張永堅 賈魯峰 李然然

（山東建筑大學(xué)山東省智能建筑技術(shù)重點實驗室，濟南 250101）

公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用研究

張永堅 賈魯峰 李然然

（山東建筑大學(xué)山東省智能建筑技術(shù)重點實驗室，濟南 250101）

公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)是一個分布式網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)具有實施動態(tài)監(jiān)控特性。在實際應(yīng)用中，要求系統(tǒng)具有高效傳輸鏈路支持監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)才能對數(shù)據(jù)進行有效地分析和處理。因此，在系統(tǒng)規(guī)劃過程中，我們應(yīng)用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，實踐證明，采用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸性能。

公共建筑；建筑能耗監(jiān)測；數(shù)據(jù)鏈

1 前言

數(shù)據(jù)鏈，從概念上來說就是為了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)而把兩點連接起來的方法。具體來說，數(shù)據(jù)鏈包括兩部分：數(shù)據(jù)終端和由鏈路協(xié)議控制下存在于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)鏈路，以保證數(shù)據(jù)可以從信源傳輸?shù)叫潘?。?shù)據(jù)鏈的基本組成可以概括為三大要素：終端設(shè)備、傳輸設(shè)備和通信規(guī)范。廣義上的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)還包括與數(shù)據(jù)鏈相連接的信息提供者、使用者和管理者等要素。

公共建筑能耗監(jiān)測是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及建筑供電、標準計量、信息處理、計算機測控、網(wǎng)絡(luò)工程、系統(tǒng)集成等多個技術(shù)領(lǐng)域，通常采用系統(tǒng)集成的方法完成多種技術(shù)、多種軟硬件產(chǎn)品、多個子系統(tǒng)在統(tǒng)一技術(shù)標準下的綜合集成。建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)事實上是一個標準計量系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)質(zhì)量有較高的要求，但同時又是分布式的廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此，在進行系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計時必須考慮系統(tǒng)整體應(yīng)充分滿足建筑能耗標準計量的技術(shù)要求。特別是在同一行政區(qū)域內(nèi)，從數(shù)據(jù)中心到每一建筑物的能耗監(jiān)測子系統(tǒng)均應(yīng)執(zhí)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，也就是說在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)均應(yīng)有統(tǒng)一的技術(shù)要求，從而確保數(shù)據(jù)的準確性、有效性和可比性。這是因為能耗監(jiān)測信息將作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)被應(yīng)用到諸如建筑能耗審計、建筑節(jié)能技術(shù)改造等眾多領(lǐng)域中，因此，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)過程中引入數(shù)據(jù)鏈的理念，將大大有助于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的標準化、規(guī)范化，提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)質(zhì)量及各項技術(shù)指標。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)分析

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈框架

省級行政區(qū)域的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)是一個分布式信息網(wǎng)絡(luò)，主要由設(shè)立在各監(jiān)測建筑（建筑群或園區(qū)）內(nèi)的節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)、各城市數(shù)據(jù)中心、省級數(shù)據(jù)中心以及網(wǎng)絡(luò)通信與信息安全設(shè)施組成。見圖1。

建筑物能耗監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)立在被監(jiān)測建筑（建筑群或園區(qū)）內(nèi)，一般由能耗計量裝置、數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備構(gòu)成。大型公共建筑（建筑群或園區(qū)）應(yīng)增加系統(tǒng)管理服務(wù)器和建筑節(jié)能監(jiān)測控制室。建筑物節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)應(yīng)是能獨立運行的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遵循分散采集，集中管理的原則，在功能上由監(jiān)測層和管理層兩個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層組成。監(jiān)測層為工業(yè)總線結(jié)構(gòu)，負責(zé)能耗數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷；管理層為以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，負責(zé)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸以及本建筑物監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運行管理。

圖1 建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

城市數(shù)據(jù)中心應(yīng)能自動接收并存儲來自本轄區(qū)內(nèi)各建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)上報的節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)，按建筑節(jié)能監(jiān)管體系要求統(tǒng)計匯總本轄區(qū)內(nèi)建筑能耗各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，生成各類統(tǒng)計報表及分析報告，并將能耗信息定時自動上傳到省級數(shù)據(jù)中心。

省級數(shù)據(jù)中心負責(zé)接收和存儲各城市數(shù)據(jù)中心上傳的能耗監(jiān)測信息，對上傳能耗數(shù)據(jù)進行匯總和統(tǒng)計分析，生成全省建筑能耗統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)及相關(guān)報表，按建筑節(jié)能監(jiān)管體系的要求定時完成信息上報和信息發(fā)布。

網(wǎng)絡(luò)通信與信息安全設(shè)施應(yīng)保障節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心之間以及省、市數(shù)據(jù)中心之間的高效、自動連接與信息傳輸，應(yīng)采用有效、可靠、適用的軟、硬件設(shè)備保障信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全。在規(guī)劃設(shè)計中我們做出了以下規(guī)定：

針對數(shù)據(jù)采集器與子系統(tǒng)之間通信鏈路，制定了《建筑物節(jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)主站與數(shù)據(jù)采集器通訊技術(shù)要求》。為了保證建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中的身份認證安全、數(shù)據(jù)存儲安全以及數(shù)據(jù)傳輸安全，規(guī)避網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險，提高信息安全等級，初步建立了建筑節(jié)能證書認證系統(tǒng)，提出了《證書認證系統(tǒng)定義》文件。為保證建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，對?jié)能監(jiān)測子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心之間的通信鏈路采用虛擬專用網(wǎng)（VPN）技術(shù)進行加密，防止傳輸數(shù)據(jù)被竊聽及篡改。市級數(shù)據(jù)中心和省級數(shù)據(jù)中心之間數(shù)據(jù)通信應(yīng)首先進行身份認證，算法和密鑰的安全性符合要求；通信數(shù)據(jù)傳輸過程中使用數(shù)字證書加密或使用VPN隧道進行安全傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜋C密性；重要數(shù)據(jù)報文進行數(shù)字簽名。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈平臺設(shè)計要素

建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的集成設(shè)計主要應(yīng)側(cè)重以下幾方面的工作：數(shù)據(jù)中心設(shè)計、連接建筑物和數(shù)據(jù)中心之間的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計、建筑能耗監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計，由于系統(tǒng)承擔(dān)標準計量和數(shù)據(jù)統(tǒng)計任務(wù)，因此，在集成設(shè)計過程中應(yīng)重點關(guān)注建筑物——傳輸系統(tǒng)——數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)鏈路以及建筑物——建筑物之間的整體一致性。

省市兩級數(shù)據(jù)中心的設(shè)計應(yīng)當(dāng)由省級主管部門統(tǒng)一組織進行，這其中也包括通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計。特別是省市兩級數(shù)據(jù)中心所使用的信息管理系統(tǒng)軟件應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一組織開發(fā)、統(tǒng)一配發(fā)使用。這主要是因為省市兩級使用的信息管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)完整地體現(xiàn)全省建筑節(jié)能監(jiān)管體系框架，具有清晰的層次結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一的管理模式以及各層次之間高度的銜接性。如果分散開發(fā)且缺乏統(tǒng)一的技術(shù)協(xié)調(diào)，則難以形成層次結(jié)構(gòu)分明、管理模式統(tǒng)一、整體一致性高的信息管理系統(tǒng)。通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計則應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)接入方式，通信模式及其實時性、可靠性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院屯叫砸约熬W(wǎng)絡(luò)安全等因素。建筑物對數(shù)據(jù)中心傳輸數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)中心之間傳輸數(shù)據(jù)一般是每小時一次，且是整點傳輸，這有助于全?。ㄊ校┍O(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)同步。

設(shè)在建筑物內(nèi)的能耗監(jiān)測子系統(tǒng)集成設(shè)計是一個復(fù)雜的標準化過程，從每一單體子系統(tǒng)開始，到城市中所有被監(jiān)測建筑子系統(tǒng)的集合均遵守統(tǒng)一的設(shè)計和集成標準，每個子系統(tǒng)的功能、性能、質(zhì)量都應(yīng)是相同的、具有高度的整體一致性，如同產(chǎn)品的設(shè)計與制造一樣，不因設(shè)計和集成商的不同、或生產(chǎn)（建造）時間的不同而造成功能和性能上的不同。

3 數(shù)據(jù)定義與處理

3.1 能耗數(shù)據(jù)定義

建筑能耗一般分為6大類，分別是用電量、用水量、燃氣量（天然氣量或煤氣量）、集中供熱耗熱量、集中供冷耗冷量、其它能源應(yīng)用量：如集中熱水供應(yīng)量、煤、油、可再生能源等。目前通常對用電量和集中供熱耗熱量進行計量監(jiān)測。用電量分為4個分項，包括照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊用電。電量的4個分項是必分項，各分項可根據(jù)建筑用能系統(tǒng)的實際情況靈活細分為一級子項和二級子項，作為選分項。其它分類能耗不再分項。建筑總電耗就是建筑物所有用電設(shè)備在低壓側(cè)消耗的總電量。

照明插座用電是指建筑物主要功能區(qū)域的照明、插座等室內(nèi)設(shè)備用電的總稱。照明插座用電包括普通室內(nèi)照明、辦公設(shè)備插座用電、走廊和應(yīng)急照明用電、室外景觀照明用電，共4個子項。

空調(diào)用電是為建筑物提供空調(diào)、采暖服務(wù)的設(shè)備用電的統(tǒng)稱?？照{(diào)用電包括冷熱站用電、空調(diào)末端用電，共2個子項。

動力用電是集中提供各種動力服務(wù)（包括電梯、非空調(diào)區(qū)域通風(fēng)、生活熱水、自來水加壓、排污等）的設(shè)備（不包括空調(diào)采暖系統(tǒng)設(shè)備）用電的統(tǒng)稱。動力用電包括電梯用電、水泵用電、通風(fēng)機用電，共3個子項。

特殊區(qū)域用電是指不屬于建筑物常規(guī)功能的用電設(shè)備的耗電量，特殊用電的特點是能耗密度高、占總電耗比重大的用電區(qū)域及設(shè)備。特殊用電包括信息中心、洗衣房、廚房餐廳、游泳池、健身房、基本不耗能設(shè)備以及非本建筑用電或其它特殊用電。

在計量表具接入以及系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計過程中都要嚴格遵守數(shù)據(jù)分類、分項定義原則。

3.2 能耗數(shù)據(jù)處理

建筑能耗數(shù)據(jù)處理主要有建筑總能耗、建筑總用電量、單位面積用電數(shù)據(jù)、分項用電能耗數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)有效性驗證、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等內(nèi)容。其中：

建筑總能耗是建筑各分類能耗（除水耗量外）所折算標準煤量之和，即：建筑總能耗＝總用電量折算標準煤量＋總?cè)細饬浚ㄌ烊粴饬炕蛎簹饬浚┱鬯銟藴拭毫浚泄岷臒崃空鬯銟藴拭毫浚泄├浜睦淞空鬯銟藴拭毫浚ㄖ牡钠渌茉磻?yīng)用量折算標準煤量。

建筑總用電量是指建筑物的四個電量分項能耗之和，即：建筑總用電量＝照明插座用電＋空調(diào)用電＋動力用電＋特殊用電。建筑物各種用電必須沒有遺漏地納入四個電量分項中。

分項用電能耗數(shù)據(jù)計算提出了基本計算原則：一是各分項用能耗增量應(yīng)根據(jù)各計量裝置的原始數(shù)據(jù)增量進行數(shù)學(xué)計算，同時計算得出分項能耗日結(jié)數(shù)據(jù)，分項能耗日結(jié)數(shù)據(jù)是某一分項能耗在一天內(nèi)的增量和當(dāng)天采集間隔時間內(nèi)的最大值、最小值、平均值；根據(jù)分項能耗的日結(jié)數(shù)據(jù)，進而計算出逐月、逐年分項能耗數(shù)據(jù)及其最大值、最小值與平均值。二是當(dāng)電表有功電能出現(xiàn)滿刻度跳轉(zhuǎn)時，必須在采集數(shù)上增加電表的最大輸出數(shù)，保證計算處理結(jié)果的正確性。

在能耗監(jiān)測系統(tǒng)的各級各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件設(shè)計中，以上數(shù)據(jù)處理方法作為基本算法和統(tǒng)計原則應(yīng)嚴格遵守，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量、有效性和可比性。

4 數(shù)據(jù)編碼規(guī)則

為保證能耗數(shù)據(jù)可進行計算機或人工識別和處理，保證數(shù)據(jù)得到有效傳輸和管理，支持高效率的查詢服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)組織、存儲及交換的一致性，建設(shè)部在《技術(shù)導(dǎo)則》專門發(fā)布了能耗監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)編碼規(guī)則。數(shù)據(jù)編碼分為能耗數(shù)據(jù)編碼和能耗數(shù)據(jù)采集點識別編碼。

能耗數(shù)據(jù)編碼為細則層次代碼結(jié)構(gòu)，主要按7類細則進行編碼，包括：行政區(qū)劃代碼編碼、建筑類別編碼、建筑識別編碼、分類能耗指編碼、分項能耗編碼、分項能耗一級子項編碼、分項能耗二級子項編碼。編碼后能耗數(shù)據(jù)由15位代碼組成。見表1。

能耗數(shù)據(jù)采集點識別編碼為細則層次代碼結(jié)構(gòu)，主要按5類細則進行編碼包括：行政區(qū)劃代碼編碼、建筑類別編碼、建筑識別編碼、數(shù)據(jù)采集器識別編碼和數(shù)據(jù)采集點識別編碼。能耗數(shù)據(jù)采集點識別編碼由16位代碼組成。見表2。

表1 能耗數(shù)據(jù)編碼規(guī)則

表2 能耗數(shù)據(jù)采集點識別編碼

顯然，按照以上編碼，系統(tǒng)能夠準確、唯一地識別監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的建筑物及其能耗分類、分項、數(shù)據(jù)采集器、采集點等定位信息，并且通過分項能耗的子項劃分，直接識別到建筑設(shè)備及回路能耗。

5 結(jié)論

綜上所述，在國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和系統(tǒng)集成過程中，數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)是十分重要的。在系統(tǒng)規(guī)劃之初，就要從基本框架和管理體系上完成數(shù)據(jù)鏈基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，建設(shè)行政主管部門應(yīng)考慮對系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品實施認證和準入機制，同時加強對系統(tǒng)設(shè)計方案的審查和系統(tǒng)建成后的驗收及運行管理。在數(shù)據(jù)鏈建設(shè)過程中，既要注意系統(tǒng)標準化設(shè)計，又要注重產(chǎn)品的標準化選型，特別是軟件的標準化和專用化設(shè)計。從各個環(huán)節(jié)保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)質(zhì)量。

［1］建設(shè)部.國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則［M］.2008.

［2］建設(shè)部.國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導(dǎo)則［M］.2008.

［3］清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：174-182.

Research and Application on Data Link of Building Energy Consumption Monitoring System

Zhang Yongjian，Jia Lufeng，Li Ranran
（Shandong JianzhuUniversity，Shandong Provincial Key Laboratory of Intelligent Buildings Technology，Jinan 250101，China）

Public building energy consumption monitoring system is a distributed networks which has a realtime dynamic monitoring feature.In practical applications，the system should have highly efficient transport links to support monitoring data transmission.On this basis，the system can effectively analyze and deal with data processing.Therefore，we applyed the data link technology for improving the design of data transmission subsystem.Practice proves that the data link technology may help much in improving the transmitting property of the system.

Public Buildings；Building Energy Consumption Monitoring；Data Link

TP274＋.2

A

1674－7461（2010）04－0001－04

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部項目（2010-K9-53），山東省國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測信息管理系統(tǒng)研制

張永堅（1956－），男，教授。主要研究領(lǐng)域：建筑智能化系統(tǒng)，建筑節(jié)能監(jiān)測與節(jié)能控制。