淺談某辦公建筑的建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

安科瑞 陳聰

摘要：本文針對(duì)某大型辦公建筑項(xiàng)目，將建筑群內(nèi)部的所有能耗數(shù)據(jù)和參數(shù)，傳輸至建筑能耗管理平臺(tái)，由能耗管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和處理后，反饋至建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的能源精細(xì)化管理和智能化控制功能，在保證建筑舒適性的條件下，提高建筑能源利用效率，降低項(xiàng)目用能費(fèi)用，助力項(xiàng)目達(dá)標(biāo)綠色建筑三星標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：綠色節(jié)能；數(shù)據(jù)采集；能耗監(jiān)測(cè)；節(jié)能運(yùn)行

目前我國(guó)擁有數(shù)百億平方米的建筑，總體量穩(wěn)居世界前列，但目前我國(guó)的綠色建筑比例只有約0.05 , 建筑的運(yùn)行能耗總體偏高，目前我國(guó)建筑的運(yùn)行能耗約占全社會(huì)總能耗的1/3。我國(guó)能源消費(fèi)總量己躍居世界前列，是能源資源相對(duì)短缺的國(guó)家又是能源利用率低下的國(guó)家，需求和供應(yīng)的矛盾突出。因此，非常有必要廣泛應(yīng)用建筑能耗管理系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)建筑運(yùn)行的能源消耗，促進(jìn)建筑的持續(xù)節(jié)能運(yùn)行，這有助于我國(guó)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，由高碳排放向低碳排放轉(zhuǎn)變。

1 現(xiàn)代建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

1.1 重復(fù)建設(shè)問(wèn)題

在現(xiàn)代大型建筑的設(shè)計(jì)工作中，智能化專項(xiàng)設(shè)計(jì)己經(jīng)普及。智能化專項(xiàng)設(shè)計(jì)單位會(huì)提供一套建筑能耗管理系統(tǒng)施工圖用于指導(dǎo)施工；與此同時(shí)，電氣專業(yè)出于通過(guò)施工圖審查的目的，也會(huì)提供一套建筑能耗管理系統(tǒng)的施工圖。兩套建筑能耗管理系統(tǒng)的施工圖，一起付諸實(shí)施后，產(chǎn)生了重復(fù)建設(shè)的問(wèn)題，有形地增加建設(shè)單位的資金投入。

1.2 計(jì)量粗放的問(wèn)題

水、暖、電專業(yè)的能耗計(jì)量?jī)x表的設(shè)置，一般以集中設(shè)置為主。智能化設(shè)計(jì)人員如果機(jī)械地按照水、暖、電專業(yè)提供的儀表的位置和數(shù)量進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)采集，就無(wú)法進(jìn)行精細(xì)化能源管理，也很難為建筑節(jié)能運(yùn)行提供合理的管理策略。

2 本項(xiàng)目建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于湖南省長(zhǎng)沙市，總建筑面枳約 9.6萬(wàn)平米。項(xiàng)目包括三棟單體，其中A棟公寓樓地上16層、地下2層；B棟辦公樓地上20層、地下2層；C棟辦公樓地上21層、地下2層。

本項(xiàng)目為建筑面積超過(guò)1萬(wàn)平方米以上的新建公共建筑，根據(jù)《長(zhǎng)沙市民用建筑節(jié)能和綠色建筑管理辦法》長(zhǎng)政辦發(fā)53號(hào)文要求，本項(xiàng)目應(yīng)安裝能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，且應(yīng)與建筑主體工程同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步驗(yàn)收，所采集的建筑能耗數(shù)據(jù)應(yīng)能穩(wěn)定上傳至長(zhǎng)沙市建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

2.2 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的能耗管理系統(tǒng)，一般只要求滿足能耗監(jiān)測(cè)和能耗數(shù)據(jù)上傳的功能，系統(tǒng)流程如圖1 所示。

這種能耗管理模式是一種用于滿足國(guó)家和地方政策規(guī)范的開環(huán)管理模式，只知道建筑消耗了多少能源，不能為建筑運(yùn)行管理提供有針對(duì)性的節(jié)能管理策略。

考慮到本項(xiàng)目存在公寓、外租辦公和自用辦公等多種業(yè)態(tài)的實(shí)際情況，采用傳統(tǒng)的開環(huán)式能耗管理系統(tǒng)己經(jīng)不能滿足物業(yè)管理要求。因此，設(shè)計(jì)方考慮將能耗計(jì)量、能耗監(jiān)測(cè)、能耗收費(fèi)、節(jié)能運(yùn)行、節(jié)能展示等功能融合為一個(gè)整體，分別面向本項(xiàng)目的A棟公寓租戶、B棟辦公樓租戶、裙樓商業(yè)租戶和物業(yè)運(yùn)營(yíng)管理單位等多類用戶提供服務(wù)，形成一套閉環(huán)的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

本項(xiàng)目建筑能耗管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，B/S架構(gòu)允許授權(quán)用戶通過(guò)各類網(wǎng)絡(luò)終端（計(jì)算機(jī)、手機(jī)或PAD）通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)和管理項(xiàng)目的能耗管理系統(tǒng)。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1：開環(huán)能耗管理系統(tǒng)流程圖

圖2：閉環(huán)能耗管理系統(tǒng)流程圖

圖3：建筑能耗管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)分為五個(gè)層次，自下而上分別是數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、系統(tǒng)服務(wù)層和系統(tǒng)展示層。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4.1 一層：數(shù)據(jù)感知層

數(shù)據(jù)感知層由各種數(shù)字能耗計(jì)量?jī)x表組成，如：空調(diào)能量表、數(shù)字流量表、數(shù)字電表、燃?xì)獗淼?，?jì)量末端設(shè)備的耗能量。

本項(xiàng)目由水暖電專業(yè)根據(jù)規(guī)范要求和物業(yè)管理要求設(shè)置能耗計(jì)量?jī)x表，智能化專業(yè)對(duì)各專業(yè)儀表的設(shè)置提供優(yōu)化建議。

2.4.2 二層：數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層由能耗數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)采集鏈路組成，能耗數(shù)據(jù)采集器對(duì)數(shù)字電能表、數(shù)字燃?xì)獗?、?shù)字流量表、空調(diào)能量表等設(shè)備進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)過(guò)濾與存儲(chǔ)，并通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將能耗數(shù)據(jù)上傳到能耗管理服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集鏈路指?jìng)鬏敂?shù)據(jù)的方式，如：RS-485總線、M-BUS總線以及無(wú)線等方式。

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集器安裝在各樓層弱電間，采集各類儀表的能耗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用RS-485總線制傳輸，采用的能耗數(shù)據(jù)采集器，至多支持4路下行RS-485總線回路，每個(gè)回路可接32個(gè)數(shù)字儀表。為了保證總線回路的通信速率，提高通信鏈路的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)按照不超過(guò)500米距離的要求設(shè)計(jì)總線回路。

2.4.3 三層：網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括數(shù)據(jù)采集器上行的綜合布線鏈路、信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及相關(guān)協(xié)議。綜合布線鏈路包括各類光纖、雙絞線等材料；信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括交換機(jī)、路由器等設(shè)備：主要協(xié)議包括TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議。

考慮到辦公樓擬建的局域網(wǎng)資源和降低通訊成本的因素，本項(xiàng)目能耗管理系統(tǒng)采用外網(wǎng)綜合布線系統(tǒng)傳輸，外網(wǎng)綜合布線采用單模光纖+ 非屏蔽6 類線解決方案。能耗管理系統(tǒng)接入到外網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和處理，以便將能耗數(shù)據(jù)上傳至長(zhǎng)沙市能耗監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，借助辦公樓外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建增值服務(wù)。

2.4.4 四層：系統(tǒng)服務(wù)層

系統(tǒng)服務(wù)層由能耗管理服務(wù)器和能耗管理軟件組成，負(fù)責(zé)對(duì)項(xiàng)目能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算、處理和存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)能耗計(jì)量收費(fèi)、能耗分析、能耗查詢、能耗預(yù)警和管理優(yōu)化等功能。

2.4.5 五層：系統(tǒng)展示層

用戶可通過(guò)多種方式訪問(wèn)建筑能耗管理系統(tǒng)，本項(xiàng)目要求支持用戶可通過(guò)手機(jī)、PAD、計(jì)算機(jī)客戶端等方式訪問(wèn)，實(shí)時(shí)掌握建筑的能耗動(dòng)態(tài)。同時(shí)通過(guò)IBMS平臺(tái)和信息發(fā)布系統(tǒng)打通，支持在本項(xiàng)目的LED大屏進(jìn)行展示。

2.5 主要功能設(shè)計(jì)

2.5.1電能耗計(jì)量監(jiān)測(cè)功能

電能耗計(jì)量監(jiān)測(cè)采用電表采集電能的數(shù)據(jù)，在需要計(jì)量收費(fèi)和監(jiān)測(cè)的區(qū)域設(shè)計(jì)安裝電表。

總用電量計(jì)量：在每臺(tái)變壓器低壓干線處安裝數(shù)字電能表，對(duì)總的用電量進(jìn)行計(jì)量。

分戶計(jì)量：在 A 棟公寓、B 棟辦公樓裙樓商業(yè)和食堂等末端用戶設(shè)置數(shù)字電表進(jìn)行分戶計(jì)量。

分層計(jì)量：C 棟辦公樓為自用辦公為主，在樓層普通照明配電箱、樓層公共照明配電箱和樓層空調(diào)配電箱設(shè)置數(shù)字電表進(jìn)行分層計(jì)量。

分類分項(xiàng)計(jì)量監(jiān)測(cè)如下：

照明、插座系統(tǒng)電耗（照明和插座用電、走廊和應(yīng)急照明用電、室外景觀照明用電）。

空調(diào)系統(tǒng)電耗（空調(diào)機(jī)房用電、空調(diào)末端用電）。

動(dòng)力系統(tǒng)電耗（電梯用電、水泵用電、通風(fēng)機(jī)用電）。

特殊電耗（弱電機(jī)房、消防控制室、廚房餐廳等其他特殊用電）。

2.5.2水能耗計(jì)量監(jiān)測(cè)功能

水能耗計(jì)量監(jiān)測(cè)采用水表采集水能的數(shù)據(jù)，在需要計(jì)量收費(fèi)和監(jiān)測(cè)的區(qū)域設(shè)計(jì)安裝水表。

根據(jù)項(xiàng)目對(duì)水表計(jì)量收費(fèi)和監(jiān)測(cè)的要求，需要計(jì)量監(jiān)測(cè)的區(qū)域如下：

總用水量：在園區(qū)給水干管設(shè)置數(shù)字流量表計(jì)量。

餐廳廚房用水：在餐廳廚房給水管設(shè)置數(shù)字流量表計(jì)量。

洗手間用水：在樓層洗手間給水管設(shè)置數(shù)字流量表計(jì)量。

分戶計(jì)量：在 A 棟公寓、B 棟辦公樓裙樓商業(yè)和食堂等末端用戶設(shè)置數(shù)字流量表進(jìn)行分戶計(jì)量。

空調(diào)系統(tǒng)用水：在空調(diào)系統(tǒng)給水管設(shè)置數(shù)字流量表計(jì)量。

2.5.3空調(diào)能耗計(jì)量監(jiān)測(cè)功能

(1) 集中計(jì)量：供回水管上安裝能量表，計(jì)量使用的冷熱量

(2) 末端計(jì)量：每戶的風(fēng)機(jī)盤管安裝智能溫控器，計(jì)量風(fēng)機(jī)盤管使用的當(dāng)量時(shí)間

2.5.4能耗KPI功能

能耗KPI：本項(xiàng)目C棟辦公樓為業(yè)主自持，各個(gè)部門分樓層、分區(qū)域獨(dú)立辦公。能耗管理系統(tǒng)分析能耗情況，將能源消耗分?jǐn)偟礁鱾€(gè)部門、個(gè)人，實(shí)現(xiàn)能耗考核，促進(jìn)管理方面的主動(dòng)節(jié)能。

2.5.5節(jié)能管控功能

能耗管理系統(tǒng)可有效的監(jiān)控內(nèi)各個(gè)單位的能耗狀況，避免非正常上班時(shí)間的能耗浪費(fèi)，節(jié)約能源，給使用單位提供能源控制、管理方面的決策依據(jù)。

用戶可以制定能耗節(jié)約策略，例如當(dāng)空調(diào)的熱量消耗達(dá)到預(yù)設(shè)值后，通過(guò)樓宇自控接口，監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)盤管和B A設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，減小送風(fēng)量和提高或降低送風(fēng)/回風(fēng)溫度。當(dāng)設(shè)備終端的能源累積量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的值時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)盤管發(fā)送關(guān)機(jī)命令，并且關(guān)閉盤管的控制面板遠(yuǎn)程控制。

3 專業(yè)間配合

3.1 和電氣專業(yè)配合

智能化專業(yè)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前和電氣專業(yè)就避免能耗管理系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)的問(wèn)題進(jìn)行協(xié)商，明確由電氣專業(yè)根據(jù)物業(yè)管理要求設(shè)置帶遠(yuǎn)傳接口的數(shù)字化電表，由智能化專業(yè)負(fù)責(zé)電表的數(shù)據(jù)采集的布線和能耗管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保整個(gè)項(xiàng)目只有一套能耗管理系統(tǒng)和平臺(tái)。

3.2 和給排水專業(yè)配合

由給排水專業(yè)根據(jù)物業(yè)管理要求設(shè)置帶遠(yuǎn)傳接口的數(shù)字化流量表，由智能化專業(yè)負(fù)責(zé)流量表的數(shù)據(jù)采集的布線和能耗管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.3 和暖通專業(yè)配合

由暖通專業(yè)根據(jù)物業(yè)管理要求設(shè)置帶遠(yuǎn)傳接口的數(shù)字化空調(diào)能量表，由智能化專業(yè)負(fù)責(zé)空調(diào)能量表的數(shù)據(jù)采集的布線和能耗管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.4 和綠建專業(yè)配合

根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50378要求，綠建三星標(biāo)準(zhǔn)建筑應(yīng)滿足該標(biāo)準(zhǔn)的所有控制項(xiàng)要求，并且綠建總得分不低于80分。智能化專業(yè)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前和綠建專業(yè)就控制項(xiàng)和得分項(xiàng)進(jìn)行協(xié)商，由智能化專業(yè)設(shè)計(jì)能耗管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能需要滿足和能耗監(jiān)測(cè)、計(jì)量和節(jié)能措施等方面的控制項(xiàng)和得分項(xiàng)的要求，助力綠建三星標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

目前能耗管理系統(tǒng)組網(wǎng)以有線傳輸為主，具有穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，但也存在擴(kuò)展不便的缺點(diǎn)。由于能耗管理系統(tǒng)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的流量較小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求不高，延時(shí)要求也不高，采用無(wú)線傳輸不僅可以滿足能耗管理系統(tǒng)的組網(wǎng)需求，還具備擴(kuò)展靈活的優(yōu)勢(shì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G 通信的快速普及，利用無(wú)線傳輸會(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于能耗管理系統(tǒng)。

5 安科瑞Acrel-5000建筑能耗分析系統(tǒng)

Acrel-5000建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對(duì)水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過(guò)對(duì)用戶端所有能耗進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定實(shí)施能源計(jì)算，分析現(xiàn)狀，查找問(wèn)題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實(shí)可行的節(jié)能措施，并向縣級(jí)以上管理節(jié)能工作的部門報(bào)送能源計(jì)算報(bào)告。

6 應(yīng)用場(chǎng)所

適用于公共建筑、集團(tuán)公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測(cè)與管理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。

7 系統(tǒng)組網(wǎng)圖

8 系統(tǒng)功能

8.1系統(tǒng)概況

平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)月能耗折算、地圖導(dǎo)航，各能耗逐時(shí)、逐月曲線，當(dāng)日，當(dāng)月能耗同比分析滾動(dòng)顯示。

8.2 用能概況

對(duì)建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項(xiàng)等用能進(jìn)行對(duì)比，支持當(dāng)日逐時(shí)趨勢(shì)、當(dāng)月逐日趨勢(shì)曲線、分時(shí)段能耗統(tǒng)計(jì)對(duì)比、總能耗 同環(huán)比對(duì)比。

8.3 用能統(tǒng)計(jì)

對(duì)建筑、區(qū)域、分項(xiàng)、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報(bào)表的形式統(tǒng)計(jì)對(duì)分類能源用能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，支持報(bào)表數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行生成柱狀圖。

8.4 復(fù)費(fèi)率統(tǒng)計(jì)

復(fù)費(fèi)率報(bào)表按日、月、年統(tǒng)計(jì)對(duì)單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。

8.5 同比分析

對(duì)建筑、分項(xiàng)、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報(bào)表結(jié)合的方式進(jìn)行用能數(shù)據(jù)同比分析。

8.6 能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑自己設(shè)定時(shí)段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標(biāo)值查看。

8.7 夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對(duì)選擇支路分類能源在自己設(shè)定時(shí)段工作時(shí)間與非工作時(shí)間用能統(tǒng)計(jì)對(duì)比，支持導(dǎo)出報(bào)表。

8.8 設(shè)備管理

設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺(tái)賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運(yùn)行。

8.9 用戶報(bào)告

用戶報(bào)告針對(duì)選定的建筑自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各能源的月使用的同環(huán)比趨勢(shì)，并提供簡(jiǎn)單的能耗分析結(jié)果，針對(duì)用電提供單獨(dú)的復(fù)費(fèi)率用能分析，報(bào)告可編輯。

9 系統(tǒng)硬件配置

10 結(jié)論

總而言之，將大數(shù)據(jù)應(yīng)用到公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中能夠大大提高系統(tǒng)的工作效率．一方面，隨著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)開始被記錄下來(lái)，如何充分利用這些數(shù)據(jù)正是每一個(gè)從業(yè)人員都面臨的問(wèn)題；另一方面，將大數(shù)據(jù)引用到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，不僅能夠充分對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘利用，還能夠利用到外部數(shù)據(jù)來(lái)提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水平，從而建立起一個(gè)科學(xué)完備的公共建筑能耗監(jiān)測(cè)體系。

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