绿色办公建筑能耗数据采集系统设计及应用

李 辉，孙云增，梁康元，王 丹

（国网中兴有限公司，北京 100761）

随着我国城市化建设的不断推进，城市中的办公建筑群已经成为能源消耗的重要组成部分。根据调查数据显示，近年来我国办公建筑建设规模不断扩大，其能源损耗已经由1996 年的2.59 亿吨燃煤量增长至2018 年的11 亿吨燃煤量，占用我国建筑行业总能耗的20%[1]。因此，近些年国家制定并颁布了一系列相关文件，推动绿色办公建筑的应用。但是由于我国建筑行业的技术标准不统一，导致能耗数据采集及短期能耗监测技术在不同种类的建筑中不能全方面实现[2-3]。

文中主要针对白广路办公建筑的全面适应性绿色办公建筑能耗数据采集及短期能耗监测系统进行设计，在数据监测模型基础上结合建筑行业的技术标准，构建出新的绿色办公建筑能耗数据采集流程以及短期能耗监测方式。使用数据采集模型优先识别绿色办公能耗数据并进行录用，并根据办公建筑能耗属性确定能耗数据采集设备，因此该系统可以在未来的绿色办公建筑中持续运行。

1 能耗采集及监测系统硬件设计

该文设计的绿色办公建筑能耗数据采集及短期能耗监测系统的设计要点为通过末端的能耗监测器对建筑能耗数据进行采集，并将采集的数据传输至数据中心进行汇总和存储，最终将管理终端所需的数据上传，在管理终端使用数据进行建筑能耗分析。该能耗监测系统的结构如图1 所示。

图1 能耗监测系统结构

1.1 低压配线柜

该系统使用带有FLUKE-435 电能质量分析器的低压配线柜，能够对办公建筑现场的电源设备进行能源实时监测，同时还能够记录空调、照明等损耗较大设备的损耗频率，对容易引起三相不平衡的用电设备以及能源波进行精准控制，以便协调办公建筑的能耗谐波。对于后续接入主电路的用电设备，需要在供电匹配前进行电能质量检测，在满足国家供电质量标准的前提下，增加对办公建筑中的电容器等硬件的持续性供电[4]。

该文所应用电能质量分析器的工作环境电压确定为220 V，办公通用设备的工作频率均为50 Hz，其电能质量分析器原理结构如图2 所示。

图2 电能质量分析器原理结构

为了方便对不同设备进行配电，对低压单母线设为分段运行，并设置联络开关，低压主进线开关与联络开关之间采用电气联锁及机械联锁。在低压配线柜中安装断路器，保护办公建筑用电设备[5-6]。电能质量分析器中的供电情况主要通过谐波测试的方式进行展现，该分析器分别能够在办公建筑用电高频时间段、低频时间段进行谐波测试，如图3 所示为电能质量分析器的低频谐波测试显示图。

图3 低频谐波测试显示图

1.2 照明设备

根据GB50034-2013《建筑照明设计标准》，在绿色办公建筑中设计的照明设备必须满足不同楼层的照度，办公建筑中的平均照度为300 Lux。随着楼层高度的变化，照明设备所提供的照度也将发生变化，并且办公建筑的房间用途也会影响照明设备所提供的照度，例如办公建筑中的会议室设计照度将高出办公区照度[7]。该文设计的照明设备主要根据照度进行设计，在办公建筑中的走廊空间采用照度为50 Lux的照明设备，在办公室采用450 Lux 照度的照明设备，在会议室采用500 Lux 照度的照明设备，卫生间采用350 Lux 照度的照明设备，在满足基本照明需求的基础上达到绿色办公建筑标准[8-9]。

1.3 供暖能耗监测设备

绿色办公建筑中的供暖能耗数据需要从不同的楼层进行统一监测，最后将统计数据进行结合计算。该文在每层供暖设备中设计安装一套FLUKE F430-2 型数据监测装置，该装置能够适应高温环境，从而能高质量地展现出供暖设备的能耗状态，如图4 所示为FLUKE F430-2 型数据监测装置在每层供暖设备中的线路连接结构图。

图4 数据监测装置线路连接结构图

该数据监测装置能够通过供暖设备的压力表和温度传感器计算出能耗的准确数据[10]，再将数据以电压或频率的形式对外表达，如图5 所示为温度采集的电路原理图。外部的连接设备可对电压、频率等参数进行检测，最终整合成为谐波图像，图像中的谐波状态即代表供暖设备的能耗情况。数据监测装置将热能进行电能转换是为了更高效地进行数据管理，该文设定数据监测装置对供暖装置的热能转换电压偏差必须在额定电压的8.5%以内，该装置在三相电压环境中不得超出电动机的正常工作电压。该数据监测装置内具有变频器，可以方便监测设备工作频率的更改，并且平衡每层供暖设备的数据条件，数据监测装置允许最大的供暖转换偏差为0.8%[11]。

图5 温度采集电路原理图

1.4 能耗监测器

随着网络通信技术的不断发展，该文将通信技术融入能耗监测器的硬件设计中，在能耗监测器中建立通信模块，根据监测器的进线方式确定能耗监测器的监测内容，每条通信线路均能够串联外部的信号监测仪表，通过设备的管理模式控制线路的结构。该文在能耗监测器中引入多种总线，例如：CAN、PROFIBUS、P-Net 等，每条总线又可根据办公建筑内的实际能耗状态划分成6 位、12 位、32 位、64位数据传输端口，该类端口主要以串行的方式实现数据的监测与传输[12-13]。

该文采用的RS485 串行总线在监测器中具有4个数据传输端口，每个数据端口又划分为计算机与非计算机等物理结构层，用于区别数据接收信号的驱动装置，此串行总线在监测器共有1 节，其最大数据传输速率为10 Mb/s，最远传输距离为500 m，最大驱动电压在0～24 V 范围内，信号传入总线的入门电阻大于20 kΩ[14]。总线外部采用屏蔽材料，避免外部干扰信号影响数据传输，总线的数据终端应用双绞线作为基本组成材料，增加阻抗匹配概率，如图6 所示为RS485 串行总线在办公建筑中能耗监测工作结构示意图。

图6 RS485串行总线能耗监测工作结构示意图

图6 中总线与供暖设备的数据连接接口主要通过计算机端口实现，管理人员可以向计算机端口输入待识别数据，此时检测装置中的部分潜在设置将会重新启动，能够精确测定有功功率、电压、电流、流量等数据，还可以通过总线内部的GPRS 模块进行网络通信，将办公建筑内产生的能耗与区域内的服务器管理软件相关联，及时传输硬件采集设备中的数据[15]。能耗检测器中还采用无线通信模式完成对每层数据的检测与传输。该文在相同的工作频率段中采用TDMA 帧结构的硬件设计，以相应的网关节点作为能耗监测数据的输入点，此无线通信结构能够完成20.2 kbps的数据率监测。无线监测技术充分体现了物联网结构，在每个服务器端口中均可以设计多个无线接口，每个接口为每层办公建筑能耗数据提供30.5 kbps 以内的数据传输速率，并且支持用户在2 s 内完成监测密码的设定与解析，为后期的数据传输结构建立逻辑链路。

2 能耗采集及监测系统软件设计

该文设计采用上位机存储数据与下位机采集数据的软件架构，并在数据进行传输的过程中表现监测系统的网络结构。该文所设计的能耗采集及监测系统能够使管理人员随时查询能耗数据，并且还能够在服务器中进行数据的对比以及分析[16]。

该监测系统在服务器中建立三维数据可视化体系，能够将能耗数据以更直观的方式呈现给用户，如图7 所示为在数据可视化过程中的能耗数据分类结构图。

图7 数据类型结构图

该文还对绿色办公建筑能耗数据查询流程进行设计，管理人员可以通过账号登录进入数据监测系统中提取能耗数据。软件内部包含不同类型的操作区域与能耗负责区域，办公建筑能耗信息具有种类繁多的特点，所以需要首先进行数据类型的管理与划分，再对采集到的数据类型进行分项计算，实时对比不同层次中的能耗基本状态，并且支持对历史信息进行能耗查询。当办公建筑内部的能耗数据进入服务器时，可进行类别的匹配，根据办公建筑内能耗产生设备的安装量、安装时间、工作功率等信息进行分类存储与可视化。

该文还对办公建筑中的能耗设备控制程序进行设计，办公室建筑中的大多数能耗设备需要通过管理人员的操控才能正常稳定工作，能耗控制端口需要在整个控制流程中具有保障性的控制技术，在控制能耗产生的同时监控能耗数据状态。控制能耗设备中的数据，首先要利用中间元件输入变压器中的频率数据，变压器内部的空气开关可以作为与PLC控制程序的连接端口，再通过控制设备电源对所有运行设备进行供能，待外部的能源供应满足设备内部装置的需求时，可以采用将能耗数据采集器设为三线模式。能耗传感器与能源供应端口同时采用PLC 程序控制，此外PLC 端口还与其他数据处理模块相关联，需要一定的输出端子与内部设备的数据传输方式相匹配[17]。

能耗监测数据经过串口线后直接传入上位机中与数据中心相关联，并且能够在管理员的个人服务器中完成重要的监测数据传输，在不受干扰的环境中向数据库输入采集的数据，此时PLC 程序控制的能耗产生设备的阻值变化与周围环境温度变化相结合，公式（1）为两者关系：

式中，R代表设备电阻值，t代表该设备周围环境温度。在办公建筑能耗设备中直接监测的能耗数据需要在PC 机中联合体现，PLC 控制程序会将监测数据自动输入一台PC 机中并进行数据复制。该文将对PC 机内部的数据实时输出程序进行设计，程序结构如图8 所示。

图8 PC机数据复制程序结构图

此程序的运行能够自动识别监测数据中的参数值与标准值，且能够改变每种能耗设备的参数状态，再根据监测面板对需要监测的数据进行控制需求程度的匹配。在程序中应用PC Access 通信软件，能够在PC 端口向服务器端口传输数据，增加办公建筑设备配置的可协调性，在相同类型的办公建筑能耗设备中构建更多种类的数据传输途径。

3 实验研究

该文以白广路办公区为实验研究对象，针对白广路范围内的绿色办公建筑能耗项目实现能耗数据的采集以及分析。白广路范围内办公建筑能耗类型主要分为空调设备、照明设备、供暖设备、排水设备等，针对能耗设备的数据采集，设定有专业人员以及管理制度进行数据的统计，将整个数据管理网络划分为三个阶段，每项能耗设备都具有相对应的数据监测人员，对白广路办公建筑范围内的能耗计量单位实时与外部单位相统一。

2018年总用电量为8 982 180 kW·h，2019年总用电量为8 201 820 kW·h，2020年总用电量为8 713 800 kW·h，由于客观环境影响和业务用电习惯因素，园区年耗电量会有一定的增加或减少。分别对南楼的6层和12层、综合楼6 层进行能源数据采集与节能数据更改，获取南楼6 层办公建筑各类设备电源能耗2 461 kW·h，UPS 能耗、自身能耗、施工能耗共133 132 kW·h；南楼12 层设备能耗97 650 kW·h，施工用电、其他用电共168 722 kW·h；综合楼6 层设备能耗、施工能耗共39 536 kW·h，精确数据的获取均依靠计量表的负荷×系数×时间×天数公式完成计算。

通过应用能耗数据采集设备，对白广路办公区建筑空调类设备进行能耗统计，可知年平均损耗量达到362.21 kW·h，空调覆盖面积达到总办公建筑区域的80%，办公建筑中采用的空调符合标准参数，能够对能耗数据采集器进行内部的安装，且能够应用水冷的方式降低数据采集器的周围温度，减少外部环境对数据监测的影响。

4 结束语

绿色办公建筑已经成为未来办公建筑的重要发展项目，需要在满足工作人员正常办公条件的情况下，达到节能减排效果。该文设计绿色办公建筑内的能耗数据及短期能耗监测系统，应用在办公建筑内的各项能耗设备中，对能耗数据进行精确采集与数据分析，采用的变压器与各项监测设备均能够适应绿色办公建筑大环境，且内部的监测流程也能够针对数据的准确性与范围得到实现。通过绿色办公建筑的实施，白广路办公楼的年用电量以3.2%左右的速度下降，取得了较好的节能收益。