建筑能源计量监测系统在楼宇节能运营管理中的应用

夏洪军,李爱国,陈勤平

(上海市建筑科学研究院,上海200032)

建筑物运行能耗直接取决于用能设备的使用情况和设备的运行管理及维护,特别是大型公共建筑的运行能耗既受住户的影响也与物业管理有关,完善的管理模式可以为技术层面上的节能工作创造便利条件,合理的建筑运行管理是最直接、效果最明显的节能手段。我国的写字楼空调耗能占总耗能的比例为50%～70%;酒店的热、通风和空调控制耗能占总耗能的比例为44%。写字楼照明耗能占总耗能的比例为23%～55%,酒店照明耗能占总耗能的比例为29%;写字楼耗能占总耗能的比例为8%,酒店电梯耗能占总耗能的比例为10%。不难看出,空调照明和电梯用能占了公共建筑用能主要部分,搞好空调和照明系统的监控调节对于商业楼宇建筑节能十分重要,而利用智能化系统对大厦内部机电设备和照明设备的优化启停,将是未来建筑节能的主要发展方向。建筑能源计量监测系统是指对建筑物安装分项能耗计量装置,采用远程传输等手段及时采集能耗数据,可以全面和准确地掌握建筑能耗情况实现重点建筑能耗的在线监测和动态分析功能的硬件系统和软件系统,该系统是能耗统计、能效测评、能源审计、能效公示、建立用能标准、用能定额和节能服务等各项制度的重要基础,是楼宇节能运营管理工作的前提和必要的组成部分。我国的建筑用能特别是大型公共建筑能耗远远高于发达国家建筑节能的潜力很大,但是我国的建筑节能工作开展较晚,公共建筑运行的用能管理还很落后,全国气候分区的功能建筑的基础能耗数据统计、大型公共建筑分项能耗计量体系、运行能耗的定额管理指标体系等工作只是刚刚起步,尚无切实可行的方法及运行能耗值作为参照标准。建筑能源计量监测系统可以优化节能运营管理,统计能耗基础数据、对节能改造进行评估等。本文将对建筑能源计量监测系统的组成和功能进行分析和介绍。

1 系统的组成

建筑能源计量监测(EMS)系统的组成见图1,一般采用以工业PC和高档微机为核心的中央管理操作界面和图象显示设备,同时配备UPS系统、模拟显示屏、打印机等;下面设有智能分站,主要完成数据采集、传送及现场控制设备;布线系统包括EMS系统和其他各系统联动、信息传输、电源线敷设等,要求保证相互间或受外界干扰要小,检修方便。

图1 EMS系统图

监测系统软件包括了数据采集层、数据传输层、数据处理存储层和数据展示层四层架构。

1.1 数据采集层

数据采集层—主要通过电能表获取各回路的电耗,依据《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》中的要求,办公建筑的用能数据采集对象包括建筑基本情况、分类能耗和分项能耗。建筑用能设备运行数据的采集包括人工采集方式和自动采集方式:人工采集方式采集建筑基本指标和其他不能通过自动方式采集的能耗数据;自动采集方式利用自动计量装置实时采集采集建筑分项和分类能耗数据,通过自动传输方式实时传输至数据中心。

1.2 数据传输层

数据传输层—主要是把能源数据转换成TCP/ IP协议格式上传至能源管理中心,一般由三部分组成:第一部分为表具至网关设备,采用485总线形式传输;第二部分为各个网关之间采用的Zigbee无线传输;第三部分为网关与能源管理主机之间传输。

1.3 数据处理存储层

数据处理存储层—主要负责对能耗数据的存储;包括数据存储区后台分析数据库数数据集市和信息展示发布几个部分,见图2。

数据存储区中存储的是一些原始明细数据,这些数据来自于监测仪表和手动输入楼宇和设备基础信息,可以直接供明细类查询,也可以在与报警规则信息结合进行后台处理后,用于能源计量和远程监测系统进行实时监测、报警或者直接供查询。后台分析数据库中存储的是经过处理的原始数据,包括按照统计、分析、比较功能的要求对数据存储区的基础数据进行时段的分类、汇总和折算后得到的数据。后台分析数据库的设置目的,是提高系统的运行效率,缩短系统的响应时间。数据集市是对后台分析数据库的分类处理,具有面向不同角色,不同用户的专用业务功能,使其更具针对性。信息展示发布采用统一的发布平台,支持多样化的展示方式,如图表、报表、短信和大屏显示等,并带操作权限、报表模板、规则库等,可以实现格式定制和展示控制等功能。

1.4 数据分析展示层

数据展示层—主要对存储层中的能耗数据进行汇总、统计、分析、展示和发布。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服务。

系统采用B/S软件体系结构,有关用户还可以通过大楼局域网直接利用IE浏览器方式访问能源中心服务器,查看数据报表和图表等信息,操作方便。数据图表可选择数据透视表、饼图、柱状图、线图、仪表盘或动画等形式,格式灵活,可交互操作。

2 系统的功能

建筑能源计量监测系统是建筑的用水、用电、用气、用油等能耗进行实时能源计量和远程监测,以全自动的抄表方式,通过网络化计算机管理,加强能源计量和实时管理。通过建筑能源计量监测系统,可以为相关部门动态掌握建筑的能耗数据及能耗构成,发现用能问题,为节能工作提供基础数据和指导,使用能设备的能耗降到最低、使用效率达到最高。

(1)实时监测 对供电系统实时监测,实时显示各建筑各子系统和大型设备的用电情况。仪表读数功能中实时显示各大楼的水、电、气三种能源的实时仪表读数。

(2)统计报表 根据用户需要自由选取定义统计项目,由软件自带的运算工具统计汇总,并根据用户要求以相应的图表形式输出;同时具有查询功能。

(3)分析比较 分析主要耗能设备的用电情况;分析电能浪费的漏洞;验证通过节能改造而降低的能耗的效果;单体建筑内不同用电设备的分项消耗电能纵向比较;也可以和同类建筑进行横向用电比较,发现问题及时解决。

(4)事故报警 实时监测各种用能设备的非正常用能情况,一旦用能发生非正常情况可以采用多种方式进行报警提醒。

(5)目标管理 调整动态负荷,对大厦的各类供电负荷制定用电指标,奖勤罚懒,用科学的系统的目标管理手段提升管理水平和提高能源使用效率。避免因管理混乱引起的用能浪费。

(6)优化运行 通过对设备系统功耗的实时、有效的长期分析总结,找出系统存在的问题,例如结构形式和设计不合理、运行调节策略不当、设备没有工作在最佳工况点、设备已存在老化等,以便及时安排节能改造。

(7)节能评估 设备实施了节能改造后,可以验证节能技术以及改造的实际效果,明确节能量。

3 系统的应用

建筑能源计量监测系统节能运行管理优化的应用,主要包括能源监测与分析和节能运行优化控制。

3.1 能源监测与分析

(1)电力能耗监测 电力能耗监测主要包括总电耗和动力设备、照明设备、空调设备的电耗,其中空调系统中的用能设备还可细分为主机、水泵、空调机、新风机、风机盘管、冷却塔和其他辅助设备。建筑能源计量监测系统采用多功能组合式智能电量仪表,仪表的数据通过网关接入能源管理系统,可以用来进行数据分析和预测,为管理者提供决策数据支持,系统以采集到的动力、空调、照明等相关数据为基础,可以提供建筑能耗的实时情况和变化趋势,记录高峰与低谷用电(图3和图4是电力能耗监测过程的两个例子),为节能运营管理提供必要条件,为合理用能或优化调整提供依据。

图3 某楼层逐时用电功率曲线

图4 分项逐时用电功率曲线

(2)制冷机能效比监测 制冷机的能效比是空调系统的主要节能指标之一,特别是制冷机在长期运行的部分负荷条件下,提高能效比对于建筑节能非常重要。

3.2 节能运行管理优化

采暖通风空调系统和照明系统是建筑采暖和通风空调系统是建筑中的能耗大户。合理地监控系统设备的运行,可以在保证建筑物内舒适环境的前提下最大程度地降低能耗。

(1)采暖和通风空调系统 大型公共建筑物的采暖、通风和空调系统,系统复杂设备多,建筑能源管理系统不仅对集中于冷热主机房的冷冻主机、冷却和冷冻水泵、冷却塔进行能源计量监测,而且对分散于各处的空调机组、送回风机也进行了能耗监控。由于我国的中央空调系统最大冷热负荷设计和设备选型,通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算的,因此平时的运行经常出现大马拉小车的现象,运行效率受到很大影响,通过建筑能源计量监测系统,可以实现对供暖、通风、空调和其他设备的最佳匹配运营和节能管理。

(2)照明系统 通过系统查看建筑物照明系统电耗的逐时变化情况。非工作时间段照明系统电耗和工作日时间段相差不多,或者与同类型建筑物相比电耗较大时,可以诊断照明系统是否存在用能浪费环节,从而进一步优化照明系统运营管理。

4 应用案例

建筑能源计量监测系统已成功应用于上海市政府机关办公大楼和大型公共建筑中,如某政府机关办公楼建筑地面高度为58 m,建筑面积24 302m2。建筑设备层在 B1F、屋顶层,总配电容量为2 500 kVA,二路进线 10 kVA 供电,2只1 250 kVA变压器。办公楼实施该系统时在低压配电柜安装智能化电力仪表,每个分项计量单体柜采用一台三相电力仪表,电流采集与原有电流表串联延用原有互感器,电压采集以单个进线柜为单位,通过桥架的敷设将电压电流采集型号传输到统一的一台仪表柜内,将每五个仪表作为一组通讯,组内通讯串接,每组连线至协议转换器,将各智能电表信号转换成网络电信号,传输至配电值班室内的建筑能源计量监测系统主机上。系统主机软件界面按不同操作可以显示图5和图6的统计分析图。

图5 办公楼各分项用电功率曲线

图6 周统计的环比能耗统计图

5 结语

节能运行管理是一个系统工程,因为节能管理涉及所有耗能设备的控制及运行管理,涉及物业管理的软件功能等管理手段、管理效率,涉及系统配置设备的性能,节能的效果取决于节能技术的先进性、节能措施的落实程度。建筑能源计量监测系统的有效实现为进一步开展建筑物的各种节能改造和节能管理工作提供了一个定量管理的平台 ,对动态掌握建筑能耗状况、制定相关政策和措施、推广各类建筑节能先进技术都将发挥重要作用。通过监测系统的一系列功能 ,能够实现动态数据监测、统计分析、在线诊断和节能效果评估等 ,从实时数据中可以发现各建筑的真正用能问题 ,从而实现对症下药,优化楼宇节能运营管理,制定相应的节能运营管理措施。