大型公共建筑能耗监测与信息管理系统研究及产品选型

摘要：文章通过阐述大型公共建筑能耗现状，突出大型公共建筑实施节能监管的必要性，并在系统总结运用技术手段实施建筑能耗监测的基础上，介绍了江苏省建筑能耗监测系统研究过程中的技术创新和应用情况。

关键词：公共建筑；建筑能耗；监测；节能

0.前言

随着我国工业化和城市化进程的加速，高速发展的建筑业以及不断扩大的建筑规模使得建筑能耗日益增长问题越来越凸显。预计到2020年，我国城市生活人口将达到总人口数的56％以上，建筑能耗的大幅度增加将不可避免。目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的3大“耗能大户”。在建筑能耗中，机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系，依托科技手段，实施全过程、全寿命监督管理，对实现节能减排战略目标具有重要的意义。作为建筑节能监管体系建设示范省，江苏省按照住房和城乡建设部的部署要求，组织开展了大型公共建筑能耗监测与信息管理系统研究，并进行了示范推广应用，取得了阶段性成效。

1.建筑节能监管与能耗监测

根据《关于加强机关办公建筑和大型公共建筑节能运行和改造。

建筑节能主要通过技术和管理2种手段来实现，技术手段主要包括建筑围护结构热工性能的提升和建筑设备系统能效的优化，管理手段主要是指建筑业主对能源消耗行为的管理和政府主管部门对建筑能源使用的约束。对于大量的既有公共建筑，技术手段涉及围护结构和设备系统改造，虽可以有效的降低建筑使用能耗，但是存在投资大、见效慢、周期长等问题；管理手段侧重于主观方面，通过人工调节和行为控制来降低建筑运行使用能耗，能耗监测就是其中投资少、见效快的主要方式。

能耗监测主要通过在建筑设备末端安装分项能耗计量装置，采用公共网络等远程传输手段，及时采集分析能耗数据，实现建筑能耗的在线监测和动态分析，是掌握用能状况，发现用能问题，研究用能标准和实施节能改造的重要环节。通过能耗监测，可以科学判断运行模式的合理性，判断系统能耗水平的高低，判断系统的用能合理性。尤其对于配电支路错综复杂的高能耗既有公共建筑，可以查找建筑高能耗环节，从而进行优化管理。能耗监测不仅有助于提供基础数据和编制分析报告，为业主指明节能管理方向；同时，对用能单位能源的消耗和使用也起到了监督和管理作用。

为进一步规范建筑能耗监测系统建设，发挥工程建设标准的科技支撑和约束引导作用，按照住房和城乡建设部及江苏省住房和城乡建设厅关于机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测工作的要求，江苏省工程建设标准《公共建筑能耗监测系统技术规程》（DGJ32/TJ111-2010）对建筑用能的分类、分项、建筑能耗监测的范围以及能耗监测系统工程的设计、施工、检测、验收和运行维护的全过程提出了技术要求，以确保系统采集的能耗数据真实准确。规程明确要求能耗监测系统采集的数据应远程传输给省、市级建筑能耗监测数据库，并提供给建筑所有权人、业主或其委托的物业管理单位，为制定节能政策、加强用能管理等提供科学可靠依据。

2.能耗监测与信息管理系统

目前大多数公共建筑只有总电表、总气表等为数非常少的计量表具，缺乏楼宇内部各个用能子系统的实时、分项用能数据，难以掌握楼宇中各个子系统各自的用能现状，无法实现科学的用能管理。能耗监测*初起源于分项计量设想的提出，好比医生通过仪器对病人进行科学性诊断，查找“病症”所在部位，实施针对性的“治疗”。2006年北京市率先开展了机关办公建筑和大型公共建筑分项用电计量项目研究，并初步实现了分项用电数据稳定持续的获取、传输、存储和分析，这即是建筑能耗监测系统。江苏省自2007年开展能耗监测调研与研究，并于2008年起实施能耗监测项目试点，依托省级建筑节能专项引导资金落实了分项计量工程项目和数据库建设。

监测建筑能耗数据展示可为建筑业主等单位提供建筑的分类分项用能状况的统计数据，使其定量了解建筑内各部位的能源消耗情况，为指导节能运行管理、实施节能改造等工作提供技术保障。为实现能耗监测平台对建筑用能横向对比发现问题、纵向挖掘节能潜力的建设目的，江苏省依据国家有关技术导则要求，结合工作实际，自行研发了能耗监测与信息管理系统，并在以下3方面进行了技术集成创新。

2.1基于Flex技术大型公建能耗监测平台的开发方法

目前关于能耗监测应用软件的开发传统主要采用net技术和J2EE技术，实现的功能侧重于能耗数据的查询与展示。但建筑耗能与很多因素有关，如建筑物的形状、面积、朝向、层数等多种因素有关，同时也与建筑物的空间环境相关。传统的开发方法很难描述建筑物的空间环境、建筑物的构造特点等与建筑自身属性相关的问题，且传统的开发方法基于查询驱动，系统模式简单，信息量不足，与用户交互性较差。

针对传统方法较难描述建筑物空间属性和信息量不足的缺陷，本系统采用Flex技术开发能耗监测与信息管理系统软件，结合三维（3D）仿真地理地图对建筑空间属性进行描述，将能耗数据与建筑的3D地理信息相结合，直观展现建筑的能源消耗情况。通过对建筑区域建立3D仿真地理地图，并将3D仿真地理地图进行切割成分级瓦片地图数据，再基于Flex环境开发地图显示程序组件，动态调用分级瓦片地图，实现轻量级的3D地图服务功能，并将地图坐标信息与建筑的能耗统计信息进行有机融合，通过地图缩放实现以不同粒度动态查询及比对多个建筑的能耗分析统计信息。

2.2建筑支路异常能耗诊断技术

建筑支路异常能耗可能造成能源浪费，也可能造成安全事故，建筑支路异常用能预警是一项重要的节能服务内容。建筑海量的能耗数据隐藏着大量的用能特征信息，通过对历史能耗数据进行信息挖掘，对异常用能情况进行捕捉，及时给出预警信息。建筑支路异常能耗分析传统上借助一些数学方法，如统计法、偏差法、密度法等，较多地从数学的角度考虑算法，并不能反映建筑支路异常能耗数据产生的原因，这些算法只是在少数研究人员中进行研究，缺乏广泛的应用价值。建筑支路异常能耗诊断技术克服了现有技术中的不足，提出了一种基于自组织映射网络的建筑异常能耗支路的在线诊断方法。通过该诊断技术，实现自适应的检测模型，自动在线监测建筑各能耗支路的用能情况，当异常特征发生时，及时给出预警信息。

2.3智能楼宇中海量信息的压缩方法

由于建筑能耗监测与信息管理系统实时接收来自监测建筑的能耗信息，监测的数据点多，而采集的时间又相对较短，因而要保存的历史数据量非常大，如果将这些数据直接存储，不仅会占用大量的系统存储空间，而且会降低数据的实时性，使数据的传输、查询和分析变得困难。本系统针对建筑能耗数据的特殊性，考虑不同特性数据点的需求，研究了一种智能楼宇中海量能耗信息的压缩方法，即采用多级压缩策略与自控精度SDT数据压缩算法。利用开放性的记录方式给予系统配置自由度，有效地过滤冗余数据。利用数据平滑方法对数据序列中强噪声点进行处理，使得处理后的数据能接近被测参数的实际值，降低了传感器的测量精度误差给数据处理带来的影响。数据处理过程中采用了周期跨度的保存方式，具有很高的压缩比，与内存数据库中的缓存结构设计相结合，使得压缩方法与结构设计相得益彰。

3.系统应用

江苏省建筑能耗监测与信息管理系统具备各种建筑能耗实时分类/分项计量。数据采集与存贮、数据统计与分析、数据发布与远传等基本功能，已先后应用在南京、无锡、常州、苏州等市级监测中央级建筑能耗数据库上传数据任务。

从2008年起，江苏省实施的建筑能耗监测系统一期工程中要对8大类、798万m2公共建筑能耗进行在线动态监测，其中：办公建筑73幢、商场建筑19幢、宾馆建筑21幢、教育建筑73幢、医疗卫生建筑18幢、体育建筑7幢、综合建筑7幢、其他建筑21幢。运行以来，系统稳定可靠，功能齐全，为加强用能监管管理提供了科学数据和技术支撑，获得了良好的经济效益和社会效益。目前，已对数据传输长期稳定、可靠、连续的部分监测建筑开展用能诊断分析，科学查找用能存在问题，提出改进措施，进一步发挥能耗监测的作用。

4.工程案例分析

某栋4层商用写字楼，底层商业用房尚未使用，2至4层为办公用房。该楼宇安装电能表分别计量照明、空调、机房、厨房等8个回路的用电情况，并实现了远程动态监测，其中：各楼层的照明插座用电，包括办公室的照明、办公设备等；各楼层的空调用电是中央空调机的能耗；机房内主要耗能设备是计算机网络设备和空调；厨房餐厅支路包括2楼厨房的设备用电、2楼餐厅的空调用电等。

图14月至11月各层照明插座用电比较

从图1可知，总体上该楼照明插座用电的变化规律相同，符合工作人员作息时间一致的现状；4楼工作人员较多，日用照明插座负荷相对较高，监测结果对此予以验证；2楼计量的面积较少，故能耗较3、4楼也较少。

从图2可知，各层空调用电基本规律相同，7、8月份是空调用电的高峰期。3楼与2楼的空调用电基本相同，但考虑到2楼的计量面积较少，故2楼的单位面积空调用电较高。4楼空调用电夏季使用较多，符合其人数较多的现状，而进入11月份其空调用电较2、3楼低，可能与其工作人员中占多数的年轻人对低温适应能力较强而未开启空调有关，见图2。

图2各层空调用电比较

图3所示为机房用电情况趋势图，从图中可知机房用电比较规律，日用电在300kW·h左右，用电基本在12.5kW·h左右，起伏很小。这与机房内各类设备24h工作情况相符。机房内各类计算机网络设备工作状态下的能耗基本不变，空调的工作能耗与气温情况关系不大。

图3机房用电情况

图4厨房餐厅用电情况

该楼宇厨房餐厅主要为办公人员准备午餐，其工作时间是周一至周五的早8时到14时左右。从图4可知，厨房餐厅的用电基本符合其工作规律，4个波谷对应的正是当月的4个双休日；这一用电支路还包括1楼大厅的用电，故14时之后还有物业的接待与值班人员活动的用电能耗。

根据能耗动态监测结果和现场调查分析，可以得知该楼宇用电基本正常，未发现较大异常用电现象。

5.安科瑞建筑能耗分析系统

5.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。用户可按照国家有关规定实施能源计算，分析现状，查找问题，挖掘节能潜力，提出切实可行的节能措施，并向县级以上管理节能工作的部门报送能源计算报告。

5.2应用场所

适用于公共建筑、集团公司、工业园区、大型物业、学校、医院、企业等不同行业的能耗监测与管理的系统设计、施工和运行维护。

5.3系统功能

5.3.1系统概况

平台运行状态，当月能耗折算、地图导航，各能耗逐时、逐月曲线，当日，当月能耗同比分析滚动显示。

5.3.2用能概况

对建筑、部门、区域、支路、分类分项等用能进行对比，支持当日逐时趋势、当月逐日趋势曲线、分时段能耗统计对比、总能耗同环比对比。

5.3.3用能统计

对建筑、区域、分项、支路等结构按日、月、年报表的形式统计对分类能源用能进行统计，支持报表数据导出EXCEL，支持选择建筑数据进行生成柱状图。

5.3.4复费率统计

复费率报表按日、月、年统计对单栋建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析。支持数据导出到EXCEL。

5.3.5同比分析

对建筑、分项、区域、支路等用能按日、月、年以图形和报表结合的方式进行用能数据同比分析。

5.3.6能源流向图

能源流向图展示单栋建筑时段内各类能源从源头到末端的的能源流向，支持按原始值和折标值查看。

5.3.7夜间能耗分析

夜间能耗以表格、曲线、饼图等形式对选择支路分类能源在时段工作时间与非工作时间用能统计对比，支持导出报表。

5.3.8设备管理

设备管理包括，设备类型、设备台账、维保记录等功能。辅助用户合理管理设备，确保设备的运行。

5.3.9用户报告

用户报告针对选定的建筑自动统计各能源的月使用的同环比趋势，并提供简单的能耗分析结果，针对用电提供单独的复费率用能分析，报告可编辑。

6.系统硬件配置

应用场景	型号	图片	保护功能
建筑能耗管理系统	Acrel-5000web		采用泛在物联、云计算、大数据、移动通讯、智能传感等技术手段可为用户提供能源数据采集、统计分析、能效分析、用能预警、设备管理等服务，平台可以广泛应用于多种领域。
智能网关	ANet-1E2S1		采用嵌入式硬件计算机平台，具有多个下行通信接口及一个或者多个上行网络接口，作为信息采集系统中采集终端与平台系统间的桥梁，能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总，并使用相应的规约转发现场设备的数据给平台系统。
高压重要回路或低压进线柜	APM810		具有全电量测量，电能统计，电能质量分析及网络通讯等功能，主要用于对电网供电质量的综合监控诊断及电能管理。该系列仪表采用了模块化设计，当客户需要增加开关量输入输出，模拟量输入输出，SD卡记录，以太网通讯时，只需在背部插入对应模块即可。
高压重要回路或低压进线柜	APM520		三相全电量测量，2-63次谐波，不平衡度，支持付费率，越限告警，SOE,4-20mA输出。
低压联络柜、出线柜	AEM96		三相多功能电能表，均集成三相电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上24时、上31日以及上12月的电能数据统计。具有63次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和继电器输出可实现“遥信”和“遥控”功能，并具备告警输出，可广泛应用于多种控制系统，SCADA系统和能源管理系统中。
动力柜	ACR120EL		测量所有的常用电力参数，如三相电流、电压，有功、无功功率，电度，谐波等，并具备完善的通信联网功能，非常适合于实时电力监控系统。
	DTSD1352		DIN35mm导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和电力行业标准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，并且具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。
	AEW100		三相全电量测量，剩余电流、2-63次谐波，支持付费率，量值、电缆温度，可选2G/4G通讯。

照明箱	DTSD1352	DIN35mm导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和电力行业标准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，并且具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。
	DDSD1352	DDSD1352单相电子式电能表主要用于计量低压网络的单相有功电能，同时可测量电压、电流、功率等电量，具有红外通讯功能，并可选配RS485通讯功能，方便用户进行用电监测、集抄和管理。可灵活安装于配电箱内，实现对不同区域和不同负荷的分项电能计量，统计和分析。
	DDS1352	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量，红外及RS485通讯，电流规格10（60）A，有功电能精度1级。无功精度2级，尺寸:1P
	ADW300/4G	计量低压网络的三相有功电能，具有RS485通讯和470MHz无线通讯功能，方便用户进行用电监测、集抄和管理。可灵活安装于配电箱内，实现对不同区域和不同负荷的分项电能计量，统计和分析。
	ARCM300T-Z-4G	三相全电量测量，剩余电流、2-63次谐波，支持付费率，量值、电缆温度，可选2G/4G通讯。
给水管道	水表	计量流经给水管道用水的体积总量，适用于单向水流，采用电子直读技术，通过RS485总线直接输出表盘数据。