建筑能源管理系统的设计与应用范文

摘要：

介绍建筑能源管理系统的必要性，分析某实验室建筑能源管理系统的需求，提出了综合应用无线通信技术、动态组网技术及数据挖掘技术的建筑能源管理系统方案，并详细介绍了系统的架构、功能和特点。该系统采用900MHz频段的无线通信，提供了数据可视化、数据挖掘分析等功能，为实验室管理人员实现科学的节能管理，提高能源利用效率提供数据支持。

关键词：

能源管理；无线通信；900MHz频段；数据挖掘分析

引言

随着我国经济水平的提高，能源供应日趋紧张，建筑高能耗的问题日益突出，据统计，目前建筑能耗在我国能源总消费中所占比例已高达27.6％，综合能耗为发达国家的3倍[1]，而且90％以上为高耗能建筑[2]，节能潜力很大。据统计分析，如果对公共建筑按节能50％的标准进行改造，总的节能潜力约为1.35亿t标准煤[3]，以上海为例，仅2000年，上海市公共建筑的节能潜力合计达到了1999年上海市总能耗的18.27％[4]。对企业而言，当前能源费用呈上升趋势，能耗成本在企业成本中所占比例越来越大。如何通过技术化手段建立科学的能源监控和管理模式，对企业的经营发展和提高经济效益具有重要意义[5]。建筑运行能耗数据是开展节能工作重要的基础，建筑节能要以数据为依据。国家相关文件也明确指出，需要加强高耗能企业的能源监管体系建设，利用现代化技术手段，大力推进高耗能企业能耗在线监测平台的建设，实现对重点用能设备的能耗动态监测，是加强高耗能企业节能运行管理，建立和完善能效测评、能耗统计、用能定额、节能服务等制度的重要基础性工作。Herzog的研究表明，通过能源管理系统可在很少投入的基础上节约10％~25％的能耗[6]，即通过对建筑用能系统的合理化操作维护可以实现建筑节能的目的[7]。针对上述问题，提出了综合应用有线/无线通信技术、动态自组组网技术、数据挖掘技术的建筑能源管理系统，该系统以建筑能源监测管理为重点，通过对能源信息与设备信息的采集、基础分析展示与高级应用分析，实现能源信息的可视化监测、能耗数据管理、系统运行监视，为建筑能源监测管理体系提供技术支撑，为建筑运行提供能源与运行监视手段，为管理决策部门提供管理决策依据。详细介绍该系统在上海某企业高耗能实验室的应用，并针对系统特点，简单介绍了另外2个应用案例。

1实验室概况

某实验室位于上海市徐汇区某大楼的裙房，上下2层，建筑面积约为4000m2，配有28台恒温恒湿箱，用于检验电子产品、电子元件在湿热环境下的性能指标。据实验室管理方透露，该实验室1年的用电量约为550万kWh，属于高耗能实验室，其配电系统的配电结构.实验室管理方具体需求为：监测一/二/三级配电箱开关点位的电流、电压、电量等相关参数，其中PG-M，PG-M1，PG-M23个一级开关点位位于独立配电房中，OR1-OR66个二级开关点位位于实验室一楼，28个三级开关点位中的20个位于一楼，8个位于二楼。

2实验室建筑能源管理系统

2.1系统架构

实验室建筑能源管理系统由现场设备层、数据传输层、系统应用层组成，如图1所示。（1）现场设备层：现场9个一、二级配电开关点位装有带RS-485接口的多功能数显表，通过加装MESH采集模块采集并保存对应点位的用能数据；现场28个三级配电开关点位原没有采集计量表计，通过加装导轨表和MESH采集模块，采集并保存各用能设备的用能数据。（2）数据传输层：数据传输层主要是由RS-485总线网络、MESH采集模块、思科柱状路由器、无线通信网络组成，该层是数据信息交换的桥梁。数据传输层分为下层传输和上层传输：下层传输即现场采集的用能数据通过MESH采集模块实时传输到柱状路由器，采用900MHz频段无线传输方式；上层传输为柱状路由器到服务器之间的通信，采用光纤有线的传输方式。（3）系统应用层：系统应用层对采集的现场各类数据信息进行建模、计算、分析与处理，依托各种能耗分析模型，对设备的能耗进行综合评价，利用图形、表格等方式直观展现现场能耗状况，并出具各类能耗统计报表。（4）软件运行环境：操作系统为RedhatLinux企业版；数据库采用Oracle。

2.2系统功能

如图2所示，系统共有5个应用类，其中3个为前台应用类，包括我的空间、能耗管理、运行管理；2个为后台应用类，包括信息维护、系统管理，系统共13个应用功能项。

2.2.1前台功能-我的空间

（1）账户管理：为用户提供账户密码修改，账户信息修改功能。（2）站内消息：为用户提供站内设备告警信息与异常信息的弹出告警。

2.2.2前台功能-能耗管理

（1）能耗监测：实时监测每一级配电开关点位的电压、电流、功率、电量等运行参数。（2）能耗统计：允许有浏览权限的用户对每一级配电设备的能耗数据及总能耗进行展示，包括表格、饼图、折线图、柱状图形式，相应的时间尺度包括：按小时、按天、按月、按年。（3）能耗对比：展示当前每一级配电设备的能耗数据及总能耗数据与去年同期能耗的同比及与上月同期能耗的环比情况。

2.2.3前台功能-运行管理

（1）设备告警管理：系统可对每一级配电设备监测到的各项参数设定阀值，并根据采集到的能耗数据进行判定，以声光、短信、邮件、推送站内告警信息等方式进行告警提示，用户对告警信息进行确认、清除或处理，当故障排除或处理后，可消除告警，将告警归入历史库，提供告警信息查询功能。（2）运行日志管理：对数据采集情况和设备告警情况进行记录和展示，用户可查询最近一年的运行日志。（3）运行报表管理：用户可以查看告警、能源消耗等报表并支持导出和打印功能。

2.2.4后台功能-信息维护

（1）设备信息维护：包括配电设备、采集设备、计量设备信息的建档、录入、删除、查询。（2）报表维护：用户在该模块中定义、修改和查看报表模版。2.2.5后台功能-系统管理用户可在该模块对组织机构、人员、角色、权限和系统资源等进行配置。2.3系统特点本项目采用集成思科通信芯片的MESH采集模块（自行研发生产）和思科的柱状路由器，计量表计和MESH采集模块集中安装，MESH采集模块和思科柱状路由器之间采用900MHz频段无线通信，此通信频段和手机相同，通信距离可达1km，隔墙通信也很稳定，避免了布线带来的破坏装修、人工费用高及通信不稳定等问题。经过经济性分析，此项目采用该形式比常规有线通信形式可节省约30％的经济支出。

3系统其他应用案例

3.1案例1

海宁市供电公司办公大楼共15层，地下1层，地上14层，总建筑面积为9510m2。在此楼加装建筑能源管理系统，对其能耗进行采集、计量、展示、分析，依据业主方需求，照明插座用电分项采集空间颗粒度需要做到分层，其中12楼要做到分房间，由此带来以下问题：（1）采集终端安装在低压配电室（以下简称低配室），与表计的通信距离远，而且由于低配室在地下室，通信信号较差。（2）各楼层和12楼房间都已装修，安装计量表计及RS-485线需要破坏原有装修。（3）每层的照明插座配电箱和管道井分别位于楼层的两侧，距离较远，RS-485线安装工程量较大。海宁市供电公司大楼建筑能源管理系统针对照明插座用电分项采用MESH采集模块采集、无线通信的方式，在低配室布置思科柱状路由器，每层及12楼各个房间的照明插座配电箱安装计量表计和MESH采集模块，MESH采集模块自主组网，与柱状路由器进行无线通信，很好地解决了以上3个问题。大楼其他用电分项的计量直接在低配室的回路上安装计量表计，通过RS-485线与采集终端连接，实现有线通信。自2014年11月系统投入运行以来，采用有线通信方式的其他用电分项采集不稳定，有数据中断的现象发生，但采用MESH无线通信方式的照明插座用电分项采集稳定，未发生任何问题。通过经济性分析，照明插座用电分项采用有线通信的方式比MESH无线采集方式初期多投入3万。通过与大楼前3年的平均能耗对比分析，应用本系统后，该大楼能耗降低了8％。

3.2案例2

海盐县供电公司办公大楼主楼共15层，建筑面积为12217m2，辅楼5层，建筑面积3812m2，有单独的低配室和空调主机房，距离主楼和辅楼约80m。在该楼加装建筑能源管理系统，对70谈宏飞，等：建筑能源管理系统的设计及应用其能耗进行采集、计量、展示、分析。系统分为一期和二期，一期只需实现低配室分回路计量，二期的采集空间颗粒度要做到分层、分区域，每层2个区域。经过现场调研，发现以下问题：（1）一期只需在低配室安装1个采集终端，所有计量回路的表计采用RS-485线通过管线通道与采集终端连接，实现回路的计量。但二期需要做到分层、分区域，由于主楼和辅楼离低配室距离较远，又要考虑到楼层高度、横向走廊宽度，RS-485线通信距离不能满足现场要求。（2）每层分区域的2个配电箱布置在楼层，直接装在墙上，若要敷设RS-485线，在墙上挖槽或者走PVC管线安装的工作量都很大，而且影响美观。（3）布线安装工程量较大。考虑到以上3个问题以及大楼建筑能源管理系统一、二期项目的统一性，决定采用MESH无线通信的方式，在低配室取消采集终端的布置，用MESH采集模块和柱状路由器代替，一期所有回路表计通过MESH采集模块采集，二期各楼层区域配电箱安装计量表计和MESH采集模块，MESH采集模块自主组网，与柱状路由器进行无线通信、无线采集。系统自2015年3月投入运行以来，通信稳定，未出现数据终端问题。通过与大楼前3年的平均能耗对比分析，应用本系统后该大楼的能耗降低了10％。

4结语

基于MESH900MHz无线通信的建筑能源管理系统为科学用能、合理用能、节能管理提供支持平台，为建筑管理人员提供决策支持，实现节能工作的科学管理及能源效率的持续改进，值得大力推广应用。

参考文献：

1清华大学建筑节能研究中心．中国建筑节能年度发展报告2007[M]．北京：建筑工业出版社，2007.

2潘文玉，高阳．浅谈办公建筑的节能改造[J]．建筑安全，2007（7）:59-61.

3江亿．我国建筑能耗状况及有效的节能途径[J]．暖通空调，2005，35（5）:25-27.

4倪德良．上海公共建筑节能潜力分析[J]．能源技术，2002，23（3）:14-16.

5田树静．论能源计量在企业节耗中的作用[J]．中国科技纵横，2010（12）:271.

6蔡必超．办公建筑能源管理作业之研究[C]．台北：建筑物能源管理技术研讨会，2003.

作者：谈宏飞 秦俊宁 颜立 张建民 单位：国网浙江浙电节能服务有限公司