建筑能耗監測與智能控制系統

王庭國

(福建閩冠偉業智能科技有限公司 福建福州 350100)

0 引言

隨著節能減排政策推進，建筑能耗問題越來越受到人們關注。為了方便人們了解建筑實時能耗和改變用戶的用電習慣，降低用能客戶能源成本，同時便于電網企業實施區域性建筑樓群的需求側管理，滿足政府對建筑領域技術節能和管理節能的整體要求，本文主要介紹建筑的能耗監測與智能控制系統[1]。

1 系統基本結構

系統基本結構圖如圖1所示。

圖1 系統基本結構圖

傳感器——輸入操作指令，發送到管理主機或執行器。

執行器——輸出動作指令，執行樓宇設備的通斷及調節。

管理主機——信息處理中心，接收指令和傳達指令到執行器，執行器動作。

通信模塊——傳遞信息指令，信息聯接指令傳輸通信。

動作元件——接收信息指令，執行相關動作的配套元件。

云平臺——分析處理采集的各方面數據，并發出告警及管理指令。

2 技術方法

建筑能耗檢測與智能控制的能效服務，通過采集器和智能管理主機進行數據采集與智能控制。智能管理主機一方面通過RS485總線與底層各種設備連接通訊，另一方面通過互聯網與頂層設備的建筑能效監測與控制管理中心連接通訊，有關電表、水表、煤氣表、熱能表則通過RS485總線與能耗采集器連接，并將實時數據緩存至能耗采集器，能耗采集器通過互聯網與頂層(設備)的監測與控制管理中心連接通訊，對建筑實現主動控制或智能控制的方式，實現對建筑的節能服務管理。

底層各種設備包括：帶有RS485總線接口的電表、水表、煤氣表、熱能表、能耗監測控制插座、能耗監測控制開關執行器、智能照明控制面板、數據采集器、紅外轉發器等。

頂層設備包括：服務器、電腦以及管理系統軟件等，頂層設備對對底層各種設備、四表進行數據收集、監測和數據分析，同時做出相應的判斷、操作，必要時對底層各種設備進行控制、設置或編程。

該系統可以通過服務器向手機APP端推送各種信息，同時也接收手機APP端的操作指令，就是通過互聯網進行遠程監控與控制，實現與上級平臺的通訊，實現更大范圍用能終端的監測與管理，形成電能服務管理平臺與建筑能效服務云平臺的融合對接，以實現對所有用戶進行數據監測、分析、預警，并實施主動控制或智能控制的方式，實現建筑能效的動態優化控制策略，進而提供用戶運行經濟指導方案。

3 系統組成架構

建筑能耗監測與智能控制系統的基本構成，是由各元件通過總線連接成一條支線，幾條支線組成一個區域，幾個區域構成一個大的系統。一條支線可以最多連接64個總線元件，每個區域最多可以容納15條支線，每個系統最多可以有15個區域。系統組成構架如圖2所示。

圖2 系統組成架構

在系統比較小、一條支線足以容納的情況下，可以不必配置線路耦合器，如圖3所示。在同一條支線內，電源模塊與MG元件的最遠距離為350m，兩個元件最大距離為700m，整條支線的長度最大不超過1000m。支線與支線之間的相連稱為主干線，同樣需要一個電源進行供電，對總線元件數量和距離的要求與支線相同。

圖3 不配置線路耦合器系統組成構架圖

圖4 配置智能主機系統組成架構圖

系統也可以通過智能管理主機直接與以太網相連，如圖4所示。在這種情況下，智能管理主機可以替代線路耦合器或者中轉器的作用。這種方式可以解決超遠距離傳輸的問題，同時可以提高系統主干線的傳輸速率。

4 物聯網技術應用

4.1 物聯網數據采集技術

針對物聯網全面感知及信息處理向智能化、網絡化方向發展，本研究方向從多功能傳感芯片與元器件、嵌入式傳感系統、感知信息融合處理等3個層次開展研究工作[2-3]。

(1)多功能傳感芯片與元器件

物聯網系統在很多情況下都需要在一個復雜環境下感知多個多類物理信息，本方向重點研究多傳感在芯片級、元器件級的集成創新。

(2)嵌入式傳感系統

傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，是物聯網全面感知的重要手段。

(3)感知信息融合處理

物聯網系統中多類多個傳感器感知信息的融合處理，直接關系到信息采集的有效性、準確性與可靠性。通過有效信息的提取、網絡自適應感知和自適應編碼等手段，提高多媒體信號在網絡傳輸過程中的服務質量。

4.2 總體技術框架

4.2.1平臺功能框架

建筑能耗監測與智能控制，主要是針對建筑物的水、電、煤、氣的消耗使用情況進行監測，并以此為基礎進行各個耗能設備的智能控制。本平臺的基礎數據為建筑、設備管理、物聯網數據采集中間部件、數據接口、權限體系，并在此基礎上搭建能源管理系統，通過對配電房、燃氣轉壓、供水泵房、換熱站進行各項耗能情況的檢測，通過空調管理、路燈管理、工程管理優化耗能結構，最終實現實時能耗、分項能耗、設備狀態、實時預警，以此實現能源審計與能源公示，并取得建筑節能方案的優化。平臺功能框架圖5所示。

圖5 平臺功能框架圖

4.2.2平臺技術架構

平臺通過工業組態數據采集接口、安防數據接口等各種接口，通過統一的通信中間件或者OPC開放協議，向各個數據單元傳輸數據，通過建模分析各個數據，生成實時數據、歷史數據、預警數據，并最終與各終端應用相結合，實現建筑的能耗檢測與智能控制。平臺技術架構如圖6所示。

圖6 平臺技術架構

4.3 建筑能耗監測

4.3.1能耗分類分項

(1)建筑基本信息采集與統計，含建筑物基本信息調查，建筑近年能耗水耗賬單采集與統計；

(2)建筑分類能耗，包括電量、水量、燃氣、集中供熱量、集中供冷量、煤、液化石油氣、人工煤氣、汽油、煤油、柴油、可再生能源、其他能源應用量；

(3)建筑分類水耗，包括市政自來水耗量、非傳統水源利用量；

(4)室內耗能設備或系統基本信息采集與統計；

(5)運行管理節能及行為節能調查(含建筑用能管理制度)、建筑內人員行為節能調查。

4.3.2能耗診斷

設計一套實用的能耗分析初步方案，包括能耗參考值設置、能源使用量分析、能源使用費用分析、能耗總基準分析、能耗平均基準分析、分項回路分析和能耗分析報告，實現能耗數據的統計處理和節能分析。

4.3.3能耗公示

(1)建筑基本信息

建筑基本信息，包括建筑名稱、建筑面積、建筑層高、建筑層數、建筑功能、建成及使用年份、常駐人數、主要用能方式等。

(2)能耗水耗指標

能耗水耗指標，包括年度總能耗量、年度總水耗量。

能耗水耗公示，包括實際能耗水耗量和標準量。

年度分類能耗量：年度耗電量、年度燃料(煤、氣、油等)消耗量、年度集中供熱量、年度水耗量等。

年度分類水耗量：市政自來水耗量、非傳統水(雨水、中水)耗量。

年度單位面積能耗量、年度單位面積水耗量、年度生均能耗量、年度生均水耗量。

4.3.4決策支持系統

系統以實現建筑節能為目標，以強大的數學模型為基礎，以優化的控制算法為核心，以帶有自學習功能的能耗趨勢為開環運算依據，以客觀的能耗分析為評價指標，以用戶的多元需求為服務宗旨，以對原有系統最小改動量為前導，體現優異的降耗指標。

系統能夠根據應用需求給出系統統計區域內任意范圍、任意時間段、任意能耗系統、任意單個設備的詳細能耗數據；用戶可根據查詢需求個性化選擇匯總方式生成詳細的能耗數據報表，還可將能耗數據報表生成諸如柱型圖、曲線圖、餅圖、點圖、面積圖等統計圖表，從而直觀地對數據進行能耗分析，如圖7～圖8所示。

圖7能量對比拼圖

圖8 能耗分析線形圖

5 結論

建筑能耗檢測與智能控制系統，通過實時監測建筑能耗數據與智能控制相結合，能夠得出建筑能耗的優化方案，大大降低傳統建筑的能耗。

系統采用統一的485協議，各個設備只需符合協議便可在系統中使用，方便了系統設計者的設計和集成商的集成、布線簡單清晰，減少了線材的使用，方便后期的維護工作，同時便于用戶的統一管理。

[1] GB 50314-2015 智能建筑設計標準[S].2015.

[2] DBJ/T13-197-2014 福建省綠色建筑設計規范[S].2014.

[3] DBJ/T13-158-2012 福建省公共建筑能耗監測系統技術規程[S].2012.