某办公建筑节能监测系统设计及应用

文｜山东省建筑设计研究院 任立全

北京泰豪智能工程有限公司 程元明

山东建筑大学信息与电气工程学院 李 辉

1 引言

当前国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗巨大，对此，近年来国家对建筑节能工作已提出了一系列的要求及实施意见，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能耗进行动态的实时监测、能耗统计、能源审计、能效公示等手段，加强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。目前，建筑能耗监测系统的建设工作已在我省全面展开，并于2011年制定出版山东省工程建设标准《公共建筑节能监测系统技术规范》，国家机关办公建筑和大型公共建筑均应设置建筑物节能监测子系统。在此，本文主要介绍办公建筑节能监测系统的具体设计及应用。

2 工程概况

本工程为山东省某新城企业总部群办公楼项目，地上主体建筑十七层，地下二层；建筑主体高度为74.7m。其中一层为大堂，二层为商务中心和会议室，三层以上为办公室等。地下两层分别为10kV分变配电所、消防水泵房、制冷机房、立体车库、风机房、值班室等。裙房为两层商业建筑。总建筑面积为39897m2，属于一类高层建筑。

3 节能监测系统的组成

节能监测系统是指通过在建筑物内安装分类和分项能耗计量装置，实时采集建筑能耗数据，并具有在线监测、数据处理及数据远传功能的软件和硬件系统的统称[1]。全省建筑节能监测系统是由各监测建筑内的节能监测子系统、市级数据中心省级数据中心以及网络通信与信息安全设施组成。

（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统计数据。设立建筑物节能监测子系统有利于数据分散存储、集中管理、降低系统风险及网络数据流量，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

城市数据中心应能自动接收并存储来自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要求统计汇总本辖区内建筑能耗各类监测数据，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城市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。

4 建筑物节能监测系统的设计组成

建筑物节能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。本建筑节能监测控制室与BA控制室合用。建筑物能耗在线监测系统结构框图如图1所示。

图1 建筑物能耗在线监测系统结构框图

4.1 理想的电量分项能耗模型

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，能够将其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。其中，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的主要能源种类划分进行采集和整理的能耗数据，如电、燃气、水等。分项能耗是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，如电量分项能耗包括照明插座用电、空调用电、动力用电及特殊用电。电量分项能耗模型如图2所示。

图2电量分项能耗模型是一个比较理想的模型，是能耗监测系统的重要设计依据。但在工程设计中也往往有所变化，如空调末端（分机盘管）、小容量新风换气机等并不在空调配电中，大多数包含在照明插座配电系统里。

图2 公共建筑能耗监测电量分项能耗模型

图3 办公建筑能耗监测电量分项能耗模型

4.2 本办公建筑的主要用电负荷及电量分项能耗模型

（1）本办公建筑的主要用电负荷等级分类

一级负荷：走道照明、客梯用电、排污泵用电、生活水泵用电、机械停车设备用电、电子信息机房、消防控制室、火灾自动报警及联动控制装置、火灾应急照明及疏散指示标志、防烟及排烟设施、自动灭火系统、消防污水泵及其电动防火卷帘、消防电梯等消防用电。

二级负荷：中水系统用电。

三级负荷：不属于一、二级的负荷，如一般电力、照明、通风空调等用电负荷。

（2）电量分项能耗模型

电量分项能耗既要把各类能耗统计出来，还必须满足规范要求，明确各类能耗的负荷等级，满足负荷供电要求。本建筑节能监测系统主要依据上述电量分项能耗的理想模型，根据工程实际做出相应的调整，其中照明插座用电主要包括室内办公照明、插座及风机盘管、走廊普通照明、应急照明、夜景照明；空调用电主要为制冷机房设备用电，包括冷水机组、冷却泵、冷冻泵、冷却塔风机和热循环泵等；动力用电及特殊用电也略做调整，调整后的分项能耗模型如图3所示。

4.3 能耗计量及传输装置

（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；使用的多功能电能表至少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等功能。电能表均具有数据远传功能，至少具有RS485标准串行电气接口，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中的相关规定。电能表精确度等级不低于1.0级，配用电流互感器的精确度等级不低于0.5级。

（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：

①根据上位机或数据中心命令采集和主动定时采集两种模式，定时采集周期可从5分钟到1小时灵活配置。

②应支持对不同用能种类、不同品牌的计量装置进行数据采集，包括电能表及热量表等。

③应配置不小于256MB的专用存储空间，存储能耗数据30天。

④数据传输前应对数据包进行加密处理，应采用AES加密和MD5身份认证机制。

⑤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。

4.4 建筑物能耗监测系统存储管理服务器

（1）系统管理服务器的主要作用

设立建筑物能耗监测系统管理服务器的主要目的是为实现建筑节能监测数据分散存储、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。系统管理服务器设在建筑节能监测控制室。

（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，生成并展示本建筑各分类、分项能耗、单位面积能耗、总能耗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各类数据文件，并具有断点续传功能。

4.5 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静态信息人工录入功能，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通信协议、通信通道及计量装置名称、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各参量及开关量状态，并将采集到的数据上传给数据中心存储。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、统计功能，自动对应用数据库进行备份，以防运行数据丢失。

能耗节能监测系统主要包括用电总览、分项能耗、对比分析、支路数据、实时数据、抄表数据、建筑信息、系统管理等8个方面的功能展示。图4、图5、图6、图7是某办公建筑能耗节能监测系统应用软件系统部分功能截图。

图4 节能监测系统“用电总览”图

图5 节能监测系统“分项能耗”图

图6 节能监测系统“对比分析”图

图7 节能监测系统“抄表数据”图

5 结束语

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。建筑能耗监测系统的建设是一个长期的过程，需要业主、设计人员以及系统集成商的共同努力，能耗监测系统为大型公共建筑节能改造提供数据支持，为实现建筑节能规划目标奠定坚实的基础。参考文献

1 DBJ/T14-071-2010.公共建筑节能监测系统技术规范[S].2010

2 住房和城乡建设部.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.2008

3 住房和城乡建设部.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. 2008

4 上海现代建筑设计（集团）有限公司.建筑节能设计统一技术措施（电气）[M].北京：中国建筑工业出版社，2009