高校能耗监测系统设计和数据传输的优化方案与应用

郁晓婷（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 200032）

高等院校建筑群是集教学、科研、生活、文娱等于一体的综合性建筑群，因人员密度高、建筑数量大、类型多样、能耗总量高其管理难度大广受各方关注。据统计，我国高校每年总能耗超过 2 000 万 t 煤，占全国生活消费总能耗的8.5%，大学生的人均能耗指标明显高于全国居民的人均能耗指标。国家发改委、教育部、建设部等多部委和地方各级政府均十分重视高校节能降耗问题，高等院校的能耗监测系统成为高校节能的重中之重。只有建立一套完整、可靠、准确的能耗监测系统，各高校才能清晰、迅速、精准地分析和判断校园用能现况，并做出科学节能降耗措施。

能耗监测系统自身的技术应用已十分成熟，在社会各个领域的大型公共建筑中也切实发挥了非常重要的作用。从表面上看，高等院校的建筑群不过是社会各个领域的缩影，但其在实际项目运行过程中依然存在很多难以解决的问题和应用效果不理想的情况。

作为非营利性机构，高等院校能耗监测系统的建设经费常依赖各级政府的专项拨款，学校可进行自筹经费的能力非常有限。从 985 重点院校至普通专科类院校，普遍存在建设经费不足的情况，而校园内的既有老建筑开展能耗监测系统建设所需经费更是几倍于新建建筑。

针对上述问题，本文将以某高校为例，探讨如何在有限的资源投入下，通过对监测系统设计方案的优化，结合自身运行特点投入监测硬件和数据通信方法提升，达到能耗监测系统真正发挥出效果的目的。

1 高校能耗特点和能耗监测现状分析

高等院校建筑群虽体量很大、类型复杂，但使用者类型单一，又实行统一管理，其建筑群整体用能特征显著。目前大部分的高等院校均完成了第一轮的能耗监测系统建设，但未能很好地把握住学校自身的用能特性，导致能耗监测系统效率低下，并不能真正成为学校节能降耗的风向标。

1.1 高校能耗特点

高校类建筑消耗的能源种类主要是电和天然气。从能源使用终端来划分，电力主要用于学校的空调、照明、动力、插座，天然气主要用于厨房炊事、锅炉。从使用区域划分，用电区域包含了整个校园，包括教学区域、学生宿舍区域、科研实验区域和其他区域，天然气主要使用于食堂厨房区域和锅炉房。以上两种方式是较为常规的分类方法，本文提出一种立足能源管理层面的新分类方法，将校园能源消耗分为3 种，即：直接管理的能源消耗、间接管理的能源消耗、单向供给的能源消耗。

（1）直接管理的能源消耗。直接管理的能源消耗是指由学校能源管理部门可 100% 开展管理的能源消耗。如学校图书馆、游泳馆、食堂等区域。此类区域使用的能源设备、每天开启时间等所有能源消耗事宜均由学校直接开展管理。

（2）间接管理的能源消耗。间接管理的能源消耗是指校方可对产生能源消耗的用能设备和消耗方式开展间接管理，如提出限制要求，制定规章制度等。但无法直接开展能源管理工作。如学生宿舍、教职工办公区域的插座用能等。

（3）单向供给的能源消耗。单向供给的能源消耗是指校方能源管理部门原则上需要根据能源消耗的需求给予能源供给，在非特殊情况下无法对其开展任何管理或者约束工作。如高校内科研设备的用能。

高校建筑群的能耗监测系统设计时首先需考虑学校能源管理部门对每个区域和每个垂直分类的管理权限。应充分结合建成后的使用价值来分配建设时投入的资源，再根据高校能源的使用终端和使用区域的情况依照相关建设标准开展设计工作。

1.2 高校能耗监测现状和问题

目前上海市大部分高校虽然均设有能耗监测系统，但大部分高校依然无法通过监测数据科学分析学校节能潜力，进而对学校开展有效的能源管理。其中存在的问题主要有如下几点。

（1）监测点位广而不精。将有限的建设资源平均投入至全校园，在设计时通常未对学校进行深入了解，仅凭建筑面积大小和能耗高低的原则进行布点。或者是每栋建筑都铺开布点，但每栋建筑都计量不到位，监测数据缺乏针对性。

（2）监测点位精而无用。将有限的建设资源投入到重点用能区域内，在设计时选择单位面积能耗最高的重点区域开展高密度建设。但在系统使用过程中发现，这区域大量是单向供给的能源消耗和间接管理类的能耗消耗。虽有比较精准的数据，但无法进一步开展节能降耗工作。

（3）监测点位既不广也不精。有部分高校的大量既有建筑是上个世纪末期（或中期）建成的，建筑原设计并未考虑能耗监测的需求。在老式既有建筑中加装能耗监测系统的配套工程成本巨大，导致某些校区在投入同等建设经费时能耗监测点位既不广也不精，建成后的运行效果也非常不理想。

2 高校能耗监测系统设计和数据传输的优化原则

高校能耗监测系统建设的作用是诊断校园能耗效率的情况，目标是通过科学客观的诊断结果指导开展科学合理的节能降耗工作。高等院校的校园是一个非常复杂的建筑群，其能源消耗的方向和意义也非常复杂。学校的能源管理部门对于每幢建筑、每个区域、每个设备的管理权限也各有不同。在建设资源有限的情况下，开展能耗监测系统设计时应将充分考虑建成后是否可以直观地开展降耗管理工作为第一要旨，应最大限度地将资源投入到节能降耗效率更好的区域内。

2.1 直接管理的能源消耗

能源管理部门在该区域内对所有建筑用能设施、设备的采购、维修及管理均有着直接的权限。这一类型的建筑或设备应当是能耗监测硬件投入的重点，也是日后节能降耗措施推进的第一战场。在能耗监测系统设计时，应从重点用能设备和重点用能区域按国家或上海市实行的公共建筑能耗监测标准执行，开展逐级监测。对于广泛使用的同一种用能设备，应实行典型设备监测，无须全面铺开。如教学楼内安装的分体式空调，可根据采购品牌、型号、批次监测典型设备的能耗效率。

2.2 间接管理和单向供给的能源消耗

能源管理部门对于间接管理和单向供给的能源消耗类的建筑用能设施、设备管理权限有限，在建设资源有限的情况下，应尽力避免监而无用的情况。如学校的科研区域、学校的外租宾馆、商铺、学生宿舍楼、教室公寓等。能源管理部门应对该类型能源消耗，实行总量监测。如消耗总量超出合理范围，则可通知相关负责人开展巡查和整改工作。

2.3 小型节能设备的能耗监测原则

对于能源管理部门有权限管理的小型节能设备，也应根据实际的建设资源，总量控制能耗监测点位的投入比例。如公共区域的照明已经采用 LED 的光源，在照明效率已经非常良好的情况下，无需特地设置监测点位再行监测。

2.4 常规高耗能设备的能耗监测原则

对于能源管理部门有权限管理的常规高耗能设备，应尽力设置较为详细的监测方案，如中央空调。该能源管理部门不具备管理该常规高耗能设备的权限，在建设资源允许的情况下也应该优先考虑设置基础计量点位，并将监测情况和诊断建议提供给相关管理人员。

2.5 数据传输的原则

在校园内分散的小建筑群是常见的一种建筑形式，这些建筑群中的无线通信问题对于能耗监测系统建设和运行资源消耗非常大。由于既有的建筑群并未预埋通信管道，导致小建筑之间需要使用无线设备开展数据通信。在整个无线通信架构的设计中，无线设备应尽可能使用本地电源以及校园内网。若不具备这两种条件，则应结合校园建筑物使用特点的规律大幅度地降低无线传输频率，以降低网络费用和电池更换的人员维护费用。如食堂可以将原则 15 min 上传一次数据的频率（96 次天），根据食堂实际的运行情况改为 6点、9 点、11 点、14 点、16 点、18 点、20 点，1 d 7 次。同理浴室、教学楼、图书馆、游泳馆等场所也可结合自身情况降低频次。如发现有异常的用能情况，可以临时升高频次用于监测诊断。由于校园人群活动规律化程度高，日常监测可以通过降低频次，提高资源的投入效率。

3 上海某高校能耗监测数据采集点位优化

上海某高校总共有 3 个校区，分别为学生生活园区、国际教育基地和教学办公区。生活园区以学生宿舍为主，还包括了食堂、商铺、剧院、学生事务中心、宾馆等。国际教育基地有 2 栋建筑，依次为教学楼、宿舍楼以及与宿舍楼相连的食堂。教学办公区包括了图书馆、国际交流中心、行政楼、创新楼、实验楼、科技综合楼等。

结合项目实际开展情况，本文根据直接管理的能源消耗、间接管理的能源消耗、单向供给的能源消耗的分类原则分别选取 6 栋典型建筑作为案例。对其进行设计方案优化、硬件设备选型优化、软件算法升级。实现能耗采集、监测、存储、对比等基本功能的同时，达到帮助学校能源管理部门高效寻找能源利用效率较低的环节，从而有针对性地开展节能降耗措施。

3.1 间接管理区域的能耗监测优化方案

本项目中，学生宿舍区域建筑消耗的能源是典型的间接管理类能源消耗，校方规定了一些不可在该区域使用的设备，也制定了整个区域的用能时间。其出发点是为了园区的安全和秩序，并非有意限制园区用能。实际情况中，这 2 个区域内的用能情况主要是取决于使用者如何使用，校方只能间接管理。

（1）13 层电梯学生宿舍公寓中共 5 路总进线。点位布置为总进线 5 个计量点位、1～13 层楼层电表 26 个、单户电表 104 个、电梯 2 个、人防 1 个。

（2）6 层学生宿舍公寓共 2 路总进线。点位布置为总进线 2 个计量点位、1～6层楼层电表 12 个、单户电表 72个、公共照明 1 个。

以 2 栋典型的宿舍楼为例对比常规方案与优化设计方案之间的区别见表 1 。

表 1 常规方案和优化方案之间的对比

本项目根据实际监测情况省略了监测后无法开展实际能源管理的监测点位。其中，13 层电梯学生宿舍公寓的常规基础方案中 34 个监测点位缩减至 5 个。根据实际调研，6 层学生宿舍公寓是每 6 幢楼从配电站供出 2 路配电，所以优化方案将计量点位上移至配电站。每 6 幢设置 2 个计量点位，常规基础方案的 90 个监测点位缩减至 2 个（折合单楼0.33 个）。

3.2 单向供给区域的能耗监测优化方案

本项目中的科研实验楼和学校宾馆 2 栋建筑消耗的能源是典型的单向供给类的能源消耗。常规情况下，学校的能源管理部门无权管理科研实验楼内所有的科研实验设备，科研实验楼整体的运作时间也应是满足科研工作需求，原则上不受学校的能源管理部门管理。该科研楼使用 VRV 分体空调，在日常的工作中能源管理部门只对大楼里的电梯和公共区域照明进行管理。学校宾馆属于保障学校正常运行的教学、科研、学术交流等工作的配套设施，独立运营，所有设备与事宜均不受学校能源管理部门管理。实际情况中，学校也仅对于这 2 幢建筑单向供给能源，并无开展任何能源管理类的管理工作。

（1）科研实验楼中，总进线 2 个，每层空调、公共照明各 1 个，合计 12 个。实验插座按东西区划分每层 4 个，合计 24 个。低温实验室 1 个。电梯 1 个、消控室 1 个、消防设备 1 个。总计共 40 个点位。

（2）学校宾馆中，总进线 6 个，共计 51 个分项用电回路，详情见表 2。

表 2 学校宾馆能耗监测分项用电回路

本项目根据实际监测情况省略了监测后无法开展实际能源管理的监测点位。其中，科研实验楼的常规基础方案中40 个监测点位缩减至 2 个，学校宾馆的常规基础方案中 51个监测点位缩减至 6 个。

3.3 直接管理区域的能耗监测优化方案

本项目中的教学楼和学校食堂两类建筑消耗的能源是典型的直接管理类的能源消耗，学校能源管理部门不但负责所有设施设备的采购与维修，也全面负责所有设备的启停和运行。学校能源管理部门可实时根据能耗监测的数据情况调整设备管理方法，采取科学合理的节能降耗措施。

（1）1 栋典型的 5 层教学楼，点位分布情况如下。总进线 1 个，每层的空调、照明、插座各 1 个，每层楼层用电各 1 个，共计 21 个点位。

（2）某 2 层食堂的点位分布如下。总线 1 个、变电所 1 个、烤箱 1 个、2 层总电源各 1 个、货梯 1 个、冷库 1个、面包房 1 个、防火卷帘门 1 个、风机 3 个、备用 4 个，总 16 个点位。

在本项目中并未对这两类建筑的常规监测方案设置的点位做出任何优化调整，依然是按 21 个和 16 个点位设置。

4 结 语

本文对于高校领域的能耗监测系统建设提出了方案优化的新设计思路。以节能降耗的目的，充分考虑能耗监测的应用效果结合不同管理权限对于 3 类情况给予能耗监测系统设计和数据传输的优化方案。基于某高校项目，以 4 栋典型建筑为例，将原先常规基础方案合计 215 个监测点位，优化后降低至 15 个，建设资源投入下降 93%。参考该项目的实践情况，原先根据常规建设方案只能满足 20%～25% 的建设资源，经过合理配置可以完成全校区的能耗监测系统建设。能耗监测数据采集点位和频率并非一味追求数量和密度，许多区域的过度投入对后续学校的节能降耗工作并无响应效果。但对于集中浴室、食堂、图书馆、体育馆等场馆，既是学校的重点用能建筑，又属于集中管理的区域，应推行全面细化的能耗监测系统。

作为非营利机构，高校能耗监测建设资源不足是普遍存在的情况。通过科学合理有效配置资源提升校园能耗系统的使用效率是一个非常值得探索和实践的课题。即使学校建设资源充沛也应尽可能地提升资源使用效率，避免“应节能带来不节能”。在实际实践中应充分结合校园的实际运行情况和特点因校施策，使校园能耗监测系统真正发挥出监测、诊断、改进及长效管理的作用，切实提高能源利用效率。