大型公共建筑能耗监测系统设计

文｜山东省建筑设计研究院第五分院 任立全 史大洋 聂玉安

1 引言

目前，国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗巨大。据调查，国家机关办公建筑和大型公共建筑的建筑面积占全国城镇总建筑面积的4%，但年耗电量却占全国城镇总耗电量的22%，每平方米年耗电量是普通居民住宅的10～20倍、是日本及欧洲发达国家同类建筑的1.5～2倍。近年来，国家对建筑节能工作提出了一系列更新、更高的要求，制发了实施意见等相关文件，要求建立国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测体系，通过对国家机关办公建筑和大型公共建筑进行动态实时能耗监测、能耗统计、能源审计、能效公示等手段，加强对大型公共建筑和政府办公建筑的节能管理，建立节能运行管理制度，为国家机关办公建筑和大型公共建筑节能改造提供数据支持，实现建筑节能规划目标。

2 能耗监测系统的组成

能耗监测系统是对通过安装于国家机关办公建筑和大型公共建筑的分类和分项能耗计量装置，采用远程传输等手段及时采集能耗数据，实现对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的统称[1]。能耗监测系统主要包括数据采集子系统、数据中转站和数据中心。其中数据采集子系统由监测建筑中的各计量装置、数据采集器、数据采集软件系统等组成。

2.1 数据采集系统

能耗数据采集方式包括人工采集和自动采集两种。以人工采集方式采集的数据包括建筑基本情况数据采集指标和其他不能通过自动方式采集的能耗数据，如建筑消耗的煤、液化石油、人工煤气等能耗量。以自动采集方式采集的数据包括建筑分项能耗数据和分类能耗数据，由自动计量装置实时采集，通过自动传输方式实时传输至数据中心。

2.2 数据传输技术

建筑物能耗监测系统的计量装置（各类计量表具）所采集的能耗数据，通过RS485接口，以TCP/IP通信协议自动实时上传至数据中转站，以保证数据得到有效的管理，支持高效率的查询服务；数据传输采取一定的编码规则，以实现数据组织、存储及交换的一致性。为保证能耗监测系统数据传输的安全性，应采用虚拟专用网（VPN）技术对能耗监测系统数据中转站与数据中心之间的数据传输进行加密，防止传输数据被窃听及篡改。

2.3 数据中心

省级行政区域的建筑能耗监测系统主要由建筑物节能监测子系统、各城市数据中心以及省级数据中心三级组成。如图1所示。数据中心接收并存储其管理区域内监测建筑的能耗数据，并对其进行处理、分析、展示和发布；具备设置数据更新的时间间隔、访问历史数据、报警、打印报表、绘制实时与历史曲线等功能，并预留有相应的扩展功能。

图1 建筑能耗监测系统结构框图

（1）建筑物节能监测子系统

建筑物节能监测子系统设立在被监测建筑（建筑群或园区）内，具有数据采集、数据处理、网络通信等功能，能自动保存实时监测到的建筑能耗原始数据，并能按监管体系的要求自动完成相应的数据统计和能耗分析工作。该子系统应具有将建筑能耗原始数据和分析统计数据自动上传到上一级数据中心的功能，也能按指令要求传输任意时段的原始数据或统计数据。设立建筑物节能监测子系统有利于数据的分散存储、集中管理，降低系统风险，降低网络数据流量，缓解网络通信压力，减轻省市两级数据中心的工作量。

（2）市级数据中心

市级数据中心应能自动接收并存储本辖区内各建筑物能耗监测系统上报的节能监测数据，按建筑节能监管体系的要求统计，汇总本辖区内建筑能耗的各类监测数据，生成各类统计报表及分析报告，并将能耗信息定时自动上传到省级数据中心。

（3）省级数据中心

省级数据中心负责接收和存储各市级数据中心上传的能耗监测信息，对上传能耗数据进行汇总和统计、分析，生成全省建筑能耗统计分析数据及相关报表。按建筑节能监管体系的要求定时完成信息上报和信息发布。

建筑物节能监测子系统与数据中心之间以及省、市级数据中心之间的自动连接与信息传输应采用有效、可靠、适用的软、硬件设备，以保障信息安全和网络安全。

3 建筑物能耗监测系统的设计组成

建筑物能耗监测系统是能耗监测系统的末端子系统，一般由能耗计量装置、数据采集器、网络通信设备构成。大型公共建筑（建筑群或园区）应设置系统管理服务器和建筑节能监测控制室。建筑物能耗在线监测系统结构如图2所示。

建筑物能耗监测系统具有数据采集、数据存储、数据处理以及系统管理、系统运行状态监控和故障诊断功能，能够对建筑物内的各类能耗数据进行分类统计，并具有上传至上一级数据中心的能力。

分类能耗是指根据国家机关办公建筑和大型公共建筑消耗能源的主要种类划分，如电、燃气、水等进行采集和整理的能耗数据。分项能耗是指根据各类能源的主要用途划分进行采集和整理的能耗数据。以电量为例，其分项能耗应当包括照明插座用电、空调用电、动力用电及特殊用电，分项能耗模型如图3所示。

图2 建筑物能耗在线监测系统结构图

图3 公共建筑电量分项能耗模型图

图3所示的电量分项能耗模型是一个比较理想的模型，是能耗监测系统设计的重要依据。但在工程设计中，模型往往会有所变化，如空调末端（分机盘管）、小容量新风换气机等大多并非包含在空调配电系统中，而是包含在照明插座配电系统里。

3.1 能耗计量装置

建筑物能耗计量装置主要包括电能表、热量表及水表等。

（1）电能表

能耗监测系统中使用的电能表应具有监测和计量三相（单相）有功电能和有功功率或电流的功能，多功能电能表至少应具有监测和计量三相电流、电压、有功功率、功率因数、有功电能、最大需量及总谐波含量的功能。电能表均应具有数据远传功能，至少具有符合RS485标准的串行电气接口，采用Modbus标准开放协议或符合《多功能电能表通信协议》（DL/T 645-2007）中的相关规定。电能表精确度等级应不低于1.0级，配用电流互感器的精确度等级应不低于0.5级。

（2）热量表

热量表是用于测量及显示水流经热交换系统释放或吸收热量的仪表，分为整体式和组合式两种。热量表流量测量装置以测量方式为标准，主要可分为电磁及超声波式、机械式和压差式三大类，热量表温度测量装置主要分为接触式和非接触式两大类。热量表应带有检测接口或数据通信接口，接口形式可为RS485或无线接口；热量表还应具有断电数据保护功能。

（3）水表

远传水表是在普通水表的基础上加装电子采集模块而成，电子模块完成信号采集、数据处理、存储并将数据通过通信线路上传给中继器或手持式抄表器。远传水表采用一体式设计的表体，可以实时地记录并保存用户用水量。每块水表都有唯一的代码，当接收到抄表指令后可即时将数据上传给管理系统。远传水表可按机电转换方式分为实时转换式远传水表和直读式远传水表，按翼轮构造分为螺翼式远传水表和旋翼式远传水表，按照计数机件的浸没方式分为干式远传水表和湿式远传水表。

3.2 数据采集器

数据采集器是一种采用嵌入式微计算机系统的建筑能耗数据采集专用装置，具有数据采集、处理、存储、传输以及现场设备运行状态监控和故障诊断等功能。系统硬件主要包括微处理器、I/O接口、人机接口及通信接口四部分，软件部分主要由监控程序和功能执行程序组成。数据采集器应具有以下功能：

◆ 支持根据上位机或数据中心命令采集和主动定时采集两种数据采集模式，定时采集周期可灵活配置（5分钟到1小时可调）；

◆ 支持对面向不同种类能源、不同品牌的计量装置，包括电能表及热量表等进行数据采集；

◆ 配置不小于256MB的专用存储空间，能耗数据可存储30天；

◆ 在数据传输前对数据包进行加密处理，采用AES加密和MD5身份认证机制；

◆ 具有本地配置和管理功能，支持接受来自数据中心的查询、校时等命令。

另外，严禁在数据采集器上设计后台程序，使数据采集器受到非法远程控制或私自远传数据包到其他服务器。

3.3 建筑物能耗监测系统管理服务器

（1）系统管理服务器的主要作用

建筑物能耗监测系统管理服务器的主要作用，也即设立建筑物能耗监测系统管理服务器的主要目的，是实现建筑节能监测数据的分散存储、集中管理，降低远程通信流量，保障数据存储和传输安全，规避网络风险，降低省、市两级节能监测管理工作量，提高网络运行效率。系统管理服务器一般设在建筑节能监测控制室（也可与BA控制室合用）。

（2）系统管理服务器的主要功能

①系统管理服务器作为上位机负责管理数据采集器，接收由数据采集器发来的节能监测数据和设备监控管理信息，并按照分类、分项的原则对能耗监测数据进行统计分析，生成并展示各分类、分项能耗、单位面积能耗、总能耗的统计数据和相关图表等。

②系统管理服务器能检测并显示系统监测层的运行情况，接收和显示系统监测层发送的计量装置运行状态及故障定位信息，具有故障定位、诊断和处理的功能，以及数据异常报警功能等。

③系统管理服务器负责管理维护能耗监测原始数据库、能耗统计分析数据库及系统运行数据库。各类数据库信息均不能人为修改及生成。

④系统管理服务器保持系统运行时钟与上级数据中心时钟同步，按同步时钟自动传输生成的各类数据文件，具有断点续传功能。

3.4 能耗监测系统应用软件

能耗监测系统应用软件主要由数据采集、处理和发送模块组成。系统应用软件应提供各计量装置的静态信息人工录入功能，可用于设置各计量装置与各分类、分项能耗的关系，并能灵活配置各计量装置的通信协议、通信通道及装置名称、安装位置等基本属性。能耗监测系统应用软件具有友好的人机交互界面，可实时和定时采集现场设备的各参量及开关量状态，并将采集到的数据上传给数据中心进行存储。此外，系统应用软件还应具备良好的开放性，具有报警管理、用户权限管理、系统日志生成，以及管理主机数据存储、统计等功能，可自动对应用数据库进行备份，以防运行数据丢失。

4 结束语

大型公共建筑能耗监测系统能够实时记录建筑物用能状况，自动进行能耗数据处理，完成建筑能耗结构、建筑用能效率及建筑节能潜力数据分析，并将相关统计数据报送上一级数据中心。大型公共建筑能耗监测系统的建设是一个长期的过程，需要业主和广大设计人员的共同努力。能耗监测系统为大型公共建筑节能改造提供数据支持，建设和完善能耗监测系统能够为实现建筑节能规划目标奠定坚实的基础。