能源管理系统在大学校园设计中的应用

王纪松

(中国建材国际工程集团有限公司，蚌埠 233018)

能源管理系统在大学校园设计中的应用

王纪松

(中国建材国际工程集团有限公司，蚌埠 233018)

大学校园是能耗较大的公共建筑，同时也是社会的重要组成部分，是培养人才和促进科技进步的主要力量，创建节能型绿色校园意义重大。

能源管理； 绿色校园； 节能系统

1 项目背景及概述

在国家十二五规划中，新能源问题及节能减排被提到非常重要的位置，因为它关系到我国可持续性发展的关键问题。公共建筑能耗在我国社会总能耗中占有较大比例，具有很大的节能潜力。这其中，高校的能耗比例一直由于各种原因长期居高不下。

随着国家一系列激励政策的出台和顺利落实，全国各高校已经充分认识到开展建筑节能工作的重要性，“绿色校园”已成为“和谐校园”建设的重要环节。高等学校是培养人才和促进科技进步的主要阵地，深入开展高等学校节能型校园建设工作，不仅可以促进学校本身的能源资源节约，降低办学成本，在社会起到示范和带动作用，还有利于使广大学生树立节能环保意识，对我国经济和社会发展产生深远影响。

2 项目能源运行管理的现状与难点

由于高校建筑物运行管理的特殊性，采取开放式、粗放型管理模式的居多，导致其能耗比例一直居高不下，持续增长，高校建筑能耗在整个社会建筑总能耗中的占比逐年增加。集中体现在能源的浪费比较严重，比如教学楼、实验楼、图书馆等建筑的长明灯现象，空调、风扇等用电设备长时间运行；用水地下管网的跑冒滴漏现象等。由于缺乏较为全面的能耗计量，导致这些浪费现象无法得到有效的监测和重视，而缺乏测量数据则自然难以得到有效的管理和改善。

该项目设计的主要目的就是建立简约型高校建筑节能监控平台，针对校园内各类建筑物的能源消耗进行分类、分项计量统计，获取准确、详细的各类建筑能源消耗的数据，制定各类建筑物合理的用电、用水评估指标体系，发现并减少校园运行管理中的能源浪费现象，实现节能增效。

该项目中的校园占地面积大，建筑种类多、分布区域广，按照建筑功能主要包括了学院楼、图书馆、教学楼、食堂、游泳池、实验楼、学生宿舍、服务中心、门诊楼、保障楼和室外建筑等。消耗的能源类型也比较多，主要包括电、冷水、热水、集中供冷等。不同功能的建筑物所消耗能源的特点和规律各有差异，导致对能源运行管理的方式也各有区别。对于学院楼、实验楼等建筑，一般按照不同的管理单位，如院系等进行能源的计量考核；而对于教学楼、图书馆、服务中心等公共区域，则一般按照细分区域进行能耗的计量考核；学生宿舍是比较特殊的一类建筑，其能耗计量考核一般需要细化到每个宿舍单元。

3 项目实施的范围与设计的总体要求

该项目的设计工作主要针对校园建筑的用电、用水情况进行全面的计量监测和管理。对于建筑对象，主要分为两个层面来进行管：一方面是针对学院楼、图书馆、教学楼、实验楼等建筑对象进行能耗计量监测，安装对应的电、水消耗的计量表计，根据《国家机关办公建筑以及大型公共建筑能源管理系统数据采集和传输技术导则》和《高等学校校园建筑节能监管系统建设技术导则》中的要求，实现各个建筑对象的分类、分项能耗计量；另一方面针对学生宿舍这一特殊建筑对象，实现针对每个宿舍的耗能计量，同时将能耗计量数据结果作为学生购买宿舍用电、用水的参考依据。

该项目总体的具体设计内容如下：

1)安装智能电表和水表，对校区内学院楼、图书馆、教学楼等建筑实现分类、分项能耗计量。

2)为学生宿舍楼的每一间宿舍分别安装电表、冷水表和热水表，实现对每个宿舍的用电、用水计量。

3)建设一个能源运行管理监控系统，该系统可以实时在线采集所有计量表计的能耗数据，并统计出每一个建筑对象的总用电量、用水量，以及按照国家导则要求的分项用电量，如动力用电、空调用电、照明插座用电和特殊用电。

4)该系统能够按照指定的计费方案对学生宿舍楼的用水、用电量进行自动计算统计，并提供对应的宿舍能耗账单供学生查询了解。

5)系统具备宿舍用电、用水自动监视功能，支持欠费自动断电功能。系统支持与校园网系统的数据交互，可获取每个宿舍账户的当前剩余可用电量和水量，自动进行实时的检测，一旦当前用电量超出可用电量，则自动实施远程断电。账户充值缴费后，由管理人员手工实现送电，电费的充值缴费管理由校园网系统负责完成。

该设计中采用国内比较成熟的校园建筑节能监控平台系统软件产品iEEMV 2.1，该系统是基于PecStar V 3.5核心平台进行软件研发，充分吸收了PecStar V 3.5系统在数据采集、基础数据存储、底层设备的接入以及系统集成方面的灵活性和可靠性，系统采用开放式、模块化、分层分布式系统架构，支持系统规模的无缝扩容；可快速接入带通讯接口的各种能源类型的计量监测装置设备，提供全面的能源数据采集功能，支持电、水、气以及其他能源类型的消耗数据的在线采集与离线录入，提供统一的界面进行全能量数据的集中管理。与此同时，该系统还支持将能耗数据按照指定的格式和接口要求定期上传至省、市级的能源管理数据中心。

iEEM V 2.1系统支持可灵活组态的系统配置以及图形画面、报表定制功能，可根据项目具体要求快速建立能源分量计量管理模型以及关键的能耗指标参数；提供丰富、美观的显示界面实现分类、分项、分户能耗数据的统计查询和对比。系统可提供基于C/S和B/S结构的能耗数据展示方式，针对不同管理职能的用户角色提供2D/3D可视化监测、图形化的数据展示效果和简单易用的操作管理功能，具有良好的用户体验。针对专职的能源管理用户，系统还提供各种专业的分析工具来实现能源平衡及损耗分析、能耗指标分析、能耗成本分析和综合能效评估等高级功能，帮助用户发掘节能潜力，实现节能管理和节能效果的评估。

iEEM V 2.1系统以真实、准确的分类、分项能耗数据作为基础依据。通过一系列的功能应用来满足用户在日常能源运行管理和能耗数据统计分析过程中的实用型需求，通过这一科学量化的管理工具，帮助用户逐步调整和完善企业能源运行管理机制，最终实现能源管理模式的转变：

1)实现能源管理由粗放型管理向精细型管理的转变。

2)实现能源管理由单体节能管理向系统节能管理的转变。

3)实现能源管理由事后被动管理向事前主动管理的转变。

4)实现能源管理由经验化管理向科学定量化管理的转变。

4 该项目具体设计采用的系统结构与配置

该设计中的系统采用开放性、分层分布式的模块化系统架构，主要分为系统主控层、通信管理层和现场设备层三个层次来实现系统组成结构。通过现场总线将各个建筑物内部的电表、水表等计量表计进行连接，汇总到区域的能耗数据采集器中后，通过光纤网络实现区域数据的集中，统一在主控层监测管理系统的数据库中进行存储，由系统软件提供各类功能应用和统计数据的展示，并实现与校园网系统(含BA系统、智能照明系统、路灯智能控制系统、OA系统和一卡通数据系统等)的数据交互，同时将校区的分类、分项能耗计量数据自动上传至省、市级的能耗数据中心。

4.1 系统总体组成结构

该项目设计能效管理系统的组成结构，见图1。

该项目EEMsys能效管理系统采用双机单网结构，采用星型网络拓扑，在每个监测对象所在区域，根据接入表计的数目分别设置一台或多台能耗数据采集器完成本区域的电、水能耗数据的采集和汇总，通过校园智能网络将各个监测区域的能耗数据采集器汇总传输至能源管理中心，保存到系统的数据库中。能源管理系统除了提供各类软件功能应用之外，还提供与校园网交互访问的接口，确保授权用户可通过校园网通过Web方式访问本系统，与此同时本系统还提供专门的数据上传接口，用于将校园能耗数据按照分类、分项要求上传至省、市级能源管理中心。

系统主控层：即能源管理系统的数据中心和运行管理中心，主要完成所采集各类能耗数据的汇总存储和展示，提供多种软件功能应用满足用户日常能源管理和数据分析的需求。主要包含一台数据库服务器、两台Web应用服务器、三台能耗数据采集监测服务器和一台通讯服务器等辅助设备，为了保证能耗数据采集监测的完整性，该项目采用双机热备的配置。

通信管理层：主要完成现场设备层所采集的各类能耗数据从设备装置内部至系统主控层数据库服务器中的网络传输管理，主要包含能耗数据采集器、光纤以太网转换器、以太网交互机、M-BUS转换器等网络通信管理设备以及光纤、以太网、总线、无线网络等传输介质。

现场设备层：主要由分布在所监测区域，如教学楼、宿舍、图书馆等的智能电表、智能水表等设备组成，实现各个用电回路或用水管道的数据采集、监测、通讯和远程传输。

4.2 设备层能耗计量设备配置

该项目设计中涉及的能耗计量设备主要包括智能电表和智能水表，均配备通讯接口，支持在线数据采集和监测。根据所监测区域和对象的用能特点不同，对于表计的配置方式也不同，大致可分为两种配置类型：

1)学生宿舍是本项目的重点监测和管理对象，要求针对每个单元分别进行电、水的计量。电表采用RS 485接口。

2)学院楼、图书馆、教学楼、食堂、游泳池、实验楼、服务中心、门诊楼、保障楼和室外等建筑对象也需要监测电、水两类能源，但是监测的细化程度不需要像学生宿舍那么详细。该项目主要要求实现对建筑物总体、各个楼层以及重要区域的分类、分项能耗计量即可，水表的数量相对较少，主要用于计量每个楼层的卫生间用水即可。电表采用RS 485接口，水表同样为了采购和安装的一致性，推荐采用M-BUS接口的智能水表。

4.3 通信层系统集成与组网配置

该项目中的系统网络通信部分主要采用星型网络拓扑结构，使用基于光纤网络进行各个建筑物之间的互联。主要从网络传输层和现场总线层两方面来考虑配置的实现：

1)网络传输层：通过在每个监测建筑对象内部合理配置能耗数据采集器，完成针对本建筑物内的所有电、水表计的数据采集和汇总，并通过能耗数据采集器的上行以太网接口完成本建筑物监测数据向能源数据管理中心的传输汇总。通过配置交换机与智能网络连接，将能耗数据采集器的数据通过智能网络传输。该项目可直接基于校园网已有的以太网网络进行传输，充分利用现有的网络通道，可以将能耗数据采集器直接接入到校园网中的以太网交换机。

2)现场总线层：现场总线主要是指将设备层的表计通过总线组网互联然后接入到能耗数据采集器下行接口部分。根据总线类型的不同，可以分为RS 485串行总线和M-BUS串行总线两种。RS 485总线主要负责完成电表的组网连接；而M-BUS总线则主要负责完成水表的组网连接，由于能耗数据采集器下行接口为RS 485接口，因此需要在M-BUS总线所在通道配置M-BUS转RS 485的专用转换器，完成转换后即可将水表所在计量回路接入到能耗数据采集器下行接口。水表由于安装位置的分散性，考虑采用M-BUS总线，无需额外增加电源模块，直接通过M-BUS的通讯线即可实现供电和通讯的双重功能。

5 实现的功能

该项目中能效管理系统通过软件系统和硬件系统两部分的相互配合，通过对系统配置的组态定制，建立了针对与该项目实际管理需求的能源分项计量管理模型，确保构建的能耗分类、分项、分区域计量对象的组织结构最大程度地保持与项目实际能源管理和考核要求一致性。系统提供一系列专用的能耗计量管理节点用于从不同的层次和角度来满足能源管理与分析的需求，如能源管理分区节点、计量节点、计费节点、损耗节点、设备节点、综合能源管理节点等。主要实现了以下功能：

1)校园建筑物对象分类、分项能耗计量监测。该系统实现了对于校园内各类建筑物的用电、用水状况的在线计量监测，可实时统计出每栋建筑物、建筑物每一层楼以及重要区域的详细用电量、用水量的数据。针对用电数据，可分项统计出动力、空调、照明插座和特殊用电的消耗量和占比情况，帮助管理者详细地了解和掌握当前校园内能源分布和消耗的准确情形。同时，支持按照指定的数据格式，将校园总用能以及各个建筑物用能的分项计量数据自动上传给省、市级的能耗数据监测中心。

2)学生宿舍用电、用水在线计量及预付费管理。该系统提供了专门针对学生宿舍用能计量监管和用能费用账单管理的分户计量和预付费管理功能。该功能可实现学生宿舍用电、用热水、用冷水量实时数据采集和自动抄表，统计每个学生宿舍的分类用量，并自动完成电费、水费的计费统计，定期生成每个宿舍单元的用量费用账单。通过与校园网系统的数据交互，系统可获取每个学生宿舍预先购买的可用电、水量，自动进行剩余可用电量、水量的监测。一旦发现剩余电量、水量不足则实现剩余电量、水量不足的短信提醒；如果监测到当前用电量、用水量超限，则实现自动断电、停水。综合考虑项目具体情况，对于学生宿舍用电，实行欠费自动断电、账户充值缴费后通过人工方式送电的方法；对于学生宿舍用水，包括冷水和热水，只对用水量进行实时计量监测，暂不实行欠费自动停水的方法。

3)校园节能监管与能效指标统计分析。该系统不仅能够实现能耗在线采集、计量监测功能，还提供更高层面的节能监管和能效分析的功能应用，帮助系统运营管理者更加准确、合理的管理校园的能源利用。通过对不同建筑物用能量和用能状态参数的实时监视，可分析其实际耗能量与用能规律和特点是否保持一致，比如通过能源平衡分析可以快速发现用能过程的中跑、冒、滴、漏现象；通过能耗趋势分析和用能时段对比，可及时地发现异常用能的情况，如教学楼的长明灯；通过能源定额管理和用能超标预警，可以逐步完善和优化办公楼、教学楼的用能管理制度，培养良好的节能意识和用能习惯；通过设置建筑对象的能效指标来合理的评估建筑用能的水平，如单位建筑面积耗能、人均耗能、学生宿舍人均耗能等；通过对该类指标进行对比分析，可寻找出用能效率偏低的对象和区域，进行重点的管理和节能改造。

6 结 语

通过该项目中实施的能源管理系统，最终实现了各种能耗的在线分类、分项、分户计量、节能控制、能源质量监测等功能，对整个校园的能源管理和能耗降低起到很大的作用，充分响应了国家建设绿色校园的号召。同时，随着国家节能政策的推进和绿色和谐社会的发展，能源管理系统将会在各种大型公共建筑中得到更加广泛的应用并起到越来越重要的作用。

[1] GB/T 50378—2006，绿色建筑评价标准[S].

[2] GB 50189—2005，公共建筑节能设计标准[S].

[3] JGJ/T 229—2010，民用绿色建筑设计规范[S].

[4] GB/T 23331—2012，能源管理体系要求[S].

Application of Energy Management System in University Campus Design

WANG Ji-song

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd，Bengbu 233018，China)

University campus is a kind of public building with large energy consumption，and it is also an important part of society. As the major force of higher education and the progress of science and technology, it is very important to create energy-saving green campus.

energy management; green campus; energy-saving system

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.018

2014-10-30.

王纪松(1976-)，高级工程师.E-mail:wjs@ctiec.net