高校节约型校园数字化建设模式研究

季文娟 张广明 唐桂忠 李 果

(南京工业大学自动化与电气工程学院1，江苏 南京 210009;江苏省绿色建筑工程技术研究中心2，江苏 南京 210009)

0 引言

随着我国经济的迅速发展，能源需求不断增长与能源日益匮乏的矛盾日趋严重。我国能源利用率低，单位建筑面积采暖能耗为发达国家的2～3倍。因此，节能是改善环境、提高国际竞争力的必然选择，它已成为全社会共同关注的热点[1－2]。在能源消耗的各领域中，建筑领域是耗能大户。而高校校园普遍存在多种能耗浪费的现象，是一个特殊的耗能大户[3]。但目前国内外结合高校的具体情况进行综合节能分析与改造的示例不多，研究与应用不够完善。本文提出用分项计量技术与数字化手段相结合建设节约型校园的构想。这是高校校园节能发展的需求和趋势，也是我国目前有待深入研究的前沿应用型课题。

1 节约型校园数字化建设

数字化校园是指利用计算机技术和网络通信技术将学校的各项资源数字化，构成统一的用户管理、资源管理和权限控制模式，以实现教育信息化、决策科学化和管理规范化，完成校园的信息传递和资源共享[4]。

建设节约型校园不仅是学校自身发展的需要，更是学校应有的社会责任。教育部《关于建设节约型学校的通知》中提出：建设节约型校园就是以提高资源利用效率为核心，以节能、节水等资源综合利用为重点，大力加强资源的循环利用[5]。

住房和城乡建设部于2008年相继发布了《高等学校节约型校园建设管理与技术导则》和《抓紧落实高等学校节约型校园建设工作要求》，指明了高等学校节约型校园建设的政策依据、存在的问题、工作方向及近期目标[6]。节约型校园数字化建设的结构包括6个层次：表现层、应用层、信息资源与数据层、网络基础设施层、能耗分项计量层以及分项能耗采集层。

通过分项能耗采集系统采集校园内各分项能耗数据，并传递到能耗分项计量层，然后通过网络基础设施层将能耗数据信息上传到信息中心和数据库。在应用层，分项能耗数据被应用于信息服务、后台管理等各子系统，最后展现在数据管理人员、学校管理人员以及社会公众的面前。

2 校园能耗分项计量

2.1 分项计量的数据需求

根据建筑用能特点，分项能耗数据采集指标为4项：照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电[7]。通过对相关支路计量表具能耗数据的数学运算，获得分项能耗指标。

由于目前大型建筑内普遍安装1～3块计量表，计量深度不够，无法对建筑能耗进行准确拆分进而准确发现建筑用电问题所在，所以必须分项计量。

2.2 分项计量的软硬件配置

数据中心软件包括：① Windows XP professional中文版工作站操作系统;②Windows 2003 server中文版服务器操作系统;③防火墙、防毒软件等;④MS SQL数据库管理软件;⑤数据采集软件;⑥数据分析软件。

数据采集器必须具备8～16个RS-485采集接口，通信的最大速率不小于115 200 bit/s，通信协议支持DL/T 645、GB/T 19582;每个接口可独立配置，支持计量设备数量不少于32台;采集周期可根据数据中心命令或主动定时采集;存储容量不小于16 MB;至少具有1 个有线远传接口[8]。

2.3 分项能耗数据采集和传输

数据采集器定时采集、上传能耗数据，采集周期可以在10 min～1 h范围内灵活配置;一般规定分项能耗数据每15 min上传1次，不分项的能耗数据每1 h上传1次。

为保证数据上传的实时性、可靠性，所选网络必须结构简单，数据传输安全可靠，设备接入灵活性高、数据采集实时性强。

考虑到校园的通信和网络设施一般比较完备，可以利用有线和无线校园网传输分项能耗数据，降低运行成本，摆脱电信运营商的束缚。设计过程中将ZigBee技术应用于校园内部能耗数据的短距离无线传输，充分发挥其低功耗、低成本、短时延、高容量和高安全的优势。

高校通过统一的校园网接入Internet，更好地保证了安全性和方案管理。

3 校园建设的模式

依托多学科，综合应用工业级实时数据采集、嵌入式系统、网络通信、计算机信息安全、大型数据库和地理信息系统等现代技术，本文提出了节约型校园数字化建设的基本模式和扩展模式，实现了高校各能耗系统的信息交互、点面对接和实时监控。

校园建筑节能监管系统由计量表具、数据采集及转换装置、数据传输网络、数据中转站、数据服务器和管理软件组成。系统基于互联网技术，采用B/S构架。

系统拓扑结构如图1所示。

图1 系统拓扑结构图Fig.1 Structure of the system topology

3.1 基本模式

基本模式是节约型校园数字化建设的必选模式，其通过建设基本模式能达到校园能耗实时监管的目的，真正实现数字化节约型校园。它主要包括校园电能计量管理系统、校园用水及给水管网监测系统、校园户外照明智能管理系统、网络预付费电能管理系统以及节能管理专家系统。

校园用水及给水管网监测系统通常使用基于TCP/IP协议的校园网络，采用有线网络端口或由无线通信模块接入校园网络，实现对学校各部门的用水情况监控与管理。系统具备智能化数据分析功能，可进行漏失分析和用水异常识别，帮助管理人员进行综合决策。校园用水及给水管网监测系统如图2所示。

图2 用水及给水管网监测系统Fig.2 Monitoring system of water consumption and water supplying networks

校园户外照明主要包括校园路灯、景观照明和户外公共设施照明等。校园户外照明智能管理系统结合数字矢量地图技术、无线数据传输和远程控制方法。在每段路管理模式一致的路灯上安装一个路灯载波控制器，控制器直接通过低压载波电力线与智能数据网关通信，无需敷设专用通信线。

根据人性化的控制方案，我们对校内各路段的路灯制定不同的开关灯周期策略，如季节策略、夜间高峰期策略、假期策略等。校区内路灯通过网络随时随地轻松管理，在改善控制效果的同时，也带来了可观的节电效益。

校园户外照明智能管理系统如图3所示。

图3 户外照明智能管理系统Fig.3 Intelligent management system of outdoor lighting

3.2 扩展模式

扩展模式是指在启用了基本模式的前提下，根据各学校具体情况决定是否启用的可选模式。校园用电系统主要包括教室照明智能管理系统、教室空调智能管理系统、校园太阳能发电和集热系统、校园安全保卫系统、公共浴室计时节水系统和图书馆水源热泵空调系统。

扩展模式是对基本模式的补充和扩展，它能使校园更好地使用、管理能源，更大程度地降低能耗。

教室照明智能管理系统通过红外微波双鉴探测器和门磁开关分别采集有无人及开关门信号，并将其送到控制器中。控制器通过逻辑判断，自动控制教室照明回路的通断。通过在教室内不同位置安装光敏装置，感应相应位置的光线强度。在工作时段内，红外探测器的监测信号判断教室内是否有人，如“无人”，控制程序进入延时。

在延时时段内，如果DDC控制器没有再收到“有人”信号，则延时结束后，DDC控制器自动切断照明回路;如在延时时段内接收到“有人”信号，DDC控制模块立即中止延时，重新等待“无人”信号。当教室有人但光敏装置感测到光线不足时，自动开启照明系统，以保证师生们有一个良好的教学环境。

教室空调智能管理系统通过在教室内安装CO2浓度检测装置，定时采集教室内CO2的浓度数据并上传到数据中心，与设定的浓度阈值进行比对，结合季节影响因素，分析教室的人数和通风情况。当CO2浓度达到预设的换风额定值时，自动开启空调系统进行换风，并且换风频率根据教室内CO2实时浓度自动进行动态调节;当教室内CO2浓度降到预设的浓度最低限值时，自动关闭空调换风系统。

该系统还可以根据江苏地区气候特点和相关政策的要求对室内温度进行设置：夏季室内空调温度不低于26℃，冬季室内空调温度不高于20℃，以实现节能的目标。

4 结束语

建设节约型数字化校园是学校实现全面节能信息化的建设目标，是高校建设发展的必然趋势。它要求高校在校园设施建设和运行管理中充分体现节能环保的思想。相信随着计算机及网络技术的发展，新技术会不断涌现，节约型校园数字化建设的内涵、技术会不断地加以丰富和提高。

本文旨在抛砖引玉，为目前节约型校园数字化建设提出了发展方向，但在进行具体的实施和进一步的理论、实践研究中仍有大量的研究工作需要补充及完善。

[1]Mathews E H，Arndt D，Geyser M F.Reducing the energy consumption of a conference centre—a case study using software[J].Energy and Building，2002，37(4)：437 －444.

[2]胡平放，向才旺，丁学俊，等.中国建筑能耗现状特征[J].武汉城市建设学院学报，1998，15(2)：39 －43.

[3]赵庆波，单葆国.世界能源需求现状及发展[J].中国能源，2002(2)：34－36.

[4]王曼珠，何文才，杨亚涛.无线局域网IEEE802.11的安全缺陷分析[J].微电子学与计算机，2005，22(7)：189 －192.

[5]陈翊.节约型校园建设与评价的研究[D].上海：同济大学，2008.

[6]住房和城乡建设部，教育部.建科[2008]89号高等学校节约型校园建设管理与技术导则[S].北京，2008.

[7]住房和城乡建设部.建科[2008]114号 国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗检测系统分项能耗数据采集技术导则[S].北京，2008.

[8]江苏省住房和城乡建设厅.DGJ32/TJ 111-2010公共建筑能耗监测系统技术规程[S].南京：江苏科学技术出版社，2011.