大型公共建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)信息化管理技術(shù)研究

聞 欣，洪海明，張 拓，杭 琳

（1.中國電信股份有限公司上海分公司西區(qū)電信局，上海 200050；2.上海市靜安區(qū)建設(shè)和管理委員會(huì)，上海 200070）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約作用日益突出。目前建筑能耗在社會(huì)商品能源總消費(fèi)量的占比持續(xù)增加，由此導(dǎo)致的能源短缺問題將更加突出[1]。國內(nèi)，根據(jù)建筑所服務(wù)的主體不同，將其能耗劃分為農(nóng)村建筑能耗、城鎮(zhèn)居住建筑能耗、以及公共建筑能耗三類，其中，公共建筑能耗占比最大，約為40%[2]。若能實(shí)時(shí)監(jiān)測各類建筑能耗，并加以調(diào)控，進(jìn)而優(yōu)化管理制度和節(jié)能措施，切實(shí)有效地降低能耗，這對(duì)營造綠色節(jié)能環(huán)境會(huì)有很大的幫助。

1 大型公共建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)概述

大型公共建筑，在國內(nèi)通常是指單個(gè)建筑物面積2 萬平方米以上的，國家機(jī)關(guān)、社會(huì)團(tuán)體、企事業(yè)單位等從事各類活動(dòng)的建筑物[3-4]。按用途，可大致劃分為酒店商場類、辦公類、醫(yī)療衛(wèi)生類、學(xué)校類、公益文化類、交通類、旅游綜合類、以及其他類建筑。這些類型的建筑，通常地方十分寬大，人員密集成度高，流動(dòng)人員數(shù)量巨大，室內(nèi)環(huán)境要求高、用能設(shè)備多，并且存在工作期間用電設(shè)備全打開，下班可能無人關(guān)閉現(xiàn)象，導(dǎo)致巨大的能源浪費(fèi)，成為節(jié)能減排的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)是指在建筑物中，安裝分類和分項(xiàng)能耗計(jì)量裝置，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，及時(shí)將能耗數(shù)據(jù)采集匯總到信息處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測和動(dòng)態(tài)分析建筑能耗的硬軟件系統(tǒng)的統(tǒng)稱[5]。它由樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)一步演化而來，可綜合監(jiān)測建筑物整體的能耗設(shè)備、并自動(dòng)控制和優(yōu)化管理，以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能；同時(shí)采用以智能建筑為核心的節(jié)能技術(shù)，聯(lián)網(wǎng)對(duì)電力、空調(diào)、照明等設(shè)備實(shí)現(xiàn)一體化管理[6-7]。以醫(yī)療建筑能源管理系統(tǒng)為例，一般采用分布式分層架構(gòu)，主要包括決策層、管理層、操作層（圖1）。

圖1 能源管理系統(tǒng)框架

整個(gè)系統(tǒng)的基本運(yùn)行過程是這樣。在操作層，終端采集儀表自動(dòng)采集能耗數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給管理層；到了管理層，能源管理專家通過數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場分析，將處理好的數(shù)據(jù)再提交給決策層；決策層有能源優(yōu)化中心，通過相關(guān)優(yōu)化方法得到相應(yīng)的節(jié)能方案后，把方案反饋給能源管理專家；最后依據(jù)方案生成優(yōu)化指令，通過各類設(shè)備控制器對(duì)操作層的空調(diào)、電梯、照明、安防等設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行控制。

能源管理系統(tǒng)是綜合性系統(tǒng)，涵蓋面很廣，可看作一種物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、一種數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、一種智慧決策系統(tǒng)、一種智能控制系統(tǒng)，其最終目的就是集成物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理分析、智慧決策及智能控制等技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象能源消耗的節(jié)約與改善。對(duì)于綠色建筑，它是以其內(nèi)部各用能設(shè)施基本運(yùn)行為基礎(chǔ)條件，依據(jù)各類機(jī)電設(shè)備運(yùn)行中所采集的反映其能源傳輸、變換與消耗的特征，采用能效控制策略實(shí)現(xiàn)能源最大優(yōu)化。上例醫(yī)療建筑中，通過信息化管控系統(tǒng)，幫助醫(yī)療行業(yè)合理計(jì)劃和利用能源，向大型的集約化發(fā)展，降低醫(yī)療行業(yè)的能源消耗，提高管理水平和經(jīng)濟(jì)效益[6]。

2 信息化管理手段

目前，信息化技術(shù)已經(jīng)成為管理創(chuàng)新的最主要手段，從生產(chǎn)力發(fā)展的角度來看，信息化可以理解為：培養(yǎng)和發(fā)展基于信息技術(shù)的、局部或全過程智慧化的生產(chǎn)與服務(wù)，并造福于社會(huì)，這也代表了新型生產(chǎn)力成長的歷史過程。信息化管理模式本質(zhì)上是：運(yùn)用信息技術(shù)，在合適的時(shí)間點(diǎn)，將適當(dāng)?shù)男畔l(fā)布到對(duì)應(yīng)的、正確的人員和智能設(shè)備中去處理，極大地提高整個(gè)組織的運(yùn)作效率，更好地保障組織的信息安全性；在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越人工信息存儲(chǔ)和處理能力的基礎(chǔ)上，涌現(xiàn)出高效的輔助決策能力，很好地支持了組織的科學(xué)決策[8]。

節(jié)能信息化是信息化管理模式發(fā)展的一個(gè)重要趨勢，它將信息系統(tǒng)以及信息化技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能領(lǐng)域，使節(jié)能工作的開展更加方便快捷。節(jié)能信息化是從管理機(jī)制上提高節(jié)能工作的工作效率，從而帶動(dòng)整個(gè)社會(huì)節(jié)能工作的開展。利用信息技術(shù)提高節(jié)能減排的管理水平和技術(shù)水平，包括優(yōu)化工藝和運(yùn)轉(zhuǎn)流程、改造傳統(tǒng)設(shè)備，創(chuàng)新企業(yè)管理模式及技術(shù)手段，從而推動(dòng)節(jié)能減排工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。因此，信息化推動(dòng)節(jié)能降耗已經(jīng)成為我國轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的必然選擇。

3 新建公共建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)信息化管理技術(shù)

上海市某綜合醫(yī)院新樓擴(kuò)建工程，位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)內(nèi)，項(xiàng)目總投資80 660 萬元，項(xiàng)目改擴(kuò)建內(nèi)容包括三部分：新建一幢綜合樓、新建醫(yī)生池、改造原有建筑。其中，新建綜合樓包括一幢高層塔樓和其附屬的向南延展的裙房，塔樓地上24層總高100 m，裙房地上8 層，地下統(tǒng)一設(shè)2 層地下室，總建筑面積85 991 m2（地上61 314 m2，地下24 677 m2）；新建綜合樓設(shè)置急救中心、急診、門診、醫(yī)技和病房，最大病床數(shù)400張，日門診量800 人，服務(wù)于重大保障和高端醫(yī)療。新建醫(yī)生池面積約9321 m2，增加雨棚489 m2；改造原醫(yī)院主體建筑63 131 m2，主要為立面改造、部分內(nèi)部功能調(diào)整以及拆除部分裙房和地下室，拆除面積約9763 m2，改造后總建筑面積63 178 m2。通過改建醫(yī)院總建筑面積達(dá)到149 169 m2，總床位數(shù)達(dá)到1200張，地下停車位達(dá)到500 個(gè)。

項(xiàng)目集成了BIM、多媒體視頻、BA 等先進(jìn)的信息技術(shù)，將建設(shè)階段的BIM 模型等信息充分運(yùn)用到運(yùn)維階段，融合了建筑靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，通過決策層、管理層、操作層的設(shè)置，構(gòu)建了完整的能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療建筑在機(jī)電能耗管理、房間荷載、防火分區(qū)劃分、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測甚至就診人數(shù)統(tǒng)計(jì)、醫(yī)療設(shè)備負(fù)荷等方面的可視化反映，取得了良好的應(yīng)用效果。圖2 為基于能源管理系統(tǒng)的醫(yī)院智慧運(yùn)維平臺(tái)界面。

圖2 醫(yī)院智慧運(yùn)維平臺(tái)界面

能源管理系統(tǒng)在醫(yī)院節(jié)水管理中的價(jià)值主要體現(xiàn)在，合理配置、持續(xù)優(yōu)化和管控設(shè)定與執(zhí)行。各種水資源可以進(jìn)行綜合利用，系統(tǒng)可幫助合理配置供水和排水，設(shè)定管控規(guī)則，提供管控手段，并隨運(yùn)用變化不斷完善，如提高系統(tǒng)安全性、采用先進(jìn)節(jié)水器具、提醒消費(fèi)量異常等。利用能耗管理系統(tǒng)可以定期開展水平衡分析，掌握各樓宇、各環(huán)節(jié)的用水規(guī)律，通過綜合分析各一、二級(jí)用水表用水量、水壓特點(diǎn)，可尋找水壓不平穩(wěn)或用水量突然變化原因，及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門或管線的問題點(diǎn)并加以解決，使醫(yī)院用水更加平穩(wěn)，避免出現(xiàn)院區(qū)主管線長時(shí)間漏水現(xiàn)象，有效節(jié)水。

能源管理系統(tǒng)不僅可以對(duì)整棟建筑的用電進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也可針對(duì)不同的科室不同的區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，以達(dá)到精細(xì)化管理的目的。以醫(yī)院門診樓層間照明為例，通過能源管理系統(tǒng)分析層間照明用電量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)門診樓各層集中控制照明采取的控制方式比較單一，公共區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)沒有充分考慮利用自然光，通過合理調(diào)整集中照明控制方案，在滿足GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于醫(yī)院不同環(huán)境照度要求的前提下，使該層照明用電量明顯下降。通過此種方式進(jìn)行管理節(jié)能，整個(gè)院區(qū)的節(jié)能效果顯著。

通過能源管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及對(duì)醫(yī)院各個(gè)區(qū)域進(jìn)行走訪發(fā)現(xiàn)，有部分區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)是集中控制，也有部分區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)是非集中控制的。有集中控制的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)溫度進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定，并進(jìn)行嚴(yán)格管理，有效避免了人為管理的錯(cuò)、漏、忘，如空調(diào)溫度設(shè)定過高或過低、下班忘記關(guān)閉等。對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)，集中控制是降低能耗的一個(gè)有效措施。

另外，通過能源管理系統(tǒng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的各種設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)控，定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，也是降低空調(diào)能耗的有效手段。

此外，利用能源管理系統(tǒng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)制冷機(jī)房可以根據(jù)室內(nèi)外溫濕度參數(shù)及空調(diào)負(fù)荷情況，調(diào)整制冷機(jī)出水溫度，同時(shí)靈活調(diào)整制冷機(jī)和循環(huán)水泵的運(yùn)行，設(shè)備不運(yùn)行時(shí)及時(shí)關(guān)閉循環(huán)水閥門，避免水流旁通，以及通過樓控系統(tǒng)對(duì)新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行時(shí)間啟?？刂频榷际强照{(diào)系統(tǒng)節(jié)電的有效辦法。

4 已有公共建筑節(jié)能改造的能耗監(jiān)控系統(tǒng)信息化管理技術(shù)

根據(jù)2012 年5 月上海市人民政府印發(fā)的＜滬府發(fā)〔2012〕49 號(hào)＞文件精神，除了新建的國家機(jī)關(guān)辦公建筑、大型公共建筑，已有的國家機(jī)關(guān)辦公建筑、大型公共建筑若要實(shí)施節(jié)能改造，需同時(shí)安裝上用能分項(xiàng)計(jì)量裝置，并與上海市能耗監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。安裝完成后組織專項(xiàng)驗(yàn)收，驗(yàn)收不合格的，不接受竣工驗(yàn)收備案。

4.1 項(xiàng)目概況

宏安瑞士大酒店位于上海市靜安區(qū)愚園路1 號(hào)，隸屬于靜安寺街道，是一棟旅游飯店建筑。該建筑業(yè)主單位為上海靜安城建配套發(fā)展有限公司，物業(yè)管理單位為瑞士酒店度假村管理集團(tuán)。大廈地上26 層，地下3 層，建筑高度99.1 m，總建筑面積53 909 m2，其中地上40 889 m2，地下13 020 m2。

4.2 設(shè)計(jì)步驟及流程

某建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)步驟及流程：啟動(dòng)準(zhǔn)備→進(jìn)場溝通→現(xiàn)場排摸→排摸報(bào)告及方案→項(xiàng)目驗(yàn)收。

（1）啟動(dòng)準(zhǔn)備：①建筑基本信息資料收集；②原分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)資料收集（設(shè)計(jì)，施工，竣工備案資料等)；③制定工作流程計(jì)劃。

（2）進(jìn)場溝通。與樓宇業(yè)主及物業(yè)進(jìn)行進(jìn)場前溝通，主題內(nèi)容有項(xiàng)目目標(biāo)、工作內(nèi)容、工作流程、關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)、需配合內(nèi)容、安全文明注意事項(xiàng)等。

（3）現(xiàn)場排摸。即對(duì)樓宇開展現(xiàn)場調(diào)研，對(duì)建筑的基礎(chǔ)信息、分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息、設(shè)備硬件情況、系統(tǒng)運(yùn)行情況、數(shù)據(jù)質(zhì)量等全面掌握。

（4）排摸報(bào)告及方案編寫?；谂琶Y(jié)果編寫排摸報(bào)告和修復(fù)方案。

4.3 原分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)情況

宏安瑞士大酒店配電系統(tǒng)共有1 臺(tái)變壓器，分布于1 個(gè)低配間中，配電間及變壓器分布如下：低壓配電出線回路共計(jì)83個(gè)，其中已計(jì)量回路46 個(gè)，均采自原有智能電表，原分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)均采用485 通信線接入1 臺(tái)數(shù)據(jù)采集器，并分別通過網(wǎng)絡(luò)上傳原閘北區(qū)平臺(tái)（圖3）。現(xiàn)場原分項(xiàng)計(jì)量未安裝電表，且原有甲方電表已經(jīng)老舊，根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)需新增在上海市節(jié)能備案產(chǎn)品清單中的電表共計(jì)49 塊（圖4）。

宏安瑞士大酒店原分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)對(duì)B2 層的1 個(gè)配電間的部分回路安裝了電表，共計(jì)量回路46 個(gè)，計(jì)量回路清單見表1。

圖3 原分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)

4.4 修復(fù)方案

4.4.1 原則

根據(jù)現(xiàn)場排摸情況：對(duì)宏安瑞士大酒店原分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，并制定修復(fù)方案（表2）。

4.4.2 硬件選型

（1）智能電表原有表具不能滿足計(jì)量需求，需新增表具49塊。新增電表須為上海市節(jié)能備案清單中的產(chǎn)品。

（2）數(shù)據(jù)采集器原分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)采集器均已老舊，不符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)且不能開機(jī)，經(jīng)現(xiàn)場排查，需要全部更換新型數(shù)據(jù)采集器。

（3）服務(wù)器原分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)無服務(wù)器，本次修復(fù)將配置一臺(tái)工控機(jī)。

圖4 原分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)基本信息表單

表1 樓宇配電回路清單

表2 原分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)存在的問題與修復(fù)方案

4.4.3 計(jì)量點(diǎn)位

宏安瑞士大酒店經(jīng)現(xiàn)場核查并估算，去除備用回路、負(fù)載很小的的回路后，建議計(jì)量回路共49 個(gè)，49 個(gè)均為新增。

4.4.4 系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)上傳

在現(xiàn)場施工完成后，對(duì)更換的數(shù)據(jù)采集器軟硬件進(jìn)行調(diào)試，對(duì)采集器采集到的電表讀數(shù)進(jìn)行校核，根據(jù)計(jì)量點(diǎn)位所屬分項(xiàng)情況，通過物業(yè)提供的網(wǎng)絡(luò)，上傳數(shù)據(jù)至靜安區(qū)平臺(tái)。

5 結(jié)論與展望

通過能耗監(jiān)管系統(tǒng)的應(yīng)用，利用信息化的工具，實(shí)現(xiàn)能耗的多級(jí)分項(xiàng)計(jì)量，繼而在數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上開展能耗分析，摸索能耗規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向的節(jié)能管理[9]。

大型公共建筑日常能耗高，節(jié)能潛力大，是節(jié)能減排的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。大型公共建筑物做好節(jié)能減排監(jiān)測工作，可幫助企事業(yè)單位有的放矢地對(duì)建筑物節(jié)能改造，也為政府相關(guān)部門提供科學(xué)的依據(jù)，包括宏觀的政策、法規(guī)制訂，技術(shù)層面的節(jié)能措施和目標(biāo)制訂[10]。