大型公共建筑能耗监测系统设计

　　摘要：大型公共建筑能耗监测系统是一种对建筑物能耗数据进行实时动态监测的计量管理系统。本文结合工程设计实际，介绍了公共建筑能耗监测系统的总体结构及系统组成，详细阐述了该系统在公共建筑中的具体设计及应用。本系统将为今后大型公共建筑节能改造提供详实的数据支持，为实现建筑节能规划目标奠定基础。

　　关键词： 大型公共建筑  能耗监测  数据采集  设计应用

　　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，是欧洲、日本等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及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能耗进行动态实时监测、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。

　　2 能耗监测系统的组成

　　能耗监测系统是指通过对国家机关办公建筑和大型公共建筑安装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方式和自动采集方式。通过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它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。通过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，并采用TCP／IP通信协议自动并实时上传给数据中转站，以保证数据得到有效的管理和支持高效率的查询服务，同时数据传输采取一定的编码规则，实现数据组织、存储及交换的一致性。为保证能耗监测系统中数据传输的安全性，能耗监测系统数据中转站与数据中心之间应采用虚拟专用网（VPN）技术对数据进行加密，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数据中心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。数据中心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，并预留相应的扩展功能。

　　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）城市数据中心

　　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。

　　建筑物节能监测子系统与数据中心之间以及省、市数据中心之间的高效、自动连接与信息传输应采用有效、可靠、适用的软、硬件设备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框图如图2。

图2  建筑物能耗在线监测系统结构框图

　　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，如电量分项能耗应当包括：照明插座用电、空调用电、动力用电及特殊用电。电量分项能耗模型如下图3：

　　图3  公共建筑能耗监测电量分项能耗模型

　　上图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。

　　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。

　　3.1.1 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RS-485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。

　　3.1.2 热量表

　　热量表是用于测量及显示水流经热交换系统所释放或吸收热量的仪表。热量表分为整体式和组合式两种，热量表流量测量装置按测量方式主要分为电磁及超声波、机械和压差三大类；热量表温度测量装置主要分为接触式和非接触式两大类。热量表应有检测接口或数据通讯接口，接口形式可为RS-485或无线接口；热量表还应具有断电数据保护功能。

　　3.1.3 水表

　　远传水表是在普通水表的基础上加装电子采集模块组成，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。表体采用一体设计，可以实时的将用户用水量记录并保存，每块水表都有唯一的代码，当智能水表接收到抄表指令后可即时将水表数据上传给管理系统。远传水表主要分类：按机电转换方式不同分为实时转换式远传水表和直读式远传水表；按翼轮构造不同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不同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4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 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它服务器。

　　3.3 建筑物能耗监测系统管理服务器

　　3.3.1 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。系统管理服务器一般设在建筑节能监测控制室，也可与BA控制室合用。

　　3.3.2 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，具有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，并具有断点续传功能。

　　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讯协议、通讯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。同时系统应用软件还应具有良好的开放性、报警管理功能，提供用户权限管理、系统日志等功能，并管理主机数据存储、统计功能，自动对应用数据库进行备份，以防运行数据丢失。

　　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，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]  住建部. 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]  住建部.  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.