宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：文章通過闡述大型公共建筑能耗現(xiàn)狀，突出大型公共建筑實施節(jié)能監(jiān)管的必要性，并在系統(tǒng)總結(jié)運用技術(shù)手段實施建筑能耗監(jiān)測的基礎上，介紹了江蘇省建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)研究過程中的技術(shù)創(chuàng)新和應用情況。
關鍵詞：公共建筑；建筑能耗；監(jiān)測；節(jié)能
0 前言
為隨著我國工業(yè)化和城市化進程的加速，高速發(fā)展的建筑業(yè)以及不斷擴大的建筑規(guī)模使得建筑能耗日益增長問題越來越凸顯。預計到2020年，我國城市生活人口將達到總人口數(shù)的56％以上，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。目前，建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的3大“耗能大戶”。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， 共性問題是能耗總量大、增長速度快、能耗指標高、終端用能設備總體能效水平低等。據(jù)統(tǒng)計，國家機關辦公建筑和大型公共建筑總面積不足城鎮(zhèn)建筑總面積的4％，單位面積年耗電量達到70 kW·h～300 kW·h，為普通居民住宅的 10～20倍，占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22％，是歐洲、日本等發(fā)達國家同類建筑的1.5～2 倍。因此，建立健全國家機關辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管體系，依托科技手段，實施全過程、全壽命監(jiān)督管理，對實現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標具有重要的意義。作為建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設示范省，江蘇省按照住房和城鄉(xiāng)建設部的部署要求，組織開展了大型公共建筑能耗監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)研究，并進行了示范推廣應用，取得了階段性成效。
1 建筑節(jié)能監(jiān)管與能耗監(jiān)測
根據(jù)《關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能管理工作的實施意見》要求，住房和城鄉(xiāng)建設部在狠抓新建建筑執(zhí)行建筑節(jié)能強制性標準的同時， 明確提出要通過能耗監(jiān)測、能耗統(tǒng)計、能源審計、能效公示、制度建設等監(jiān)管措施， 促進既有高耗能國家機關辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能運行和改造。
建筑節(jié)能主要通過技術(shù)和管理2種手段來實現(xiàn)，技術(shù)手段主要包括建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的提升和建筑設備系統(tǒng)能效的優(yōu)化，管理手段主要是指建筑業(yè)主對能源消耗行為的管理和政府主管部門對建筑能源使用的約束。對于大量的既有公共建筑，技術(shù)手段涉及圍護結(jié)構(gòu)和設備系統(tǒng)改造，雖可以有效的降低建筑使用能耗，但是存在投資大、見效慢、周期長等問題；管理手段側(cè)重于主觀方面，通過人工調(diào)節(jié)和行為控制來降低建筑運行使用能耗，能耗監(jiān)測就是其中投資少、見效快的主要方式。
能耗監(jiān)測主要通過在建筑設備末端安裝分項能耗計量裝置，采用公共網(wǎng)絡等遠程傳輸手段，及時采集分析能耗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)建筑能耗的在線監(jiān)測和動態(tài)分析，是掌握用能狀況，發(fā)現(xiàn)用能問題，研究用能標準和實施節(jié)能改造的重要環(huán)節(jié)。通過能耗監(jiān)測，可以科學判斷運行模式的合理性，判斷系統(tǒng)能耗水平的高低，判斷系統(tǒng)的用能合理性。尤其對于配電支路錯綜復雜的高能耗既有公共建筑，可以精確查找建筑高能耗環(huán)節(jié)，從而進行優(yōu)化管理。能耗監(jiān)測不僅有助于提供基礎數(shù)據(jù)和編制分析報告，為業(yè)主指明節(jié)能管理方向；同時，對用能單位能源的消耗和使用也起到了監(jiān)督和管理作用。
為進一步規(guī)范建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設，發(fā)揮工程建設標準的科技支撐和約束引導作用，按照住房和城鄉(xiāng)建設部及江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設廳關于國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測工作的要求，江蘇省工程建設標準《公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（ DGJ32/TJ111-2010 ）對建筑用能的分類、分項、建筑能耗監(jiān)測的范圍以及能耗監(jiān)測系統(tǒng)工程的設計、施工、檢測、驗收和運行維護的全過程提出了技術(shù)要求，以確保系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)真實。規(guī)程明確要求能耗監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)應遠程傳輸給省、市級建筑能耗監(jiān)測數(shù)據(jù) ，并提供給建筑所有權(quán)人、業(yè)主或其委托的物業(yè)管理單位，為制定節(jié)能政策、加強用能管理等提供科學可靠依據(jù)。
2 能耗監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)
目前大多數(shù)公共建筑只有總電表、總氣表等為數(shù)非常少的計量表具，缺乏樓宇內(nèi)部各個用能子系統(tǒng)的實時、分項用能數(shù)據(jù)，難以的掌握樓宇中各個子系統(tǒng)各自的用能現(xiàn)狀，無法實現(xiàn)科學的用能管理。能耗監(jiān)測最初起源于分項計量設想的提出，好比醫(yī)生通過儀器對病人進行科學性診斷，查找“病癥”所在部位，實施針對性的“治療”。2006 年北京市率先開展了國家機關辦公建筑和大型公共建筑分項用電計量項目研究，并初步實現(xiàn)了分項用電數(shù)據(jù)穩(wěn)定持續(xù)的獲取、傳輸、存儲和分析，這即是最初的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)。江蘇省自2007年開展能耗監(jiān)測調(diào)研與研究，并于2008年起實施能耗監(jiān)測項目試點，依托省級建筑節(jié)能專項引導資金落實了分項計量工程項目和數(shù)據(jù) 建設。
監(jiān)測建筑能耗數(shù)據(jù)展示可為建筑業(yè)主等單位提供建筑的分類分項用能狀況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使其定量了解建筑內(nèi)各部位的能源消耗情況，為指導節(jié)能運行管理、實施節(jié)能改造等工作提供技術(shù)保障。為實現(xiàn)能耗監(jiān)測平臺對建筑用能橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)問題、縱向挖掘節(jié)能潛力的建設目的，江蘇省依據(jù)國家有關技術(shù)導則要求，結(jié)合工作實際，自行研發(fā)了能耗監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)，并在以下3方面進行了技術(shù)集成創(chuàng)新。
2.1 基于Flex技術(shù)大型公建能耗監(jiān)測平臺的開發(fā)方法
目前關于能耗監(jiān)測應用軟件的開發(fā)傳統(tǒng)主要采用net技術(shù)和J2EE技術(shù)，實現(xiàn)的功能側(cè)重于能耗數(shù)據(jù)的查詢與展示。但建筑耗能與很多因素有關，如建筑物的形狀、面積、朝向、層數(shù)等多種因素有關，同時也與建筑物的空間環(huán)境相關。傳統(tǒng)的開發(fā)方法很難描述建筑物的空間環(huán)境、建筑物的構(gòu)造特點等與建筑自身屬性相關的問題，且傳統(tǒng)的開發(fā)方法基于查詢驅(qū)動，系統(tǒng)模式簡單，信息量不足，與用戶交互性較差。
針對傳統(tǒng)方法較難描述建筑物空間屬性和信息量不足的缺陷，本系統(tǒng)采用Flex技術(shù)開發(fā)能耗監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)軟件，結(jié)合三維（3D）仿真地理地圖對建筑空間屬性進行描述，將能耗數(shù)據(jù)與建筑的3D地理信息相結(jié)合，直觀展現(xiàn)建筑的能源消耗情況。通過對建筑區(qū)域建立3D仿真地理地圖，并將3D仿真地理地圖進行切割成分級瓦片地圖數(shù)據(jù)，再基于 Flex 環(huán)境開發(fā)地圖顯示程序組件，動態(tài)調(diào)用分級瓦片地圖，實現(xiàn)輕量級的3D地圖服務功能，并將地圖坐標信息與建筑的能耗統(tǒng)計信息進行有機融合，通過地圖縮放實現(xiàn)以不同粒度動態(tài)查詢及比對多個建筑的能耗分析統(tǒng)計信息。
2.2 建筑支路異常能耗診斷技術(shù)
建筑支路異常能耗可能造成能源浪費，也可能造成安全事故，建筑支路異常用能預警是一項重要的節(jié)能服務內(nèi)容。建筑海量的能耗數(shù)據(jù)隱藏著大量的用能特征信息，通過對歷史能耗數(shù)據(jù)進行信息挖掘，對異常用能情況進行捕捉，及時給出預警信息。建筑支路異常能耗分析傳統(tǒng)上借助一些數(shù)學方法，如統(tǒng)計法、偏差法、密度法等，較多地從數(shù)學的角度考慮算法，并不能反映建筑支路異常能耗數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因，這些算法只是在少數(shù)研究人員中進行研究，缺乏廣泛的應用價值。建筑支路異常能耗診斷技術(shù)克服了現(xiàn)有技術(shù)
中的不足， 提出了一種基于自組織映射網(wǎng)絡的建筑異常能耗支路的在線診斷方法。通過該診斷技術(shù)，實現(xiàn)自適應的檢測模型，自動在線監(jiān)測建筑各能耗支路的用能情況，當異常特征發(fā)生時，及時給出預警信息。
2.3 智能樓宇中海量信息的壓縮方法
由于建筑能耗監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)實時接收來自監(jiān)測建筑的能耗信息，監(jiān)測的數(shù)據(jù)點多，而采集的時間又相對較短，因而要保存的歷史數(shù)據(jù)量非常大，如果將這些數(shù)據(jù)直接存儲，不僅會占用大量的系統(tǒng)存儲空間，而且會降低數(shù)據(jù)的實時性，使數(shù)據(jù)的傳輸、查詢和分析變得困難。 本系統(tǒng)針對建筑能耗數(shù)據(jù)的特殊性，考慮不同特性數(shù)據(jù)點的需求，研究了一種智能樓宇中海量能耗信息的壓縮方法，即采用多級壓縮策略與自控精度SDT數(shù)據(jù)壓縮算法。利用開放性的記錄方式給予系統(tǒng)配置以的自由度， 有效地過濾冗余數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)平滑方法對數(shù)據(jù)序列中強噪聲點進行處理，使得處理后的數(shù)據(jù)能接近被測參數(shù)的實際值， 降低了傳感器的測量精度誤差給數(shù)據(jù)處理帶來的影響。數(shù)據(jù)處理過程中采用了周期跨度的保存方式，具有很高的壓縮比，與內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的緩存結(jié)構(gòu)設計相結(jié)合，使得壓縮方法與結(jié)構(gòu)設計相得益彰。
3 系統(tǒng)應用
江蘇省建筑能耗監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)具備各種建筑能耗實時分類/分項計量、數(shù)據(jù)采集與存貯、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、數(shù)據(jù)發(fā)布與遠傳等基本功能，已先后應用在南京、無錫、常州、蘇州等市級監(jiān)測 ，實現(xiàn)了對轄區(qū)內(nèi)大型公共建筑能耗動態(tài)監(jiān)測的目標。系統(tǒng)可展示三個主要頁面：建筑信息配置頁面、建筑能耗統(tǒng)計查詢頁面和實時監(jiān)測頁面。其中：建筑能耗查詢頁面包括各類日常工作的數(shù)據(jù)報表，以及對應不同度量值不同展示維度的數(shù)據(jù)圖表。數(shù)據(jù)報表主要包括建筑物、區(qū)域用能情況的日報表、月報表、年報表等，數(shù)據(jù)圖表主要包括數(shù)據(jù)曲線圖、餅圖、柱狀圖等，直觀反映和對比各項采集數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的數(shù)值、趨勢和分布情況。此外，省級建筑節(jié)能監(jiān)測 除負責省屬大型公共建筑動態(tài)監(jiān)測外，發(fā)揮橋梁紐帶作用，承擔向 級建筑能耗數(shù)據(jù) 上傳數(shù)據(jù)任務。
從2008年起，江蘇省實施的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)一期工程中要對8大類、798萬m2公共建筑能耗進行在線動態(tài)監(jiān)測，其中：辦公建筑73幢、商場建筑19幢、賓館建筑21幢、教育建筑73幢、醫(yī)療衛(wèi)生建筑18幢、體育建筑7幢、綜合建筑7幢、其他建筑21幢。運行以來，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功能齊全，為加強用能監(jiān)管管理提供了科學數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，獲得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。目前，已對數(shù)據(jù)傳輸長期穩(wěn)定、可靠、連續(xù)的部分監(jiān)測建筑開展用能診斷分析，科學查找用能存在問題，提出改進措施，進一步發(fā)揮能耗監(jiān)測的作用。
4 工程案例分析
某棟4層商用寫字樓，底層商業(yè)用房尚未使用，2至4層為辦公用房。該樓宇安裝電能表分別計量照明、空調(diào)、機房、廚房等8個回路的用電情況，并實現(xiàn)了遠程動態(tài)監(jiān)測。其中：各樓層的照明插座用電，包括辦公室的照明、辦公設備等；各樓層的空調(diào)用電是 空調(diào)機的能耗；機房內(nèi)主要耗能設備是計算機網(wǎng)絡設備和 空調(diào)；廚房餐廳支路包括2樓廚房的設備用電、2樓餐廳的空調(diào)用電等。
圖1 4月至11月各層照明插座用電比較
從圖1可知，總體上該樓照明插座用電的變化規(guī)律相同，符合工作人員作息時間一致的現(xiàn)狀；4樓工作人員較多，日用照明插座負荷相對較高，監(jiān)測結(jié)果對此予以驗證；2樓計量的面積較少，故能耗較3、4樓也較少。
從圖2可知，各層空調(diào)用電基本規(guī)律相同，7 、8月份是空調(diào)用電的高峰期。3樓與2樓的空調(diào)用電基本相同，但考慮到2樓的計量面積較少，故2樓的單位面積空調(diào)用電較高。4樓空調(diào)用電夏季使用較多，符合其人數(shù)較多的現(xiàn)狀，而進入11月份其空調(diào)用電較2、3樓低，可能與其工作人員中占多數(shù)的年輕人對低溫適應能力較強而未開啟空調(diào)有關，見圖 2 。
圖 2 各層空調(diào)用電比較
圖 3 所示為機房用電情況趨勢圖，從圖中可知機房用電比較規(guī)律，日用電在300 kW·h 左右，用電基本在12.5 kW·h左右，起伏很小。這與機房內(nèi)各類設備24h全天候工作情況相符。機房內(nèi)各類計算機網(wǎng)絡設備工作狀態(tài)下的能耗基本不變， 空調(diào)的工作能耗與氣溫情況關系不大。
圖 3 機房用電情況 圖 4 廚房餐廳用電情況
該樓宇廚房餐廳主要為辦公人員準備午餐，其工作時間是周一至周五的早8時到14時左右。從圖4可知，廚房餐廳的用電基本符合其工作規(guī)律，4個波谷對應的正是當月的4個雙休日；這一用電支路還包括1 樓大廳的用電，故14時之后還有物業(yè)的接待與值班人員活動的用電能耗。根據(jù)能耗動態(tài)監(jiān)測結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)查分析，可以得知該樓宇用電基本正常，未發(fā)現(xiàn)較大異常用電現(xiàn)象。
5安科瑞 用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)
5.1.系統(tǒng)概述
工業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)是一個集成Intranet/Internet網(wǎng)絡技術(shù)、GPRS無線傳輸技術(shù)、Web Service軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等于一體的大型數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)為管理者、各級能耗內(nèi)部用戶、瀏覽者提供了一個訪問的網(wǎng)絡通道，搭建了一個合理、高效的信息傳輸平臺和管理平臺。工業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應用為政府管理部門、企業(yè)生產(chǎn)管理、計量管理、節(jié)能管理提高到一個新的高度，是我們對節(jié)能減排、節(jié)能降耗實現(xiàn)的一種行之有效的解決方案。
能源組成及監(jiān)測內(nèi)容：
圖5能源組成
圖6監(jiān)測內(nèi)容
用電類：采集采暖、鍋爐、空調(diào)、制冷、照明、辦公、電梯、水泵、風機、通風機等耗電設備的用電信息。主要監(jiān)測其用電量，對于大耗電設備監(jiān)測其電流、電壓及功率因數(shù)等信息。
配電類：采集6kv/10kv配電開關設備、變壓器，狀態(tài)信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能質(zhì)量、電能量等。
用水：自來水和蒸汽；采集具有485通訊功能的智能熱量表、蒸汽流量計、水表等；
用氣：煤氣、天然氣；采集具有485通訊功能燃氣表；
環(huán)境參數(shù)：采集具有485通訊功能的溫度/濕度計；采暖空調(diào)供回水溫度；
5.2.系統(tǒng)框架
圖7系統(tǒng)框架
(1)能源消費管理系統(tǒng)：該系統(tǒng)可以對 用能企業(yè)煤、電、油、氣、熱、水等能源和耗能工質(zhì)進行定期錄入和實時采集，并將收集到的能耗數(shù)據(jù)進行整理存儲，為匯總分析和上報作數(shù)據(jù)支持。
(2)能源利用狀況信息報送系統(tǒng)
用能企業(yè)可通過該系統(tǒng)將企業(yè)本年度的《能源利用狀況報告》，報送至市節(jié)能監(jiān)察 ，經(jīng)初審核后，上傳至省節(jié)能監(jiān)察總隊審核，而后上報國家有關部門。
(3)單位能耗水平識別評價系統(tǒng)
利用 用能單位能耗數(shù)據(jù)，對企業(yè)用能狀況進行分析評價，查找問題。為政府節(jié)能管理部門掌握、分析信息和研究節(jié)能改造并制定相關政策措施提供科學的依據(jù)和平臺。
(4)決策服務和咨詢服務系統(tǒng)
系統(tǒng)提供直觀、簡明、快捷的數(shù)據(jù)信息查詢和決策支持服務。對 用能企業(yè)的能耗進行科學、合理的咨詢指導，幫助 用能企業(yè)做出及時、正確、可行、有效的解決方案。
(5)能耗預測、能源安全預警系統(tǒng)
通過系統(tǒng)掌握 用能企業(yè)能源購置、使用、消耗及生產(chǎn)情況，對企業(yè)的用能情況進行綜合的評判和分析，對比同期值和限定值，對能耗超標情況予以預警提示。
在獲取能源使用的基礎上，進行數(shù)據(jù)挖掘分析，實現(xiàn)能耗的預測分析功能，為政府相關部門的宏觀決策提供支撐體系。
(6)節(jié)能監(jiān)察及信息發(fā)布、法律法規(guī)知識培訓系統(tǒng)：
通過該系統(tǒng)平臺，可對省 耗能企業(yè)做節(jié)能監(jiān)察工作；發(fā)布節(jié)能法律法規(guī)標準以及能源基礎知識、能源統(tǒng)計知識、節(jié)能監(jiān)測方法等資料；處理日常節(jié)能管理工作相關的公文、通知、公告等。
5.3.系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)把數(shù)據(jù)信息從各個企業(yè)的能源監(jiān)控 采集到后臺的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，經(jīng)分析與處理，提供分析預測和預警功能。同時通過門戶網(wǎng)站、無線終端等手段為省、市領導以及相關委辦局提供了多方位、可視化的便捷服務。
圖8系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5.4.能耗監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品選型
6 結(jié)語
建立健全大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設，實現(xiàn)公共建筑能耗的可計量、可監(jiān)測、可分析、可診斷，逐步推進高耗能公共建筑的節(jié)能改造，實現(xiàn)公共建筑和大型公共建筑單位面積能耗分別下降10%和15%，是“十二”期間公共建筑節(jié)能工作總目標。
開展建筑能耗監(jiān)測管理，為建筑業(yè)主提供有效的建筑能耗數(shù)據(jù)，有助于管理者了解建筑用能狀況，有助于強化建筑運行管理措施，有助于提高建筑能源利用效率，是建筑節(jié)能監(jiān)管不可或缺的重要科技支撐。
【參考文獻】
[1] 路宏偉.大型公共建筑能耗監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)研究及應用
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監(jiān)測及剩余電流監(jiān)測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）