文｜南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 楊 毅 苗升伍

1 引言

我國隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展和環(huán)境、資源壓力的增大，對節(jié)能減排的需求越來越迫切。據(jù)統(tǒng)計，我國有近30%的能源消耗在建筑物上。做好建筑，尤其是大型建筑的節(jié)能管理工作，不僅直接關(guān)系到“十二五”單位GDP能耗降低20%的節(jié)能戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)，而且對整個節(jié)能減排工作有著強有力的示范作用。

目前建筑節(jié)能大多從兩方面入手，一方面是建筑設(shè)計，另一方面是建筑智能化系統(tǒng)。建筑設(shè)計與節(jié)能相關(guān)的內(nèi)容涉及建筑物的整體結(jié)構(gòu)、建筑物的圍護結(jié)構(gòu)以及室內(nèi)環(huán)境的舒適性。建筑智能化系統(tǒng)與節(jié)能相關(guān)的子系統(tǒng)包括建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)、BA控制系統(tǒng)、空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)、電能量管理系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)。這些建筑智能化子系統(tǒng)都是針對建筑能耗中的單一環(huán)節(jié)進行評估的，并沒有把整個建筑物的能耗作為一個有機整體進行分析和優(yōu)化的系統(tǒng)方案和技術(shù)實現(xiàn)。智能建筑能源管理系統(tǒng)利用最新的數(shù)據(jù)處理與通信技術(shù)，對建筑內(nèi)的智能化子系統(tǒng)進行集成與整合，形成高品質(zhì)的全景數(shù)據(jù)庫，并以此為依據(jù)建立客觀能源消耗評價體系，及時了解真實的能耗情況和提出節(jié)能降耗的技術(shù)、管理措施，協(xié)助管理者制訂新的用能模式和考核辦法，實現(xiàn)建筑節(jié)能降耗的目的；同時在數(shù)據(jù)不斷積累的過程中，為用戶發(fā)現(xiàn)更多的節(jié)能機會，為后期的調(diào)整與改擴建提供更優(yōu)化的能源供應(yīng)與管理方案。

2 現(xiàn)狀分析

（1）中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍制冷系統(tǒng)的能耗大約有15%～20%是消耗于冷凍水的循環(huán)輸配中，這主要是因為冷源水回路與負(fù)荷水分配回路的水量在部分負(fù)荷回路中存在供需矛盾，包括二次回路負(fù)荷之和大于機組制冷負(fù)荷，以及冷源側(cè)供水量變化階梯性與負(fù)荷側(cè)需求量動態(tài)變化不協(xié)調(diào)性的矛盾。

（2）電梯、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備、照明設(shè)備等給建筑的電網(wǎng)帶來大量的諧波，導(dǎo)致出現(xiàn)電網(wǎng)電壓波動、閃變等不安全因素。

（3）智能建筑用電設(shè)備多，負(fù)荷（包括消防與平時兼用負(fù)荷）比一般民用建筑大得多；沒有進行分項計量，各種設(shè)備的用電量混合在一起，不能分別顯示照明用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊用電等的全年能耗。

（4）目前智能建筑大多擁有較完整的變/配電系統(tǒng)、智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、BA系統(tǒng)等，但是仍存在許多問題：

◆ 各個系統(tǒng)運行/操作方式復(fù)雜、設(shè)備種類繁多、效率不高，且相互獨立，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺——值班人員無法知曉各個子系統(tǒng)的具體運行情況，容易造成不必要的能源浪費；對突發(fā)的緊急狀況，不能快速處理與解決，容易造成設(shè)備損壞，影響正常供電；管理方的很多好的管理想法無法落實，復(fù)雜的比較分析功能無法實現(xiàn)，經(jīng)驗數(shù)據(jù)無法積累，無法做到能源的精細(xì)化管理；

◆ 網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)面對各種威脅不具有足夠的抗攻擊能力，系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性低；

◆ 系統(tǒng)專業(yè)化，沒有適合大廈的相關(guān)管理功能；

◆ 系統(tǒng)人機界面不夠友好、操作不夠人性化，難以提高操作效率。

3 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

能源管理系統(tǒng)由間隔層、通信層、站控層三部分組成。

間隔層即指現(xiàn)場監(jiān)控層，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和就地顯示功能等。采集設(shè)備分為電量采集設(shè)備和非電量采集設(shè)備兩大類。電量采集主要通過網(wǎng)絡(luò)電力儀表進行，非電量采集主要通過智能水表、智能燃?xì)獗磉M行。采集設(shè)備通過通信接口上傳數(shù)據(jù)到通信層。

通信層是系統(tǒng)信息交換的橋梁，使系統(tǒng)能適應(yīng)不同的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由數(shù)據(jù)采集器、以太網(wǎng)交換機、通信介質(zhì)等組成。通信層實現(xiàn)與間隔層各種智能設(shè)備的通信，收集各智能設(shè)備的信息；同時實現(xiàn)與站控層設(shè)備通信、向上級能源管理等系統(tǒng)上傳各設(shè)備的信息等功能。

站控層負(fù)責(zé)完成對整個能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和監(jiān)視功能，協(xié)助建筑管理人員對大樓能源的供應(yīng)與使用，進行全面的監(jiān)控與管理，對各項能耗實行精細(xì)化分析，搭建能源使用節(jié)約化模型并進行效果預(yù)測等。

4 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

能源管理系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

（1）間隔層設(shè)備主要包括安裝于0.4kV低壓配電柜的網(wǎng)絡(luò)電力儀表、水表適配器、燃?xì)獗?、空調(diào)節(jié)能及計費終端、智能照明控制模塊等。建筑內(nèi)各區(qū)域的電源直接由各區(qū)域變電所內(nèi)的0.4kV低壓配電柜提供。為了保證各精密儀器的高品質(zhì)用電，提高建筑運行管理水平，可考慮配置多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表完成對低壓系統(tǒng)動力、照明、插座、空調(diào)等部分的實時監(jiān)控功能。網(wǎng)絡(luò)電力儀表需具有豐富的電量測量功能，如電壓、電流、功率、電度測量等，能進行需量統(tǒng)計、越限告警等多種數(shù)據(jù)統(tǒng)計和告警，還具備定時自動抄表以及上次清零后累計電能功能，方便實現(xiàn)大樓的電能統(tǒng)計管理，為未來實現(xiàn)節(jié)能減排提供完整的實時數(shù)據(jù)。此外，各網(wǎng)絡(luò)電力儀表還可選配斷路器位置采集開入功能以及斷路器遙控輸出功能，使工作人員能在后臺監(jiān)控電腦上輕松完成對現(xiàn)場0.4kV系統(tǒng)運行方式的全面監(jiān)視與控制。水表及燃?xì)獗硇鑾S485通信接口，方便各分站監(jiān)控屏的數(shù)據(jù)采集及上傳。空調(diào)控制模塊通過與能源管理系統(tǒng)通信，實現(xiàn)與其的控制指令和采樣數(shù)據(jù)交互?；贙NX/EIB的環(huán)境控制終端和傳感設(shè)備完成環(huán)境參數(shù)的采樣以及通斷、調(diào)光等控制。

圖1 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

（2）通信層對于分類分項數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)采集器進行采集與傳輸，對普通數(shù)據(jù)采用通信管理機進行采集與傳輸。智能控制模塊各總線元件通過KNX總線組網(wǎng)；中央控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接到總線上的IP網(wǎng)關(guān)，與KNX總線系統(tǒng)進行通信，并通過Falcon（RS232、USB、EIBnet/IP）將信息匯總到能源管理平臺。

（3）能源管理系統(tǒng)對建筑內(nèi)使用的能源（水、電、氣、暖等）的數(shù)據(jù)進行綜合管理、分析并提供具體的節(jié)能措施，實現(xiàn)“數(shù)字化”的能源輸配及平衡，避免出現(xiàn)不必要的浪費，使能源的計劃投入和實際使用相平衡，做到少投入多產(chǎn)出；同時，根據(jù)現(xiàn)場運行情況，對運行狀態(tài)進行跟蹤，分析運行能耗數(shù)據(jù)，尋找最佳工況點，深度挖掘節(jié)能空間，提供最合理、最節(jié)能的運行策略。

5 能源管理系統(tǒng)功能實現(xiàn)

能源管理系統(tǒng)根據(jù)BA系統(tǒng)、中央空調(diào)管理系統(tǒng)以及智能照明等系統(tǒng)提供的運行策略，對能耗數(shù)據(jù)進行分析處理，依托能源管理平臺，建立數(shù)據(jù)模型；在這些系統(tǒng)運行過程中尋找其最佳運行效率，并對其長時間的運行策略進行分析預(yù)測，以期實現(xiàn)最佳運行效果，進一步實現(xiàn)節(jié)能。能源管理系統(tǒng)應(yīng)用層的主要功能包括完善的能耗監(jiān)測、中央空調(diào)節(jié)能控制、設(shè)備臺賬管理、設(shè)備性能評價、能源成本分析、數(shù)據(jù)共享與集成。

（1）完善的能耗監(jiān)測

建筑能耗包括電、水以及空調(diào)熱/冷量，其中水和空調(diào)熱/冷量通常按區(qū)域進行能量計量，而電則劃分為不同的分項、子項，如照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊區(qū)域用電進行計量。

①照明插座用電

照明插座用電是建筑物主要功能區(qū)域的照明、插座等室內(nèi)設(shè)備用電的總稱。照明插座用電包括照明和插座用電、走廊和應(yīng)急照明用電兩個子項。前者指建筑物主要功能區(qū)域的照明燈具和使用插座的室內(nèi)設(shè)備，如計算機等辦公設(shè)備的用電；后者指建筑物公共區(qū)域的燈具，如走廊、衛(wèi)生間等的公共照明設(shè)備的用電。

②空調(diào)用電

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，包括冷熱站用電、空調(diào)末端用電兩個子項。冷熱站主要包括冷水機組、冷凍泵（一次冷凍泵、二次冷凍泵、冷凍水加壓泵等）、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機等和冬季采暖循環(huán)泵（即采暖系統(tǒng)中輸配熱量的水泵。對于采用外部熱源、通過板換供熱的建筑，僅包括板換二次泵；對于采用自備鍋爐的建筑，包括一、二次泵）?？照{(diào)末端主要包括全空氣機組、新風(fēng)機組、空調(diào)區(qū)域的排風(fēng)機組、風(fēng)機盤管和分體式空調(diào)器等。

③動力用電

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)機用電三個子項。

④特殊區(qū)域用電

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，包括信息中心、洗衣房、廚房、餐廳、食堂和其他特殊用電，特點是能耗密度高、所涉用電區(qū)域及設(shè)備的電耗在總電耗中占的比重大。

特殊區(qū)域用電的計量需采用專用數(shù)據(jù)采集器，通過計算機網(wǎng)絡(luò)，將能耗數(shù)據(jù)送往能源管理系統(tǒng)。

（2）中央空調(diào)節(jié)能控制

中央空調(diào)水系統(tǒng)由冷凍水泵、冷卻水泵、制冷主機、冷卻塔等環(huán)節(jié)構(gòu)成，能耗較大。常見、傳統(tǒng)的節(jié)能方式是通過對水泵進行簡單的變頻實現(xiàn)水泵的節(jié)能。但是，在整個系統(tǒng)中，水泵的能耗通常只占到總能耗的1/4～1/3，因此僅實現(xiàn)水泵的變頻節(jié)能，其節(jié)能量有限；而尤其值得注意的是，組成中央空調(diào)水系統(tǒng)的各部分是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，如果單獨考慮水泵的變頻，會產(chǎn)生由于流量的變化造成主機側(cè)外圍溫度場發(fā)生變化，可能進而引起主機運行工作點漂移，導(dǎo)致主機能耗增加的結(jié)果，也就是通常所說的“水泵節(jié)能，主機耗能”的情況。因此僅進行水泵側(cè)的節(jié)能，其節(jié)能是局部的、有限的，且會對系統(tǒng)的總體節(jié)能帶來不利影響。能源管理系統(tǒng)以整個中央空調(diào)水系統(tǒng)作為整體控制對象，在充分利用變頻技術(shù)節(jié)能的同時，全面考慮主機的效率，使冷凍水和冷卻水循環(huán)流量向著主機效率提高的方向改變，最終實現(xiàn)末端單位負(fù)荷的輸出系統(tǒng)能耗（包括主機的耗電量、各種水泵風(fēng)機的耗電量）最小。

（3）設(shè)備臺賬管理

設(shè)備臺賬管理不僅包括耗能設(shè)備基本信息的管理，還包括檢測區(qū)域內(nèi)所有建筑及耗能區(qū)域信息的管理。

①設(shè)備臺賬管理涉及的信息數(shù)據(jù)包括：

◆ 建筑基本信息，應(yīng)包括建筑名稱、建設(shè)年代、建筑高度和層數(shù)、建筑功能、建筑總面積、空調(diào)面積、采暖面積、建筑空調(diào)系統(tǒng)形式、建筑采暖形式、建筑體型系數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)形式、建筑外墻形式、建筑外墻保溫形式、建筑外墻類型、建筑玻璃類型、窗框材料類型、經(jīng)濟指標(biāo)（電價、水價、氣價、熱價）、節(jié)能改造時間等信息（根據(jù)江蘇省《公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》的要求）；

◆ 耗能區(qū)域信息，包括區(qū)域名稱、區(qū)域功能、區(qū)域包含范圍（建筑、樓層、房間或位置）等信息；

◆ 設(shè)備信息（即設(shè)備臺賬），包括設(shè)備編號、設(shè)備銘牌信息、投運時間、使用壽命、歷次檢修記錄、更換記錄、檢修期內(nèi)的平均能耗和總能耗、安裝位置（建筑、樓層、房間或位置）等信息。

②設(shè)備臺賬管理的主要功能包括：

◆ 實現(xiàn)設(shè)備信息的錄入、檢索和對比；

◆ 自動記錄設(shè)備的平均能耗和總能耗；

◆ 提供設(shè)備檢修情況記錄；

◆ 自動進行設(shè)備檢修時間和設(shè)備壽命的提醒；

◆ 提供靈活的耗能區(qū)域的定義。

（4）設(shè)備性能評價

設(shè)備性能評價主要是針對暖通系統(tǒng)設(shè)備進行能效指標(biāo)的分析，其主要功能是：

◆ 計算耗能設(shè)備的能效比；

◆ 計算中央空調(diào)的全年平均能效比；

◆ 計算中央空調(diào)的配置裕量系數(shù)；

◆ 計算耗能設(shè)備的壽命周期成本率；

◆ 對耗能設(shè)備進行評分或評級；

◆ 提供同類耗能設(shè)備能效比的對比分析；

◆ 提供同一耗能設(shè)備不同時間能效比的對比分析；

◆ 輸入新設(shè)備的額定功耗、投資成本、使用壽命等數(shù)據(jù)，計算該設(shè)備的壽命周期成本率。

設(shè)備的壽命周期成本率按如下方式計算：

壽命周期成本率＝（投資成本+壽命年限總運行費用）/總壽命年限

式中，投資成本包括設(shè)備成本、安裝費用、機房所占的建設(shè)費用，單位為元；壽命年限總運行費用包括壽命周期內(nèi)的運行電費、維護人工費、維護材料費和機房場地費。

（5）能源成本分析

能源成本分析有五項主要功能。

①支持對一段時間（日、月、年）內(nèi)各建筑的能耗進行占比分析和排名分析，具體包括：

◆ 將建筑中的各種能耗換算成標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量，進行占比計算和排名分析；

◆ 在分析結(jié)果中顯示建筑能耗總量、單位建筑面積能耗量、各種能耗的總量、各種能耗費用和總費用；

◆ 可按能耗總量分析和成本分析兩種方式顯示分析結(jié)果。

②支持對一段時間（日、月、年）內(nèi)各功能區(qū)域的能耗進行占比分析和排名分析，具體包括：

◆ 將功能區(qū)域涉及的各種能耗換算成標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量，進行占比計算和排名分析；

◆ 在分析結(jié)果中顯示區(qū)域能耗總量、單位建筑面積能耗量、各種能耗的總量、各種能耗單價、各種能耗費用和總費用；

◆ 可按能耗總量分析和成本分析兩種方式顯示分析結(jié)果。

③支持同一建筑在兩個不同時間段（日、月、年）內(nèi)能耗的對比，在對比結(jié)果中顯示對比時間段、建筑功能、總建筑面積、建筑能耗總量、單位建筑面積能耗量、各種能耗的總量、各種能耗費用和總費用。

④支持同一功能區(qū)域在兩個不同時間段（日、月、年）內(nèi)能耗的對比，在對比結(jié)果中顯示對比時間段、區(qū)域功能、總建筑面積、區(qū)域能耗總量、單位建筑面積能耗量、各種能耗的總量、各種能耗單價、各種能耗費用和總費用。

⑤根據(jù)各種能源輸送網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一小時分析一次水、電、氣損失情況，在其超出用戶設(shè)定的限值時給出報警提示。

（6）數(shù)據(jù)共享與集成

能源管理系統(tǒng)為用戶提供各子系統(tǒng)一致的操作界面，并按照標(biāo)準(zhǔn)化接口規(guī)范與各個子系統(tǒng)建立連接，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)交換，能夠迅速適應(yīng)設(shè)備的變化，輕松實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的信息共享，并支持遠程訪問和遠程管理，使各個獨立子系統(tǒng)結(jié)成了一個有機的整體，不僅實現(xiàn)了信息共享，也使各種跨系統(tǒng)聯(lián)動的實現(xiàn)水到渠成。

6 結(jié)束語

近年來，隨著國家推進節(jié)能減排工作力度的加大、節(jié)能要求的提高，傳統(tǒng)的BA系統(tǒng)逐漸不能滿足智能建筑的節(jié)能要求。建筑能源管理系統(tǒng)提供的是一個高效的管控一體化平臺，實現(xiàn)的不僅僅是對能耗的控制，更是對建筑物結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)及管理的最優(yōu)化組合。它集中建筑中的各子系統(tǒng)，對建筑中的機電設(shè)備進行集中監(jiān)控與管理，既能提供節(jié)能的手段，又能提供精確的數(shù)據(jù)和科學(xué)的分析，以便更好地分配資源，而這又會反過來更好地加強對能耗的控制，平衡管理運行，從而構(gòu)成良性的循環(huán)，達到節(jié)能、減排、提高管理水平的目的。因此，能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用將成為智能建筑發(fā)展的必然趨勢。

1 《 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》

2 《 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》

3 《 國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)樓宇分項計量設(shè)計安裝技術(shù)導(dǎo)則》

4 《 國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)與維護技術(shù)導(dǎo)則》

5 《 國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)、驗收與運行管理規(guī)范》

6 《 國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)指導(dǎo)說明書》