲取實際測量數據，便于項目的運行管理，為后續節能改造技術領域的理論研究提供有力支撐。

1.2 熱計量方法現狀

建筑供暖能效監測系統所采用的熱計量方法在我國經歷了起步、全面推廣和技術信息化三個階段。從最初在我國進行熱計量的試點研究，到目前我國已經有40余座城市應用了熱計量及溫控裝置，可見我國近年來確實加快了供熱計量方法的應用與推廣。在“十三五”期間，我國將進一步加快既有供暖居住建筑供熱計量方法及節能改造的腳步，以推動我國供熱系統節能技術應用的實施。

目前，我國熱計量方法主要采取戶用熱量表法、散熱器熱分配法、流量溫度法、通斷時間面積法和溫度面積法［7］。

1.3 熱計量主要方法

（1）戶用熱量表法

戶用熱量表法是由國外研究開發，我國最早引進的供熱計量方法之一，其基本原理是對每戶用熱量進行獨立結算計量，計算出每戶用熱量占全部用戶的比例，按此比例分攤樓棟熱量表總供熱量。該方法計量的是系統供熱量，直觀、容易理解，主要應用于按戶分環的室內供暖系統，但不適用我國大部分北方地區既有供暖居住建筑內的垂直單管串聯系統 ［8］。

（2）散熱器熱分配法

散熱器熱分配法屬于熱計量分配計量方式，其工作原理是利用熱分配表分攤計量各戶供熱量，根據以上數據測算出各戶用熱比例，按此比例分攤樓棟熱量表總供熱量，主要有蒸發式、電子式及電子遠傳式三種熱分配計法。該方法安裝簡單、方便、靈活性強，適用于既有居住建筑供暖系統的熱計量改造及新建的供暖系統。

（3）流量溫度法

流量溫度法屬于熱計量分配計量方式，其工作原理是根據分戶的獨立系統與熱力入口的流量之比保持不變的原理，測出每個熱用戶的流量比例系數和各分支供回水溫差，通過單元熱能儀表、無線信號接收器等裝置，對樓棟總供熱量按戶分攤。該方法非常適合既有居住建筑垂直單管順流式系統和分戶水平獨立成環系統的熱計量改造。

（4）通斷時間面積法

通斷時間面積法是一種多個用戶共用一個熱量表，各個用戶之間根據供暖面積及管道導通率確定熱能分攤值的熱能計量方式［9］，管道導通率通過安裝在入戶供水管的通斷控制閥來實現。其工作原理是根據熱用戶供暖系統通水時間的長短，來分攤建筑的總供熱量。通斷時間面積法不但可以完成熱量分配，而且可以實現溫控功能。但該方法測量的是分攤總熱量，并不是各個房間內的供熱量，無法保證室內耗熱量與實際溫度的一致性，只適用于按戶分環、室內阻力不變的供暖系統。

（5）溫度面積法

溫度面積法屬于熱計量分配計量方式，其基本原理是在樓棟用戶中安裝溫度傳感器，通過測量房間溫度、樓棟供熱量，并根據各戶的建筑面積進行熱量分攤。該方法可以有效降低用戶耗熱損失帶來的影響，保證用戶室內耗熱量與室溫的一致性，可以準確的測量室內平均溫度，應用簡便、結果直觀，適用于所有既有居住建筑的供暖系統。

1.4 熱計量方法對比分析

5種熱計量方法原理和應用范圍不同，受到自身特點和調節方式的影響，表 1對計量技術進行了對比分析。

表1 五種熱計量方法的對比分析表

1.5 既有建筑供暖系統熱計量方法確定

通過對上述幾種熱計量方法的分析和對比，我們發現溫度面積法適用于任何既有建筑的供暖系統，對戶內供暖系統的改造影響較小；當采用溫度面積法熱計量裝置時，該熱計量裝置測得的室溫可作為測評依據。而采用其他四種計量方法時，還要應用在線溫度測試儀或溫度自記儀監測房間溫度。因此，基于溫度面積法的熱計量方法更適合北方既有供暖居住建筑室溫和熱量的監測。

2 能效監測系統的設計與實現

2.1 系統總體結構設計

基于溫度面積法的建筑供暖能效監測系統整體結構分為數據采集層和數據傳輸層，如圖 2所示。

圖2 系統整體結構框圖

（1）數據采集層主要由溫度傳感器、樓棟熱量表、數據采集器等部分組成，其中溫度傳感器安裝于熱用戶房間內，采集用戶室內溫度；熱量表安裝于建筑物熱力入口處，計量建筑物總供熱量。數據采集器通過 RS-485總線與現場計量設備連接，如果現場計量設備與數據采集器距離較遠，可增加信號中繼器進行連接［10］。

（2）數據傳輸層數據中心接受數據采集器采集的原始數據，采集器支持無線傳輸，通過 Internet上傳至數據中心，數據采集器每隔15 min向上級數據中心上傳一次數據，且具有自診斷和斷點續傳功能，從而保證數據的連續和完整。

2.2 系統數據采集

該系統數據采集內容包括基本信息和監測指標，其監測指標數據種類為溫度和熱量兩種，具體采集方法如下：

（1）溫度采集

采用貼壁式溫度傳感器，其優點是便于供暖季節過后用戶的拆卸；每個樓棟內的測溫住戶不應少于9戶，每個測溫住戶的室溫測點不應少于1個。測溫住戶的分布應包括建筑物的兩邊、中間、頂層和底層等典型位置，且應選擇正常供暖住戶；室溫測量間隔不應超過30 min；每日應采集室內日平均溫度、樓棟日平均溫度、小區日平均溫度和室外日平均溫度。其中室外日平均溫度應通過當地氣象部門獲得。

（2）熱量采集

將一對溫度傳感器分別安裝在通過載熱流體的上行管和下行管上，流量計安裝在流體入口，讀取顯示熱量值，計算日供熱量。

2.3 系統硬件結構設計

數據采集模塊是該監測系統的重要組成部分，也是現場計量裝置和數據中心信息傳輸的橋梁。該系統采集模塊硬件結構框圖，如圖3所示。

其硬件電路具有以下特點：

（1）由電源模塊（220 VAC轉12 VDC）、MBUS驅動模塊、GPRS數據傳輸及存儲模塊、殼體等部件組成；

（2）采用高性能的 ARM處理器，其接口豐富，技術資料齊全，技術可靠性高；

（3）通訊接口豐富，數據采集點多，兼容性好，配有 RS-485總線通訊接口，GPRS通信 接口、Internet通信接口，可同時采集多塊計量設備中的數據；

（4）GPRS數據傳輸提供了數據采集器和服務器之間的遠程通信，通過 Internet建立數據采集器與服務器的聯系，并可以根據服務器提供的表地址碼向M－BUS驅動模塊發送抄表指令，并把抄表數據反饋到服務器［11］；

（5）該電路內置RTC可以賦予抄表數據時間標。

圖3 采集模塊硬件結構框圖

2.4 系統軟件結構設計

2.4.1 軟件方案設計

系統監測軟件是實現整個系統功能的又一個核心部分，其設計工作主要包括：數據采集、數據儲存、數據處理、數據展示和故障診斷等功能模塊的設計。文章采用Visual Studio 2010作為開發工具來完成該軟件的設計［12－13］，完成無線網絡原始數據的接收和處理兩個部分，該軟件采用 C＃語言進行編程，軟件功能結構如圖4所示。

圖4 軟件功能結構圖

2.4.2 數據庫設計

系統采用 SQL server嵌入式數據庫。SQL server是一款輕型數據庫，響應時間短，并且具備可以為大量用戶保持高速運行的職能［14］。它專為嵌入式系統而設計，在嵌入式設備中，只需要幾百kB的內存就夠了。它能夠支持 Windows／Linux／Unix等主流的操作系統，同時支持 C語言，有ODBC接口。采用嵌入式數據庫 SQL server，可方便的存儲大量的能耗數據，并實現分項數據的處理、統計等功能。本設計將實時數據按要求存入數據庫中，其中包括換熱站流量、換熱站總電量、棟表流量、室內外溫度等，工作人員可從數據庫中查詢歷史數據表并打印。

2.5 系統實現的功能

根據監測需求該系統要實現的功能有：數據上傳功能、數據存儲功能、數據處理功能、數據展示功能和故障診斷功能。

（1）數據上傳功能

①計量裝置和數據采集器之間通過 RS-485通信接口，Modbus、DL／T 645—1997協議，采用主從結構的半雙工通信方式。其中，主機為數據采集器，從機為計量裝置，從機在主機的請求命令下應答。

②數據采集器與數據中心之間利用 GPRS無線傳輸模塊，內嵌TCP／IP協議棧和 GPRS技術，自動和服務器建立網絡連接，將逐時、逐日采集到的原始數據發送至數據中心［15］。

（2）數據存儲功能

數據中心計算機存儲處理的數據，存儲歷史數據保存時間大于3年。

（3）數據處理功能

根據遠傳數據包格式，使用 XML格式進行數據打包，通過計量裝置量程兩端的最大、最小值對數據的有效性進行驗證。

（4）數據展示功能

將處理、分析后的數據以圖表的形式在計算機上進行展示，以便更直觀地了解系統能效監測情況。

（5）故障診斷功能

為了保證系統運行的穩定性，提高系統的運行效率，具備故障診斷功能不失為一種有效的手段。該系統中，數據采集器故障診斷功能包括三個部分。首先，當數據采集器向計量設備下發 3次請求命令無應答時，數據采集器即可判斷計量裝置或通訊線路故障，同時將故障信息上報數據中心；其次，數據采集器監測到與數據中心的 TCP連接斷開時，重新連接3次后無應答，即可判斷連接數據中心的通訊線路故障［16］；最后，數據采集器中故障自檢，在數據采集器中設計故障自檢電路，主要檢測 RS-485通信接口、Internet網絡接口、自身電源接口的運行信息，當接口發生故障時通過繼電器報警輸出接口外接報警設備。

2.6 系統應用測試

在實驗室中搭建既有居住建筑供暖能效監測系統運行環境，用上位機代替數據中心服務器［17］，接受和顯示來自數據采集模塊上傳的數據；現場監測層采用溫度傳感器和流量傳感器對相關的節能評估參數進行采集。

系統調試后進行監測，系統運行正常，數據采集實時準確，上傳穩定，存儲位置正確，在上位機顯示運行界面及數據顯示如圖5所示。

圖5 運行界面圖

數據查詢界面主要用于工作人員查詢記錄的數據信息，包括時間、換熱站熱量、換熱站總電量、水泵電量、樓棟表熱量和室內、外溫度等數據。

3 結語

文章首先對目前國內節能改造使用的幾種熱計量方法方法進行了研究，通過對比分析找到適合北方既有居住建筑能效監測的熱計量分配系統——溫度面積法。文章方法適用于所有既有居住建筑的供暖系統，具有計量精度高，可準確測量室內平均溫度等特點，能更加精確、可靠地獲取建筑能效監測數據。通過對該熱計量監測系統的設計，完成主要設備的安裝調試，確定實現的功能；在實驗室環境中，運用技術手段實現了數據的采集、處理、存儲和上傳等功能。經過現場設備一段時間的運行，對采集的數據進行初步分析，節能效果明顯，證明基于溫度面積法的能效監測系統設計滿足節能設計要求，為我國在供暖地區大規模推廣節能改造技術提供基礎數據支撐和經驗儲備。

［1］ 清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告［M］.北京：中國建筑工業出版社，2013.

［2］ 劉玉明.既有居住建筑節能改造經濟激勵研究［D］.北京：北京交通大學，2009.

［3］ 山東省人民政府.山東省人民政府關于大力推進綠色建筑行動的 實施 意見 ［EB／OL］.http：／／sjcb.qingdao.gov.cn／n13910941／n13912887／n13913052／27076084＿11.html，2016－09－10.

［4］ 耿香麗.北方城鎮住宅采暖節能評價體系研究［J］.低溫建筑技術，2015，37（3）：131－133.

［5］ 郭華，王雪梅.既有居住建筑節能及供熱計量改造能耗測評方法探討［J］.區域供熱，2010，3（2）：25－26.

［6］ 閆軍威.區域供冷系統節能優化運行與控制方法研究及系統實現［D］.廣州：華南理工大學，2012.

［7］ 白燕峰.供熱計量方式的選擇及熱價的確定［D］.長春：長春工程學院，2015.

［8］ 張碩鵬.既有建筑熱計量技術與節能分析［D］.北京：北京建筑大學，2013.

［9］ 白燕峰.通斷式供熱系統采集裝置的設計［D］.北京：北京交通大學，2014.

［10］馬明建.數據采集與處理技術（第2版）［M］.西安：西安交通大學出版社，2005.

［11］王璐.基于GPRS技術的遠程數據傳輸系統的研究［D］.濟南：山東大學，2008.

［12］張晶，李心廣.SQL Server Mobile數據庫的開發與設計［J］.計算機應用與軟件，2008，25（8）：48－50.

［13］姚一永，呂峻閩.SQL Server 2008數據庫實用教程［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［14］欒鸞，劉兆峰，劉傳永.基于Socket的采暖評價系統監測軟件設計［J］.山東建筑大學學報，2016，31（1）：53－58.

［15］佟欣.GPRS技術在數據采集與監控系統中的應用［J］.黑龍江科技信息，2013，30（23）：26－29.

［16］周東華，史建濤，何瀟.動態系統間歇故障診斷技術綜述［J］.自動化學報，2014，2（11）：3－13.

［17］朱振茂.無線網絡實時監測系統上位機軟件的設計與實現［D］.大連：大連海事大學，2008.

Existing residential building heating energy efficiency monitoring system design and implementation

Yao Qingmei1，2，Guo Ya1，2，Zhang Yongjian1，2，et al.
（1.School of Information＆Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Intelligent Buildings Technology，Jinan 250101，China）

The winter heating of the existing residential buildings in the north is the main part of building energy consumption in our country，and the key point of building energy conservation.The present situation of energy-saving renovation project of existing heating residential buildings in the north of China is most of the reconstructed buildings are not equipped with metering and monitoring systems and lack of comprehensive consideration of the energy efficiency of heating systems.In this paper，the energy efficiency monitoring system of existing residential building based on temperature area method is proposed，and the whole structure of the monitoring system is designed to realize the data collection and processing.The energy efficiency of residential building is analyzed，stored，uploaded and other functions，setting up the monitoring system of the laboratory environment，and the collected data were analyzed.The feasibility and practical effect of the system were verified，and the results show that the system could meet the requirements of energy saving design.

building energy efficiency；heat metering；temperature area method；energy efficiency monitoring system；data acquisition

TU832

A

1673－7644（2016）05－0471－06

2016－09－10

山東省建設廳資助項目（2010－K9－53）；山東省建設廳資助項目（2013－HT－01）

姚慶梅（1958－），女，教授，學士，主要從事建筑能耗監測與節能控制等方面的研究.E-mail：yaoqingmei＠sdjzu.edu.cn