安科瑞 耿敏花

摘要：針對目前國內高耗能建筑缺少有效的能源監測系統的現狀，提出一種基于物聯網技術的可視化建筑能耗和環境監測系統方案，給出了平臺結構，并詳細介紹了平臺的配置和系統的特點。

關鍵詞：建筑能耗；環境監測；節能；物聯網

0.引言

隨著我國城市化進程的加速，預計到2020年，全國城市生活人口將達到56%以上，第三產業占GDP的比例有可能超過45%。[1]相應的建筑物和設施也將成倍增加，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。隨著能耗問題日益突顯，如何實現能耗管理和能源成本小化成為中國的首要任務。準煤高出7倍。北京16家旅館中，能耗大的旅館能耗費是能耗小的旅館能耗費的將近3倍。北京全市的賓館、飯店、商廈、寫字樓等大型公共建筑面積僅占民用建筑的5.4%，但全年耗電量卻高達33億kW·h，接近全市居民生活。

1.建筑能耗分析

目前，建筑耗能已與工業耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的三大“耗能大戶"。現在我國每年新建房屋20億m2中，99%以上是高能耗建筑；而既有的約430億m2建筑中，只有4%采取了能源效率措施，單位建筑面積采暖能耗為發達國家新建建筑的3倍以上。根據測算，如果不采取有力措施，到2020年中國建筑能耗將是現在的3倍以上。

在我國的能源消費中，建筑能耗占了很大的比例，據統計，建筑能耗在我國能源總消費中所占的比例已經達到27．6％，發達國家的建筑能耗一般占全國總能耗的30～40％。[2]在建筑能耗中，國家機關辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問題日益突出。據統計，國家機關辦公建筑和大型公共建筑單位面積年耗電量達到70～300kW·h，為普通居民住宅的10～20倍，占全國城鎮總耗電量的22%。以北京為例，[3]據調查，北京政府機構能源消費中，單位建筑面積年耗電量約為80～150kW·h，是居民住宅的4～8倍；行政機關年人均用能3.35t標準煤，比全市人均生活用能0.47t標用電的50%，單位面積年均耗電量是普通住宅的5～10倍。

這類建筑普遍缺乏細致的用能計量，已有的數據無法滿足能耗分析需求、無法及時準確的發現用能問題。為了更好地開展大型公共建筑節能工作，我們做了詳細掌握建筑的各種能耗，并通過對這些能耗和建筑環境情況進行分析來發現建筑用能所存在的問題，為以后的節能管理和節能改造提供依據，而建筑能耗與環境監測管理系統在這個過程中則起了舉足輕重的作用。

2.系統概述

基于物聯網技術的建筑能耗與環境監測系統圍繞建筑能耗中的電、水、氣、熱耗、冷耗5類能源系統進行監測，結合建筑內部的環境監測系統對能耗數據進行分析。在實現技術上采用現場總線（modbus）儀表實現5類能源系統的數據采集，采用基于泛在無線傳感網(UNIT)的探測器實現環境參數監測，采用工業數據庫與組態軟件實現采集數據的匯總和分析。系統結構如圖1。

該系統包含了能耗監測和環境監測兩個部分。其中能耗監測按照能源類別分類分項進行監測、統計和數據分析，分類為：電量、水量、氣量、熱耗量、冷耗量5類；其中電量分兩級分項進行監測，電量①級分項：照明插座用電、空調用電、動力用電和特殊用電4個分項，電量②級分項：照明插座用電包括房間照明用電、插座用電、走廊用電、應急照明用電和室外景觀照明用電5個②級分項，空調用電包括冷熱站用電和空調末端用電2個②級分項，動力用電包括電梯用電、水泵用和通風機用電3個②級分項，特殊用電包括信息房、洗衣房、廚房、餐廳、游泳池、健身房6個②級分項，其它分類能耗不做分項監測。環境監測部分分為：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測等。

2.1系統平臺構建

通本系統是以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，為大型公共建筑的實時數據采集、開關狀態監測及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測、控制設備構成任意復雜的監控系統。該系統主要采用分層分布式計算機網絡結構，一般分為三層：站控管理層、網絡通訊層和現場設備層。

2.1.1站控管理層

站控管理層針對能耗監測系統的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統的上層部分。主要由系統軟件和必要的硬件設備，如工業級計算機、打印機、UPS電源等組成。監測系統軟件具有良好的人機交互界面，對采集的現場各類數據信息計算、分析與處理，并以圖形、數顯、聲音等方式反映現場的運行狀況。

監控主機：用于數據采集、處理和數據轉發。為系統內或外部提供數據接口，進行系統管理、維護和分析工作。

打印機：系統召喚打印或自動打印圖形、報表等。模擬屏：系統通過通訊方式與智能模擬屏進行數據交換，形象顯示整個系統運行狀況。

UPS：保證計算機監測系統的正常供電，在整個系統發生供電問題時，保證站控管理層設備的正常運行。

2.1.2網絡通訊層

通訊層主要是由通訊管理機、以太網設備及總線網絡組成。該層是數據信息交換的橋梁，負責對現場設備回送的數據信息進行采集、分類和傳送等工作的同時，轉達上位機對現場設備的各種控制命令。

通訊管理機：是系統數據處理和智能通訊管理房。它具備了數據采集與處理、通訊控制器、前置機等功能。

以太網設備：包括工業級以太網交換機。

通訊介質：系統主要采用屏蔽雙絞線、光纖以及無線通訊等。

2.1.3現場設備層

現場設備層是數據采集終端，主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現場總線連接的分布式I/O控制器構成數據采集終端，向數據房上傳存儲的建筑能耗數據。測量儀表擔負著基層的數據采集任務，其監測的能耗數據完整、準確并實時傳送至數據房。

2.2系統主要部件技術性能指標

2.2.1數據采集器

采用數據采集器，實現對電、水、氣、熱耗、冷耗量的數據采集。支持對多種類型用能計量裝置的數據采集，包括電能表（含單相電能表、三相電能表、多功能電能表）、電力監測儀、電量計測模塊，水表、燃氣表、冷熱量計、流量計等。

2.2.2電量采集系統

配置方案：通過1個三相總電量表監測建筑總能耗，通過4個分項電量表監測照明插座用電、空調用電、動力用電和特殊用電4個①級分項電量。通過16個分項電量表監測16項的二級分項電量。所有電表均為通過Modbus協議傳送電量數據到采集器，采集器通過局域網上傳到監控主機上并

在監控軟件上進行數據處理和分析，監測到的各種數據通過互聯網與數據房和上級調度相連，從而實現數據的共享和能耗的合理調配。

電量監測指標主要有電流、電壓、頻率、視在頻率、有功功率、無功功率、功率因數及電能等。

2.2.3用水量采集系統

配置方案：通過一個具有Modbus協議的水表實現對建筑用水總量的監測，實現對建筑日、月、年用水量的監測和分析。

2.2.4用氣量采集系統

配置方案：通過一個具有Modbus協議的氣表實現對建筑用氣總量的監測，實現對建筑日、月、年用氣量的監測和分析。

2.2.5制熱量采集系統

配置方案：通過一個具有Modbus協議的熱量表實現對建筑用熱量總耗的監測，實現對建筑日、月、年用熱量的監測和分析。

2.2.6制冷量采集系統

配置方案：通過一個具有Modbus協議的冷量表實現對建筑用冷量總耗的監測，實現對建筑日、月、年用冷量的監測和分析。

2.2.7環境監測系統

配置方案：基于物聯網技術，通過基于無線自組織傳感網的環境探測器實現建筑室內環境的參數監測，檢測的環境參數有：溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測等。環境探測器通過無線傳感網網關將數據上傳到數據房，數據房集合環境參數實現對能耗系統的分析。

2.2.8數據房和監控系統

數據房和監控系統采用工業數據庫和組態軟件進行實現，它可實現參數列表、實時曲線圖、數據棒圖、實時數據、折算數據、累計數據、歷史、報警畫面、數據報表等多種統計和分析功能。

3.系統特點

該項目針對現代建筑能耗和環境監測系統監測點數量大、較密集、布線復雜的特點，提出了一種基于物聯網技術的可視化建筑能耗與環境監測系統解決方案，通過構建基于無線傳感網的物聯網網絡系統和開發具有能耗管理與節能策略分析功能的軟件平臺，實現建筑能耗與室內環境的可視化監測與管理。該系統的優勢在于：

.       基于物聯網技術對建筑能耗和建筑環境系統進行統一監測，并根據建筑環境對建筑能耗狀態進行分析，得出耗能系統的綜合評價，實施能源的優化配置。

.       監測系統的傳感層采用無線傳感技術組建無線傳感網絡，可大大減少布線工作或無需布線，可不對現有耗能設備作任何改造，工程安裝和維修簡單方便。減少建立建筑能耗及環境監測系統所帶來的施工量以及綜合布線對環境的影響，減少投資和工期，特別適用于既有建筑和設施。

.       系統采用模塊化結構，構架簡單，擴展功能強，可方便地滿足用戶未來需求。內網組網靈活，可隨時增加或減少傳感節點系統易于維護，任意節點的故障不會影響系統工作。

.       使用智能終端可通過GPRS或互聯網實現遠程管理和監測。同時具有本地數據存儲功能，確保數據完整性。

.       建筑能耗和環境監測實現可視化管理，自動生成能耗分析報告，能耗報表自動打印，操作管理便捷。

該系統將建筑能耗監測與建筑環境監測有效的結合起來，實現能源優化配置；無線組網方式和模塊化結構架構簡單，組網便捷，便于建設和改建；可視化的界面為維護管理人員提供了更為便捷的操作管理模式，易于推廣，是一種建設綠色節能建筑的有效方法。該項目的應用可使建筑中能源使用效率大大提高，有效緩解目前能源緊張的壓力，具有廣闊的市場前景和良好的經濟效益，對緩解國家能源緊缺狀況，實現節能和減排溫室氣體規劃目標，促進國民經濟可持續發展具有重要而深遠的意義。

4.安科瑞建筑能耗分析系統

4.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系統是用戶端能源管理分析系統，在電能管理系統的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統計，以直觀的數據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，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節約能源，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶可按照國家有關規定實施能源計算，分析現狀，查找問題，挖掘節能潛力，提出切實可行的節能措施，并向縣級以上管理節能工作的部門報送能源計算報告。

4.2應用場所

適用于公共建筑、集團公司、工業園區、大型物業、學校、醫院、企業等不同行業的能耗監測與管理的系統設計、施工和運行維護。

4.3系統功能

4.3.1系統概況

平臺運行狀態，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時、逐月曲線，當日，當月能耗同比分析滾動顯示。

4.3.2用能概況

對建筑、部門、區域、支路、分類分項等用能進行對比，支持當日逐時趨勢、當月逐日趨勢曲線、分時段能耗統計對比、總能耗同環比對比。

4.3.3用能統計

對建筑、區域、分項、支路等結構按日、月、年報表的形式統計對分類能源用能進行統計，支持報表數據導出EXCEL，支持選擇建筑數據進行生成柱狀圖。

4.3.4復費率統計

復費率報表按日、月、年統計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析。支持數據導出到EXCEL。

4.3.5同比分析

對建筑、分項、區域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結合的方式進行用能數據同比分析。

4.3.6能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑時段內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值查看。

4.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在時段工作時間與非工作時間用能統計對比，支持導出報表。

4.3.8設備管理

設備管理包括，設備類型、設備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設備，確保設備的運行。

4.3.9用戶報告

用戶報告針對選定的建筑自動統計各能源的月使用的同環比趨勢，并提供簡單的能耗分析結果，針對用電提供單獨的復費率用能分析，報告可編輯。

5.系統硬件配置

參考文獻

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[2]李國勇．智能控制及其Matlab實現[M]．北京:電子工業出版社,2005.

[3]賈正源，牛曉東．電力負荷預測的遺傳神經網絡模型研究[J]．運籌與管理，2000，9（2）.

[4]周巧儀，崔富義，謝路建.筑能耗與環境監測管理系統的研究[J].

[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.