某辦公建筑的建筑能耗管理系統(tǒng)設計及分析

摘要：本文針對某大型辦公建筑項目，將建筑群內部的所有能耗數(shù)據(jù)和參數(shù)，傳輸至建筑能耗管理平臺，由能耗管理平臺進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析和處理后，反饋至建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)和智能照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)項目的能源精細化管理和智能化控制功能，在保證建筑舒適性的條件下，提高建筑能源利用效率，降低項目用能費用，助力項目達標綠色建筑三星標準。

關鍵詞：綠色節(jié)能；數(shù)據(jù)采集；能耗監(jiān)測；節(jié)能運行

目前我國擁有數(shù)百億平方米的建筑，總體量穩(wěn)居世界前列，但目前我國的綠色建筑比例只有約0.05 , 建筑的運行能耗總體偏高，目前我國建筑的運行能耗約占全社會總能耗的1/3。我國能源消費總量己躍居世界前列，是能源資源相對短缺的國家又是能源利用率低下的國家，需求和供應的矛盾突出。因此，非常有必要廣泛應用建筑能耗管理系統(tǒng)，監(jiān)測建筑運行的能源消耗，促進建筑的持續(xù)節(jié)能運行，這有助于我國轉變經濟發(fā)展方式，實現(xiàn)經濟增長模式由粗放型向集約型轉變，由高碳排放向低碳排放轉變。

1 現(xiàn)代建筑能耗管理系統(tǒng)設計存在的問題

1.1 重復建設問題

在現(xiàn)代大型建筑的設計工作中，智能化專項設計己經普及。智能化專項設計單位會提供一套建筑能耗管理系統(tǒng)施工圖用于指導施工；與此同時，電氣專業(yè)出于通過施工圖審查的目的，也會提供一套建筑能耗管理系統(tǒng)的施工圖。兩套建筑能耗管理系統(tǒng)的施工圖，一起付諸實施后，產生了重復建設的問題，有形地增加建設單位的資金投入。

1.2 計量粗放的問題

水、暖、電專業(yè)的能耗計量儀表的設置，一般以集中設置為主。智能化設計人員如果機械地按照水、暖、電專業(yè)提供的儀表的位置和數(shù)量進行能耗數(shù)據(jù)采集，就無法進行精細化能源管理，也很難為建筑節(jié)能運行提供合理的管理策略。

2 本項目建筑能耗管理系統(tǒng)設計

2.1 項目概況

本項目位于湖南省長沙市，總建筑面枳約 9.6萬平米。項目包括三棟單體，其中A棟公寓樓地上16層、地下2層；B棟辦公樓地上20層、地下2層；C棟辦公樓地上21層、地下2層。

本項目為建筑面積超過1萬平方米以上的新建公共建筑，根據(jù)《長沙市民用建筑節(jié)能和綠色建筑管理辦法》長政辦發(fā){2017}53號文要求，本項目應安裝能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，且應與建筑主體工程同步設計、同步施工、同步驗收，所采集的建筑能耗數(shù)據(jù)應能穩(wěn)定上傳至長沙市建筑能耗監(jiān)測平臺。

2.2 設計思路

傳統(tǒng)的能耗管理系統(tǒng)，一般只要求滿足能耗監(jiān)測和能耗數(shù)據(jù)上傳的功能，系統(tǒng)流程如圖1 所示。

這種能耗管理模式是一種用于滿足國家和地方政策規(guī)范的開環(huán)管理模式，只知道建筑消耗了多少能源，不能為建筑運行管理提供有針對性的節(jié)能管理策略。

考慮到本項目存在公寓、外租辦公和自用辦公等多種業(yè)態(tài)的實際情況，采用傳統(tǒng)的開環(huán)式能耗管理系統(tǒng)己經不能滿足物業(yè)管理要求。因此，設計方考慮將能耗計量、能耗監(jiān)測、能耗收費、節(jié)能運行、節(jié)能展示等功能融合為一個整體，分別面向本項目的A棟公寓租戶、B棟辦公樓租戶、裙樓商業(yè)租戶和物業(yè)運營管理單位等多類用戶提供服務，形成一套閉環(huán)的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)架構

本項目建筑能耗管理系統(tǒng)采用B/S架構，B/S架構允許授權用戶通過各類網絡終端（計算機、手機或PAD）通過互聯(lián)網訪問和管理項目的能耗管理系統(tǒng)。

2.4 系統(tǒng)結構

圖1：開環(huán)能耗管理系統(tǒng)流程圖

圖2：閉環(huán)能耗管理系統(tǒng)流程圖

圖3：建筑能耗管理系統(tǒng)結構圖

本系統(tǒng)分為五個層次，自下而上分別是數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)采集層、網絡傳輸層、系統(tǒng)服務層和系統(tǒng)展示層。系統(tǒng)層次結構如圖3所示。

2.4.1 一層：數(shù)據(jù)感知層

數(shù)據(jù)感知層由各種數(shù)字能耗計量儀表組成，如：空調能量表、數(shù)字流量表、數(shù)字電表、燃氣表等，計量末端設備的耗能量。

本項目由水暖電專業(yè)根據(jù)規(guī)范要求和物業(yè)管理要求設置能耗計量儀表，智能化專業(yè)對各專業(yè)儀表的設置提供優(yōu)化建議。

2.4.2 二層：數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層由能耗數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)采集鏈路組成，能耗數(shù)據(jù)采集器對數(shù)字電能表、數(shù)字燃氣表、數(shù)字流量表、空調能量表等設備進行能耗數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)過濾與存儲，并通過信息網絡系統(tǒng)，將能耗數(shù)據(jù)上傳到能耗管理服務器。數(shù)據(jù)采集鏈路指傳輸數(shù)據(jù)的方式，如：RS-485總線、M-BUS總線以及無線等方式。

本項目數(shù)據(jù)采集器安裝在各樓層弱電間，采集各類儀表的能耗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用RS-485總線制傳輸，采用的能耗數(shù)據(jù)采集器，至多支持4路下行RS-485總線回路，每個回路可接32個數(shù)字儀表。為了保證總線回路的通信速率，提高通信鏈路的穩(wěn)定性，設計按照不超過500米距離的要求設計總線回路。

2.4.3 三層：網絡傳輸層

網絡傳輸層包括數(shù)據(jù)采集器上行的綜合布線鏈路、信息網絡設備以及相關協(xié)議。綜合布線鏈路包括各類光纖、雙絞線等材料；信息網絡設備包括交換機、路由器等設備：主要協(xié)議包括TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議。

考慮到辦公樓擬建的局域網資源和降低通訊成本的因素，本項目能耗管理系統(tǒng)采用外網綜合布線系統(tǒng)傳輸，外網綜合布線采用單模光纖+ 非屏蔽6 類線解決方案。能耗管理系統(tǒng)接入到外網信息網絡進行數(shù)據(jù)交換和處理，以便將能耗數(shù)據(jù)上傳至長沙市能耗監(jiān)測管理平臺，借助辦公樓外網網絡，并在此基礎上構建增值服務。

2.4.4 四層：系統(tǒng)服務層

系統(tǒng)服務層由能耗管理服務器和能耗管理軟件組成，負責對項目能耗數(shù)據(jù)進行匯總、統(tǒng)計、分析、計算、處理和存儲。實現(xiàn)能耗計量收費、能耗分析、能耗查詢、能耗預警和管理優(yōu)化等功能。

2.4.5 五層：系統(tǒng)展示層

用戶可通過多種方式訪問建筑能耗管理系統(tǒng)，本項目要求支持用戶可通過手機、PAD、計算機客戶端等方式訪問，實時掌握建筑的能耗動態(tài)。同時通過IBMS平臺和信息發(fā)布系統(tǒng)打通，支持在本項目的LED大屏進行展示。

2.5 主要功能設計

2.5.1電能耗計量監(jiān)測功能

電能耗計量監(jiān)測采用電表采集電能的數(shù)據(jù)，在需要計量收費和監(jiān)測的區(qū)域設計安裝電表。

總用電量計量：在每臺變壓器低壓干線處安裝數(shù)字電能表，對總的用電量進行計量。

分戶計量：在 A 棟公寓、B 棟辦公樓裙樓商業(yè)和食堂等末端用戶設置數(shù)字電表進行分戶計量。

分層計量：C 棟辦公樓為自用辦公為主，在樓層普通照明配電箱、樓層公共照明配電箱和樓層空調配電箱設置數(shù)字電表進行分層計量。

分類分項計量監(jiān)測如下：

照明、插座系統(tǒng)電耗（照明和插座用電、走廊和應急照明用電、室外景觀照明用電）。

空調系統(tǒng)電耗（空調機房用電、空調末端用電）。

動力系統(tǒng)電耗（電梯用電、水泵用電、通風機用電）。

特殊電耗（弱電機房、消防控制室、廚房餐廳等其他特殊用電）。

2.5.2水能耗計量監(jiān)測功能

水能耗計量監(jiān)測采用水表采集水能的數(shù)據(jù)，在需要計量收費和監(jiān)測的區(qū)域設計安裝水表。

根據(jù)項目對水表計量收費和監(jiān)測的要求，需要計量監(jiān)測的區(qū)域如下：

總用水量：在園區(qū)給水干管設置數(shù)字流量表計量。

餐廳廚房用水：在餐廳廚房給水管設置數(shù)字流量表計量。

洗手間用水：在樓層洗手間給水管設置數(shù)字流量表計量。

分戶計量：在 A 棟公寓、B 棟辦公樓裙樓商業(yè)和食堂等末端用戶設置數(shù)字流量表進行分戶計量。

空調系統(tǒng)用水：在空調系統(tǒng)給水管設置數(shù)字流量表計量。

2.5.3空調能耗計量監(jiān)測功能

(1) 集中計量：供回水管上安裝能量表，計量使用的冷熱量

(2) 末端計量：每戶的風機盤管安裝智能溫控器，計量風機盤管使用的當量時間

2.5.4能耗KPI功能

能耗KPI：本項目C棟辦公樓為業(yè)主自持，各個部門分樓層、分區(qū)域獨立辦公。能耗管理系統(tǒng)分析能耗情況，將能源消耗分攤到各個部門、個人，實現(xiàn)能耗考核，促進管理方面的主動節(jié)能。

2.5.5節(jié)能管控功能

能耗管理系統(tǒng)可有效的監(jiān)控內各個單位的能耗狀況，避免非正常上班時間的能耗浪費，節(jié)約能源，給使用單位提供能源控制、管理方面的決策依據(jù)。

用戶可以制定能耗節(jié)約策略，例如當空調的熱量消耗達到預設值后，通過樓宇自控接口，監(jiān)測風機盤管和B A設備的運行狀態(tài)，減小送風量和提高或降低送風/回風溫度。當設備終端的能源累積量達到系統(tǒng)設定的值時，系統(tǒng)可以自動對風機盤管發(fā)送關機命令，并且關閉盤管的控制面板遠程控制。

3 專業(yè)間配合

3.1 和電氣專業(yè)配合

智能化專業(yè)在項目設計前和電氣專業(yè)就避免能耗管理系統(tǒng)重復建設的問題進行協(xié)商，明確由電氣專業(yè)根據(jù)物業(yè)管理要求設置帶遠傳接口的數(shù)字化電表，由智能化專業(yè)負責電表的數(shù)據(jù)采集的布線和能耗管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設計，確保整個項目只有一套能耗管理系統(tǒng)和平臺。

3.2 和給排水專業(yè)配合

由給排水專業(yè)根據(jù)物業(yè)管理要求設置帶遠傳接口的數(shù)字化流量表，由智能化專業(yè)負責流量表的數(shù)據(jù)采集的布線和能耗管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設計。

3.3 和暖通專業(yè)配合

由暖通專業(yè)根據(jù)物業(yè)管理要求設置帶遠傳接口的數(shù)字化空調能量表，由智能化專業(yè)負責空調能量表的數(shù)據(jù)采集的布線和能耗管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設計。

3.4 和綠建專業(yè)配合

根據(jù)《綠色建筑評價標準》GB/T50378要求，綠建三星標準建筑應滿足該標準的所有控制項要求，并且綠建總得分不低于80分。智能化專業(yè)在項目設計前和綠建專業(yè)就控制項和得分項進行協(xié)商，由智能化專業(yè)設計能耗管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能需要滿足和能耗監(jiān)測、計量和節(jié)能措施等方面的控制項和得分項的要求，助力綠建三星標準達標。

4 系統(tǒng)設計的發(fā)展趨勢

目前能耗管理系統(tǒng)組網以有線傳輸為主，具有穩(wěn)定性高的優(yōu)點，但也存在擴展不便的缺點。由于能耗管理系統(tǒng)在傳輸過程中產生的流量較小，對網絡帶寬要求不高，延時要求也不高，采用無線傳輸不僅可以滿足能耗管理系統(tǒng)的組網需求，還具備擴展靈活的優(yōu)勢。隨著物聯(lián)網技術和5G 通信的快速普及，利用無線傳輸會越來越廣泛地應用于能耗管理系統(tǒng)。

5 安科瑞Acrel-5000建筑能耗分析系統(tǒng)

Acrel-5000建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國家有關規(guī)定實施能源計算，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計算報告。

6 應用場所

適用于公共建筑、集團公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測與管理的系統(tǒng)設計、施工和運行維護。

7 系統(tǒng)組網圖

8 系統(tǒng)功能

8.1系統(tǒng)概況

平臺運行狀態(tài)，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時、逐月曲線，當日，當月能耗同比分析滾動顯示。

8.2 用能概況

對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項等用能進行對比，支持當日逐時趨勢、當月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計對比、總能耗 同環(huán)比對比。

8.3 用能統(tǒng)計

對建筑、區(qū)域、分項、支路等結構按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進行統(tǒng)計，支持報表數(shù)據(jù)導出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進行生成柱狀圖。

8.4 復費率統(tǒng)計

復費率報表按日、月、年統(tǒng)計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統(tǒng)計分析。支持數(shù)據(jù)導出到EXCEL。

8.5 同比分析

對建筑、分項、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結合的方式進行用能數(shù)據(jù)同比分析。

8.6 能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑自己設定時段內各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標值查看。

8.7 夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在自己設定時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，支持導出報表。

8.8 設備管理

設備管理包括，設備類型、設備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設備，確保設備的運行。

8.9 用戶報告

用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結果，針對用電提供單獨的復費率用能分析，報告可編輯。

9 系統(tǒng)硬件配置

應用場景	型號	圖 片	保護功能
建筑能耗管理系統(tǒng)	Acrel-5000		采用泛在物聯(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通訊智能傳感等技術手段可為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析、能效分析、用能預警、設備管理等服務，平臺可以廣泛應用于多種領域。
智能網關	Anet-1E2S1		采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，作為信息采集系統(tǒng)中采集終端與平臺系統(tǒng)間的橋梁，能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)采集匯總，并使用相應的規(guī)約轉發(fā)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)給平臺系統(tǒng)。
高壓重要回路或低壓進線柜 配電變壓器	APM810		具有全電量測量，電能統(tǒng)計，電能質量分析及網絡通訊等功能，主要用于對電網供電質量的綜合監(jiān)控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設計，當客戶需要增加開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出，SD 卡記錄，以太網通訊時，只需在背部插入對應模塊即可。
	APM520		三相全電量測量，2-63 次諧波，不平衡度，支持付費率，越限告警，SOE,4-20mA輸出。
低壓聯(lián)絡柜、出線柜	AEM96		三相多功能電能表，均集成三相電力參數(shù)測量及電能計量及考核管理，提供上 24 時、上 31日以及上 12 月的電能數(shù)據(jù)統(tǒng) 計。具有 63 次分次諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和繼電器輸出可實現(xiàn)“遙信” 和“遙控”功能并具備告警輸出，可廣泛應用于多種控制系統(tǒng)SCADA 系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中。
動力柜	ACR120EL		測量所有的常用電力參數(shù)，如三相電流、電壓，有功、無功功率，電度，諧波等，并具備完善的通信聯(lián)網功能，非常適合于實時電力監(jiān)控系統(tǒng)。
	DTSD1352		DIN35mm 導軌式安裝結構，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數(shù)設置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標準DL/T614-2007 對電能表的各項技術要求并且具有電能脈沖輸出功能;可用 RS485通訊接口與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
	AEW100		三相全電量測量，剩余電流、2-63 次諧波支持付費率，量值、電纜溫度，可選 2G/4G 通訊。
照明箱	DTSD1352		DIN35mm 導軌式安裝結構，體積小巧，能測量電能及其他電參量，可進行時鐘、費率時段等參數(shù)設置，精度高、可靠性好、性能指標符合國標GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標準DL/T614-2007對電能表的各項技術要求，并且具有電能脈沖輸出功能;可用 RS485通訊接口與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
	DDSD1352		DDSD1352單相電子式電能表主要用于計量低壓網絡的單相有功電能，同時可測量電壓、電流、功率等電量，具有紅外通訊功能，并可選配 RS485通訊功能，方便用戶進行用電監(jiān)測、集抄和管理?？伸`活安裝于配電箱內，實現(xiàn)對不同區(qū)域和不同負荷的分項電能計量，統(tǒng)計和分析。
	DDS1352		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，正反向電能計量，紅外及RS485 通訊，電流規(guī)格 10(60)A，有功電能精度1級。無功精度2級。尺寸:1P
	ADW300/4G		計量低壓網絡的三相有功電能，具有 RS485通訊和470MHz無線通訊功能，方便用戶進行用電監(jiān)測、集抄和管理?？伸`活安裝于配電箱內，實現(xiàn)對不同區(qū)域和不同負荷的分項電能計量，統(tǒng)計和分析。
	ARCM300T-Z-4G		三相全電量測量，剩余電流、2-63 次諧波，支持付費率，量值、電纜溫度，可選 2G/4G 通訊。
給水管道	水表		計量流經給水管道用水的體積總量，適用于單向水流，采用電子直讀技術，通過RS485總線直接輸出表盤數(shù)據(jù)。

10 結論

總而言之，將大數(shù)據(jù)應用到公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)中能夠大大提高系統(tǒng)的工作效率．一方面，隨著監(jiān)測系統(tǒng)的建設，越來越多的數(shù)據(jù)開始被記錄下來，如何充分利用這些數(shù)據(jù)正是每一個從業(yè)人員都面臨的問題；另一方面，將大數(shù)據(jù)引用到監(jiān)測系統(tǒng)中，不僅能夠充分對監(jiān)測系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)進行挖掘利用，還能夠利用到外部數(shù)據(jù)來提升監(jiān)測系統(tǒng)的水平，從而建立起一個科學完備的公共建筑能耗監(jiān)測體系。

參考文獻

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審核編輯 黃宇