綠色辦公建筑能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

李 輝，孫云增，梁康元，王 丹

（國網(wǎng)中興有限公司，北京 100761）

隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進，城市中的辦公建筑群已經(jīng)成為能源消耗的重要組成部分。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，近年來我國辦公建筑建設(shè)規(guī)模不斷擴大，其能源損耗已經(jīng)由1996 年的2.59 億噸燃煤量增長至2018 年的11 億噸燃煤量，占用我國建筑行業(yè)總能耗的20%[1]。因此，近些年國家制定并頒布了一系列相關(guān)文件，推動綠色辦公建筑的應(yīng)用。但是由于我國建筑行業(yè)的技術(shù)標準不統(tǒng)一，導(dǎo)致能耗數(shù)據(jù)采集及短期能耗監(jiān)測技術(shù)在不同種類的建筑中不能全方面實現(xiàn)[2-3]。

文中主要針對白廣路辦公建筑的全面適應(yīng)性綠色辦公建筑能耗數(shù)據(jù)采集及短期能耗監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，在數(shù)據(jù)監(jiān)測模型基礎(chǔ)上結(jié)合建筑行業(yè)的技術(shù)標準，構(gòu)建出新的綠色辦公建筑能耗數(shù)據(jù)采集流程以及短期能耗監(jiān)測方式。使用數(shù)據(jù)采集模型優(yōu)先識別綠色辦公能耗數(shù)據(jù)并進行錄用，并根據(jù)辦公建筑能耗屬性確定能耗數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此該系統(tǒng)可以在未來的綠色辦公建筑中持續(xù)運行。

1 能耗采集及監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

該文設(shè)計的綠色辦公建筑能耗數(shù)據(jù)采集及短期能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要點為通過末端的能耗監(jiān)測器對建筑能耗數(shù)據(jù)進行采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心進行匯總和存儲，最終將管理終端所需的數(shù)據(jù)上傳，在管理終端使用數(shù)據(jù)進行建筑能耗分析。該能耗監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 能耗監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 低壓配線柜

該系統(tǒng)使用帶有FLUKE-435 電能質(zhì)量分析器的低壓配線柜，能夠?qū)k公建筑現(xiàn)場的電源設(shè)備進行能源實時監(jiān)測，同時還能夠記錄空調(diào)、照明等損耗較大設(shè)備的損耗頻率，對容易引起三相不平衡的用電設(shè)備以及能源波進行精準控制，以便協(xié)調(diào)辦公建筑的能耗諧波。對于后續(xù)接入主電路的用電設(shè)備，需要在供電匹配前進行電能質(zhì)量檢測，在滿足國家供電質(zhì)量標準的前提下，增加對辦公建筑中的電容器等硬件的持續(xù)性供電[4]。

該文所應(yīng)用電能質(zhì)量分析器的工作環(huán)境電壓確定為220 V，辦公通用設(shè)備的工作頻率均為50 Hz，其電能質(zhì)量分析器原理結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電能質(zhì)量分析器原理結(jié)構(gòu)

為了方便對不同設(shè)備進行配電，對低壓單母線設(shè)為分段運行，并設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，低壓主進線開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間采用電氣聯(lián)鎖及機械聯(lián)鎖。在低壓配線柜中安裝斷路器，保護辦公建筑用電設(shè)備[5-6]。電能質(zhì)量分析器中的供電情況主要通過諧波測試的方式進行展現(xiàn)，該分析器分別能夠在辦公建筑用電高頻時間段、低頻時間段進行諧波測試，如圖3 所示為電能質(zhì)量分析器的低頻諧波測試顯示圖。

圖3 低頻諧波測試顯示圖

1.2 照明設(shè)備

根據(jù)GB50034-2013《建筑照明設(shè)計標準》，在綠色辦公建筑中設(shè)計的照明設(shè)備必須滿足不同樓層的照度，辦公建筑中的平均照度為300 Lux。隨著樓層高度的變化，照明設(shè)備所提供的照度也將發(fā)生變化，并且辦公建筑的房間用途也會影響照明設(shè)備所提供的照度，例如辦公建筑中的會議室設(shè)計照度將高出辦公區(qū)照度[7]。該文設(shè)計的照明設(shè)備主要根據(jù)照度進行設(shè)計，在辦公建筑中的走廊空間采用照度為50 Lux的照明設(shè)備，在辦公室采用450 Lux 照度的照明設(shè)備，在會議室采用500 Lux 照度的照明設(shè)備，衛(wèi)生間采用350 Lux 照度的照明設(shè)備，在滿足基本照明需求的基礎(chǔ)上達到綠色辦公建筑標準[8-9]。

1.3 供暖能耗監(jiān)測設(shè)備

綠色辦公建筑中的供暖能耗數(shù)據(jù)需要從不同的樓層進行統(tǒng)一監(jiān)測，最后將統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行結(jié)合計算。該文在每層供暖設(shè)備中設(shè)計安裝一套FLUKE F430-2 型數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置，該裝置能夠適應(yīng)高溫環(huán)境，從而能高質(zhì)量地展現(xiàn)出供暖設(shè)備的能耗狀態(tài)，如圖4 所示為FLUKE F430-2 型數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置在每層供暖設(shè)備中的線路連接結(jié)構(gòu)圖。

圖4 數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置線路連接結(jié)構(gòu)圖

該數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置能夠通過供暖設(shè)備的壓力表和溫度傳感器計算出能耗的準確數(shù)據(jù)[10]，再將數(shù)據(jù)以電壓或頻率的形式對外表達，如圖5 所示為溫度采集的電路原理圖。外部的連接設(shè)備可對電壓、頻率等參數(shù)進行檢測，最終整合成為諧波圖像，圖像中的諧波狀態(tài)即代表供暖設(shè)備的能耗情況。數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置將熱能進行電能轉(zhuǎn)換是為了更高效地進行數(shù)據(jù)管理，該文設(shè)定數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置對供暖裝置的熱能轉(zhuǎn)換電壓偏差必須在額定電壓的8.5%以內(nèi)，該裝置在三相電壓環(huán)境中不得超出電動機的正常工作電壓。該數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置內(nèi)具有變頻器，可以方便監(jiān)測設(shè)備工作頻率的更改，并且平衡每層供暖設(shè)備的數(shù)據(jù)條件，數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置允許最大的供暖轉(zhuǎn)換偏差為0.8%[11]。

圖5 溫度采集電路原理圖

1.4 能耗監(jiān)測器

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，該文將通信技術(shù)融入能耗監(jiān)測器的硬件設(shè)計中，在能耗監(jiān)測器中建立通信模塊，根據(jù)監(jiān)測器的進線方式確定能耗監(jiān)測器的監(jiān)測內(nèi)容，每條通信線路均能夠串聯(lián)外部的信號監(jiān)測儀表，通過設(shè)備的管理模式控制線路的結(jié)構(gòu)。該文在能耗監(jiān)測器中引入多種總線，例如：CAN、PROFIBUS、P-Net 等，每條總線又可根據(jù)辦公建筑內(nèi)的實際能耗狀態(tài)劃分成6 位、12 位、32 位、64位數(shù)據(jù)傳輸端口，該類端口主要以串行的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與傳輸[12-13]。

該文采用的RS485 串行總線在監(jiān)測器中具有4個數(shù)據(jù)傳輸端口，每個數(shù)據(jù)端口又劃分為計算機與非計算機等物理結(jié)構(gòu)層，用于區(qū)別數(shù)據(jù)接收信號的驅(qū)動裝置，此串行總線在監(jiān)測器共有1 節(jié)，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mb/s，最遠傳輸距離為500 m，最大驅(qū)動電壓在0～24 V 范圍內(nèi)，信號傳入總線的入門電阻大于20 kΩ[14]。總線外部采用屏蔽材料，避免外部干擾信號影響數(shù)據(jù)傳輸，總線的數(shù)據(jù)終端應(yīng)用雙絞線作為基本組成材料，增加阻抗匹配概率，如圖6 所示為RS485 串行總線在辦公建筑中能耗監(jiān)測工作結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 RS485串行總線能耗監(jiān)測工作結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 中總線與供暖設(shè)備的數(shù)據(jù)連接接口主要通過計算機端口實現(xiàn)，管理人員可以向計算機端口輸入待識別數(shù)據(jù)，此時檢測裝置中的部分潛在設(shè)置將會重新啟動，能夠精確測定有功功率、電壓、電流、流量等數(shù)據(jù)，還可以通過總線內(nèi)部的GPRS 模塊進行網(wǎng)絡(luò)通信，將辦公建筑內(nèi)產(chǎn)生的能耗與區(qū)域內(nèi)的服務(wù)器管理軟件相關(guān)聯(lián)，及時傳輸硬件采集設(shè)備中的數(shù)據(jù)[15]。能耗檢測器中還采用無線通信模式完成對每層數(shù)據(jù)的檢測與傳輸。該文在相同的工作頻率段中采用TDMA 幀結(jié)構(gòu)的硬件設(shè)計，以相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸入點，此無線通信結(jié)構(gòu)能夠完成20.2 kbps的數(shù)據(jù)率監(jiān)測。無線監(jiān)測技術(shù)充分體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在每個服務(wù)器端口中均可以設(shè)計多個無線接口，每個接口為每層辦公建筑能耗數(shù)據(jù)提供30.5 kbps 以內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且支持用戶在2 s 內(nèi)完成監(jiān)測密碼的設(shè)定與解析，為后期的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)建立邏輯鏈路。

2 能耗采集及監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

該文設(shè)計采用上位機存儲數(shù)據(jù)與下位機采集數(shù)據(jù)的軟件架構(gòu)，并在數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)倪^程中表現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該文所設(shè)計的能耗采集及監(jiān)測系統(tǒng)能夠使管理人員隨時查詢能耗數(shù)據(jù)，并且還能夠在服務(wù)器中進行數(shù)據(jù)的對比以及分析[16]。

該監(jiān)測系統(tǒng)在服務(wù)器中建立三維數(shù)據(jù)可視化體系，能夠?qū)⒛芎臄?shù)據(jù)以更直觀的方式呈現(xiàn)給用戶，如圖7 所示為在數(shù)據(jù)可視化過程中的能耗數(shù)據(jù)分類結(jié)構(gòu)圖。

圖7 數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)圖

該文還對綠色辦公建筑能耗數(shù)據(jù)查詢流程進行設(shè)計，管理人員可以通過賬號登錄進入數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中提取能耗數(shù)據(jù)。軟件內(nèi)部包含不同類型的操作區(qū)域與能耗負責區(qū)域，辦公建筑能耗信息具有種類繁多的特點，所以需要首先進行數(shù)據(jù)類型的管理與劃分，再對采集到的數(shù)據(jù)類型進行分項計算，實時對比不同層次中的能耗基本狀態(tài)，并且支持對歷史信息進行能耗查詢。當辦公建筑內(nèi)部的能耗數(shù)據(jù)進入服務(wù)器時，可進行類別的匹配，根據(jù)辦公建筑內(nèi)能耗產(chǎn)生設(shè)備的安裝量、安裝時間、工作功率等信息進行分類存儲與可視化。

該文還對辦公建筑中的能耗設(shè)備控制程序進行設(shè)計，辦公室建筑中的大多數(shù)能耗設(shè)備需要通過管理人員的操控才能正常穩(wěn)定工作，能耗控制端口需要在整個控制流程中具有保障性的控制技術(shù)，在控制能耗產(chǎn)生的同時監(jiān)控能耗數(shù)據(jù)狀態(tài)。控制能耗設(shè)備中的數(shù)據(jù)，首先要利用中間元件輸入變壓器中的頻率數(shù)據(jù)，變壓器內(nèi)部的空氣開關(guān)可以作為與PLC控制程序的連接端口，再通過控制設(shè)備電源對所有運行設(shè)備進行供能，待外部的能源供應(yīng)滿足設(shè)備內(nèi)部裝置的需求時，可以采用將能耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)為三線模式。能耗傳感器與能源供應(yīng)端口同時采用PLC 程序控制，此外PLC 端口還與其他數(shù)據(jù)處理模塊相關(guān)聯(lián)，需要一定的輸出端子與內(nèi)部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸方式相匹配[17]。

能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過串口線后直接傳入上位機中與數(shù)據(jù)中心相關(guān)聯(lián)，并且能夠在管理員的個人服務(wù)器中完成重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，在不受干擾的環(huán)境中向數(shù)據(jù)庫輸入采集的數(shù)據(jù)，此時PLC 程序控制的能耗產(chǎn)生設(shè)備的阻值變化與周圍環(huán)境溫度變化相結(jié)合，公式（1）為兩者關(guān)系：

式中，R代表設(shè)備電阻值，t代表該設(shè)備周圍環(huán)境溫度。在辦公建筑能耗設(shè)備中直接監(jiān)測的能耗數(shù)據(jù)需要在PC 機中聯(lián)合體現(xiàn)，PLC 控制程序會將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動輸入一臺PC 機中并進行數(shù)據(jù)復(fù)制。該文將對PC 機內(nèi)部的數(shù)據(jù)實時輸出程序進行設(shè)計，程序結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 PC機數(shù)據(jù)復(fù)制程序結(jié)構(gòu)圖

此程序的運行能夠自動識別監(jiān)測數(shù)據(jù)中的參數(shù)值與標準值，且能夠改變每種能耗設(shè)備的參數(shù)狀態(tài)，再根據(jù)監(jiān)測面板對需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行控制需求程度的匹配。在程序中應(yīng)用PC Access 通信軟件，能夠在PC 端口向服務(wù)器端口傳輸數(shù)據(jù)，增加辦公建筑設(shè)備配置的可協(xié)調(diào)性，在相同類型的辦公建筑能耗設(shè)備中構(gòu)建更多種類的數(shù)據(jù)傳輸途徑。

3 實驗研究

該文以白廣路辦公區(qū)為實驗研究對象，針對白廣路范圍內(nèi)的綠色辦公建筑能耗項目實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的采集以及分析。白廣路范圍內(nèi)辦公建筑能耗類型主要分為空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備、供暖設(shè)備、排水設(shè)備等，針對能耗設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，設(shè)定有專業(yè)人員以及管理制度進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，將整個數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)劃分為三個階段，每項能耗設(shè)備都具有相對應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測人員，對白廣路辦公建筑范圍內(nèi)的能耗計量單位實時與外部單位相統(tǒng)一。

2018年總用電量為8 982 180 kW·h，2019年總用電量為8 201 820 kW·h，2020年總用電量為8 713 800 kW·h，由于客觀環(huán)境影響和業(yè)務(wù)用電習(xí)慣因素，園區(qū)年耗電量會有一定的增加或減少。分別對南樓的6層和12層、綜合樓6 層進行能源數(shù)據(jù)采集與節(jié)能數(shù)據(jù)更改，獲取南樓6 層辦公建筑各類設(shè)備電源能耗2 461 kW·h，UPS 能耗、自身能耗、施工能耗共133 132 kW·h；南樓12 層設(shè)備能耗97 650 kW·h，施工用電、其他用電共168 722 kW·h；綜合樓6 層設(shè)備能耗、施工能耗共39 536 kW·h，精確數(shù)據(jù)的獲取均依靠計量表的負荷×系數(shù)×?xí)r間×天數(shù)公式完成計算。

通過應(yīng)用能耗數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對白廣路辦公區(qū)建筑空調(diào)類設(shè)備進行能耗統(tǒng)計，可知年平均損耗量達到362.21 kW·h，空調(diào)覆蓋面積達到總辦公建筑區(qū)域的80%，辦公建筑中采用的空調(diào)符合標準參數(shù)，能夠?qū)δ芎臄?shù)據(jù)采集器進行內(nèi)部的安裝，且能夠應(yīng)用水冷的方式降低數(shù)據(jù)采集器的周圍溫度，減少外部環(huán)境對數(shù)據(jù)監(jiān)測的影響。

4 結(jié)束語

綠色辦公建筑已經(jīng)成為未來辦公建筑的重要發(fā)展項目，需要在滿足工作人員正常辦公條件的情況下，達到節(jié)能減排效果。該文設(shè)計綠色辦公建筑內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)及短期能耗監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用在辦公建筑內(nèi)的各項能耗設(shè)備中，對能耗數(shù)據(jù)進行精確采集與數(shù)據(jù)分析，采用的變壓器與各項監(jiān)測設(shè)備均能夠適應(yīng)綠色辦公建筑大環(huán)境，且內(nèi)部的監(jiān)測流程也能夠針對數(shù)據(jù)的準確性與范圍得到實現(xiàn)。通過綠色辦公建筑的實施，白廣路辦公樓的年用電量以3.2%左右的速度下降，取得了較好的節(jié)能收益。