福建省机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统的研发与应用

文｜福建省建筑设计研究院 林卫东

2009年5月起，福建省开始全面积极落实国务院《关于支持福建省加快建设海峡西岸经济区的若干意见》。开展机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统研究、做好建筑节能监管体系建设，对建设节约型社会、推进海峡西岸经济区建设、营造绿色生态空间、全面完成节能减排任务有十分重大的意义。

1 研发背景

为了进一步加强对国家机关办公建筑、大型公共建筑的节能管理，国家相关主管部门计划，到2010年年底完成大多数重点建筑的用电分项计量装置安装，搭建起全国联网的城市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测平台，实现对重点建筑的能耗动态监测，以便于建立和完善能效测评、用能标准、能耗统计、能源审计、能效公示、用能定额、节能服务等各项制度。

福建省机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统是响应国家节能减排号召，在总结吸收国内已有能耗监测系统建设成果和经验的基础上，结合福建省建筑能耗监测的现状及省国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统省级、市级数据中心（或数据中转站）的业务需求，并综合考虑建立起全省联网的建筑能耗监测系统的需求而组织研发的。

研发严格按照《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则》、《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据传输技术导则》、《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统楼宇分项计量设计安装技术导则》、《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统数据中心建设与维护技术导则》、《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设、验收与运行管理规范》、《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统软件开发指导说明书》及相关国家标准进行，确保本省建筑能耗监测系统能达到相关技术指标。

2 平台软件分类

为推动建筑节能监管体系建设，考虑到适应不同等级、不同需求的需要，福建省机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统平台分政府管理版、企业版、普及版三种版本。

政府管理版完全符合国家机关办公建筑、大型公共建筑能耗监测的相关技术标准要求，适合于政府各级能耗监管部门，可用于搭建省、市级和区域性的建筑能耗监测平台；企业版适合于分布式的大型集团企业用来搭建内部的综合能耗管理平台，以提高自身能源管理水平、降低运营成本，它符合国家机关办公建筑、大型公共建筑能耗监测的相关技术标准；普及版适合于单栋楼宇、中小型企业用来搭建小规模的内部综合能耗管理平台，仅以提高自身能源管理水平、降低运营成本为目标。

3 能耗监测系统构架

为满足大量并发性数据访问及可扩充性要求，结合导则要求，福建省建筑能耗监测系统采用多层级、分布式架构设计。

如图1所示，系统由数据中心层、采集终端层以及智能仪表层三部分组成，每层分别承担特定的任务。其中数据中心层由相关政府监管部门建设、管理，采集终端层、智能仪表层安装在纳入建筑能耗监管系统的大型楼宇建筑中。

图1 分层结构示意图

智能仪表层包含各种具备数据远传功能的智能计量仪表（如单相电能表、三相电能表、多功能电能表、水表、燃气表、热/冷量表等），负责各类能源的实时用量计量，为能耗数据采集终端提供原始能耗数据。

采集终端层采用符合导则要求的专用低功耗嵌入式采集设备，通过现场总线连接各种智能计量仪表，支持多种主流通信协议，并主动对仪表进行数据采集，定时或按需将数据上传到数据中心层中；采集终端安装于楼宇建筑内，负责整栋楼宇的建筑数据和能耗数据收集。

数据中心层包含省、市级数据中心或数据中转站。数据中转站负责接收、缓存所辖区域采集终端设备上报的建筑能耗数据，并将其转发到上级数据中心。数据中转站并无数据处理、数据分析、数据展示、数据持久存储功能，建设成本将低于数据中心。数据中心负责接收所辖区域采集终端设备上报的建筑能耗数据，并对数据进行分类处理、持久化存储，定时或按需向上一级数据中心上报能耗数据；此外，数据中心还为政府监管部门提供功能丰富的能耗监测管理及数据分析展示平台，为业主用户提供方便快捷的能耗数据查询、能耗数据分析服务，为公众用户提供建筑能耗监测公示服务。

省级数据中心设计一个；市级数据中心或数据中转站按需设立，数量在建设实施时根据楼宇的密集程度、各地市实际情况机动配置，也可在日后随时增加，便于实现良好的可扩展性及灵活地控制系统建设成本。

系统架构如图2所示。

4 系统技术特点

（1）在系统研发中，引入了“虚拟计量仪表”概念。进行能源分类分项计量改造的建筑物，其原有的能源供应回路往往是将不同分项类别或不同使用单位混合在一起，这导致了施工改造难度大、改造费用高、施工周期长等问题，而这些问题若得不到有效解决，势必将影响到能耗监测系统的应用与推广。针对这一情况，系统引入了允许用户创建虚拟计量仪表的方法。虚拟计量仪表支持四则混合运算表达式（公式），可以对各计量支路、实体仪表的读数直接进行加、减、乘、除等运算，以进行支路计算、公共仪表分摊等；同时，虚拟计量仪表可以像实体计量仪表一样在系统中进行集中管理，易于维护和配置。能耗分项与支路结构均可绑定虚拟计量仪表，用户可结合建筑现有表计或回路，实现分项、支路的合理虚拟化，大大提高现有计量仪表、能源供应回路的利用率，减少改造工程量，降低实施成本。

（2）系统支持对每种分类分项能耗分别设定碳排放折算系数，支持随时调整碳排放折算系数，并且可提供多种碳排放数据分析功能与展示方式。在系统的帮助下，业主可以了解自身碳排放量；管理部门可以实时了解辖区内的机关办公建筑和大型公共建筑的碳排放情况，以便对碳排放量及指标进行宏观管理、考核或控制；研究机构可以根据实时、历史碳排放数据进行科学研究与数据统计分析。

图2 系统架构示意图

（3）采用专门设计研发的采集终端设备，能搭建多个管理模型，同时向多个数据中心报送数据，分别对应省市级数据中心（政府管理版）、大型集团企业或有各部门管理需求的管理中心（企业版）和单幢楼宇或单个单位自身内部的管理中心（普及版）。上传给上级数据中心数据，能满足国家建筑能耗监测的相关技术标准要求。集团企业或单位自身内部的管理中心所需数据直接由采集终端设备送来，不需要通过登录互联网进行在线监测、统计或分析，可真正实现对各能耗运行状况的24小时实时监测，帮助企业进行节能运营管理、能耗统计和分析等。

5 系统应用

5.1 政府管理版总体功能

政府管理版能耗监测系统平台的总体功能如下：

◆ 满足建筑能耗监测的基本功能要求，可实现能耗监测数据实时上传、接收，并兼具数据人工采集录入、丢失报警、修补及纠错功能；

◆ 可以实时接收各级数据中心上传的能耗监测数据，对能耗数据进行统计、分析对比，并自动形成监测报表、统计报告，打包并上传给上级数据中心；

◆ 满足建立省级能耗监测数据库的需要，可存储历史数据，为制定节能政策提供数据支撑；并为建筑能源审计、能效公示提供必要的分析判定方法及数据支撑，可生成能源审计、能效公示基础报告；

◆ 具备服务建筑节能改造、指导节能运行管理的功能，可对单体建筑能耗数据进行拆解、分析，具备耗能设备效率分析、能耗诊断等功能，可为建筑节能改造提供依据，并具备耗能设备运行异常报警功能，以及耗能设备运行异常控制功能；

◆ 具备为行业管理提供信息自动化办公管理服务的功能，可通过建立建筑能耗监测管理动态门户网站，实现机构介绍、政务公开、时政动态、公文收发管理、公共事务、部门事务、个人事务、会议管理、公告信息、政策法规发布、业务服务、政府文件、成果展示、友情连接等功能，方便与各级政府网站互联；

◆ 能耗监测成果展示功能与城市立体地图链接，以三维立体动态、图表、文字等多种方式综合直观地展示监测结果，并与外接演示输出设备连接；

◆ 能通过对区域内同类型用能建筑或者单位能效数据的采集、统计分析，进行用能模型分析和优化，确立适合本区域的用能标杆，实现标准化；

◆ 能通过数据分析和模型优化，参考国内外先进的用能模型，建立本区域的用能模型，为用户构造和优化耗能系统提供依据。

5.2 数据传输与处理过程

数据采集终端专用设备安装于机关办公建筑或大型公共建筑内，与各种智能仪表相连接，收集建筑数据和能耗数据；终端将这些数据压缩、打包，同时搭建多个管理模型，向多个数据中心报送数据。一方面，数据采集终端专用设备通过上级数据中心提供的断点续传接口将数据传输到上级数据中心的Web Service服务器中；Web Service服务器接收到数据后，进行验证、解压，将合法数据存储到数据库服务器中；Web服务器从数据库服务器中提取数据，为用户提供数据查询、分析、处理服务。多个远程工作站可以通过Web浏览器登录系统，进行相应操作；数据中心管理员可以通过专用程序连接服务器，进行高级管理操作。另一方面，终端数据被直接传送到集团企业或单位自身内部的管理中心，本企业或单位内部无需通过登录互联网就可对建筑能耗进行集中监视、测量和管理，实现能耗数据存储、查询、统计、分析，实现能源管理的自动化。这使得业主单位可以充分了解自身能耗状况，并获得节能运转分析、决策的依据，有助于业主降低能耗成本。

5.3 系统主要功能

（1）基础信息管理

基础信息管理即为监管人员提供全面、方便、快捷的实用建筑基本信息管理的功能。能耗监测系统采用B/S架构，对数据中心基础数据与基础配置进行集中管理，具体内容包括数据中心基础信息管理、建筑群管理、建筑物管理、建筑节能改造情况管理、建筑温度信息管理、行政区域管理、能源类型管理、附件管理等。

（2）用能结构管理

用能结构管理即为监管人员提供对监控目标建筑用能结构进行定义和管理的功能，用于对建筑物的分项计量方案进行配置，与用能结构管理相关的信息包括建筑物能耗采集器信息，计量仪表信息及其参数、产品信息，采集器和计量仪表的对应关系，建筑物用能支路拓扑关系及各个回路计量仪表安装信息，建筑物分类分项能耗与用能支路之间的关系等。

为实现用能结构管理的功能需引入“虚拟计量仪表”。“虚拟计量仪表”可以像实体计量仪表一样在系统中进行集中管理，既能使配置的分项计量系统尽可能正确真实地反映各分项能耗，又能将其配置成本控制在合理范围内。

（3）能耗分析

能耗分析即对经过数据处理后的分类分项能耗数据进行分析汇总和整合，通过静态表格和动态图表方式将能耗数据展示出来，为节能运行、节能改造、信息服务和制定政策提供数据支持。

能耗分析包括分类、分项、分支路能耗分析、能耗趋势分析、同期能耗对比分析、碳排放分析、碳排放趋势分析等。

（4）数据报表和图表

数据报表是反映各行政区域、不同类型监测建筑的分类分项能耗状况的统计表格和分析说明文字，可分为日报表、周报表、月报表、年报表等。

数据图表是反映各项采集数据和统计数据的数值、趋势和分布情况的直观图形和对应表格，可分为数据透视表、饼图、柱状图、折线图、仪表盘或动画等，格式灵活，可交互操作。

此外，以能耗数据动态分析为基础，能提供多角度的能耗数据挖掘功能，无论是总能耗、单位面积能耗统计分析还是任意组合的建筑能耗统计对比分析，均可通过简单操作迅速呈现直观结果。能耗数据挖掘功能能够为用能监管部门和建筑业主单位提供丰富的分析和决策辅助工具，并有助于业主通过与同类建筑对比提高节能意识。常用分析对象有总用电量、分类能耗量、分项用电量、人均能耗量、单位建筑面积用电量、单位空调面积用电量、单位建筑面积分类能耗量、单位空调面积分类能耗量、单位建筑面积分项用电量、单位空调面积分项用电量等。

（5）折标系统

能耗监测系统中按照国家相关指导文件建立了折标系统，以便进行不同种能源的统计。

（6）动态监控

动态监控即为系统中的关键事件提供的报警功能。系统允许设定本辖区的建筑分项能耗、总能耗、单耗的报警阈值，当建筑分项能耗、总能耗、单耗超过相应的报警阈值时，系统将实时在醒目位置报警；同时，监管人员可以直接对指定的建筑进行跟踪监控，真正做到建筑能耗管理工作的有效动态监控。通常触发报警的事件有建筑能耗超标、现场采集设备故障、系统监测到非法入侵等，用户也可以自行设定报警条件或方式，系统支持的报警方式有自动将报警信息发送到Web用户操作界面，自动发送短信、邮件，发出声光报警等。

（7）其他功能

除上述功能外，系统还具有以下功能：

◆ 消息管理，即为各级别用户提供信息交流和反馈服务；

◆ 授权管理，即授予管理员和业主访问权限；

◆ 数据管理，即数据库服务器采用定期备份或实时备份，以确保数据安全；

◆ 专业可选功能，即除了国家标准规定的功能之外，系统依托强大的专业技术水平和丰富的能源管理实践经验，为满足客户多样化的需求而提供专业可选功能，如中央空调全系统COP值监测，中央空调主机运行COP值监测，水泵运行效率监测，锅炉、冷冻机等设备的负荷率监测，房间、环境温湿度监测，二氧化碳浓度监测及照明度监测等。

6 结束语

建设机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统，提供客观、真实的能耗数据，是加强国家机关办公建筑和大型公共建筑的节能运行管理，全面掌握能耗使用信息，实现建筑能耗有效监管的前提。自动向上级监督机关上报本辖区的建筑能耗状况，能为监督机关制定节能管理相关政策、法规提供决策支持。提供公共能源管理监督平台，可实现公众监督；同时可以促使机关办公建筑和大型公共建筑提高节能运行管理水平，培育建筑节能服务市场，为高能耗建筑进一步的节能改造准备条件；也能帮助政府提高能源管理效率和质量，实现自动化管理，降低管理成本，提高政府信息化水平。

目前，福建省机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统通过对多栋试点建筑的监测，系统的功能及性能得到了验证：系统运行安全、稳定、可靠，具有较高的自动化程度，操作方便；可以帮助建筑业主实现对建筑能耗的集中监视、测量和管理，实现能耗数据存储、查询、分析、统计等功能；还可定期提供能源运营报告，不仅能使业主单位综合掌握能源使用整体情况，充分了解自身能耗状况，诊断能源耗费根源，还能作为节能运转分析、决策的依据，帮助业主降低能耗成本；此外，还可以帮助业主单位及其员工养成节能的良好习惯；帮助业主单位树立良好的社会形象，为环保事业做出贡献。