王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:針對目前國內(nèi)高耗能建筑缺少有效的能源監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀,提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可視化建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案,給出了平臺結(jié)構(gòu),并詳細(xì)介紹了平臺的配置和系統(tǒng)的特點。
關(guān)鍵詞:建筑能耗;環(huán)境監(jiān)測;節(jié)能;物聯(lián)網(wǎng)
0.引言
隨著我國城市化進(jìn)程的加速,預(yù)計到2020年,全國城市生活人口將達(dá)到56%以上,第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比例有可能超過45%。[1]相應(yīng)的建筑物和設(shè)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(xiàn)能耗管理和能源成本小化成為中國的首要任務(wù)。準(zhǔn)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(dá)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(yè)耗能、交通耗能并列,成為我國能源消耗的三大“耗能大戶"?,F(xiàn)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(fā)達(dá)國家新建建筑的3倍以上。根據(jù)測算,如果不采取有力措施,到2020年中國建筑能耗將是現(xiàn)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(jù)統(tǒng)計,建筑能耗在我國能源總消費中所占的比例已經(jīng)達(dá)到27.6%,發(fā)達(dá)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(guān)辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計,國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑單位面積年耗電量達(dá)到70~300kW·h,為普通居民住宅的10~20倍,占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%。以北京為例,[3]據(jù)調(diào)查,北京政府機構(gòu)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(guān)年人均用能3.35t標(biāo)準(zhǔn)煤,比全市人均生活用能0.47t標(biāo)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(xì)致的用能計量,已有的數(shù)據(jù)無法滿足能耗分析需求、無法及時準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)用能問題。為了更好地開展大型公共建筑節(jié)能工作,我們做了詳細(xì)掌握建筑的各種能耗,并通過對這些能耗和建筑環(huán)境情況進(jìn)行分析來發(fā)現(xiàn)建筑用能所存在的問題,為以后的節(jié)能管理和節(jié)能改造提供依據(jù),而建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)在這個過程中則起了舉足輕重的作用。
系統(tǒng)概述
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)圍繞建筑能耗中的電、水、氣、熱耗、冷耗5類能源系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)合建筑內(nèi)部的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在實現(xiàn)技術(shù)上采用現(xiàn)場總線(modbus)儀表實現(xiàn)5類能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集,采用基于泛在無線傳感網(wǎng)(UNIT)的探測器實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測,采用工業(yè)數(shù)據(jù)庫與組態(tài)軟件實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的匯總和分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。
該系統(tǒng)包含了能耗監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測兩個部分。其中能耗監(jiān)測按照能源類別分類分項進(jìn)行監(jiān)測、統(tǒng)計和數(shù)據(jù)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(jìn)行監(jiān)測,電量①級分項:照明插座用電、空調(diào)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(yīng)急照明用電和室外景觀照明用電5個②級分項,空調(diào)用電包括冷熱站用電和空調(diào)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(fēng)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(jiān)測。環(huán)境監(jiān)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(tǒng)平臺構(gòu)建
通本系統(tǒng)是以計算機、通訊設(shè)備、測控單元為基本工具,為大型公共建筑的實時數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺,它可以和檢測、控制設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用分層分布式計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),一般分為三層:站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場設(shè)備層。
2.1.1站控管理層
站控管理層針對能耗監(jiān)測系統(tǒng)的管理人員,是人機交互的直接窗口,也是系統(tǒng)的上層部分。主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備,如工業(yè)級計算機、打印機、UPS電源等組成。監(jiān)測系統(tǒng)軟件具有良好的人機交互界面,對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息計算、分析與處理,并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運行狀況。
監(jiān)控主機:用于數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為系統(tǒng)內(nèi)或外部提供數(shù)據(jù)接口,進(jìn)行系統(tǒng)管理、維護(hù)和分析工作。
打印機:系統(tǒng)召喚打印或自動打印圖形、報表等。模擬屏:系統(tǒng)通過通訊方式與智能模擬屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,形象顯示整個系統(tǒng)運行狀況。
UPS:保證計算機監(jiān)測系統(tǒng)的正常供電,在整個系統(tǒng)發(fā)生供電問題時,保證站控管理層設(shè)備的正常運行。
2.1.2網(wǎng)絡(luò)通訊層
通訊層主要是由通訊管理機、以太網(wǎng)設(shè)備及總線網(wǎng)絡(luò)組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁,負(fù)責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和傳送等工作的同時,轉(zhuǎn)達(dá)上位機對現(xiàn)場設(shè)備的各種控制命令。
通訊管理機:是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和智能通訊管理房。它具備了數(shù)據(jù)采集與處理、通訊控制器、前置機等功能。
以太網(wǎng)設(shè)備:包括工業(yè)級以太網(wǎng)交換機。
通訊介質(zhì):系統(tǒng)主要采用屏蔽雙絞線、光纖以及無線通訊等。
2.1.3現(xiàn)場設(shè)備層
現(xiàn)場設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端,主要由智能儀表組成,采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場總線連接的分布式I/O控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端,向數(shù)據(jù)房上傳存儲的建筑能耗數(shù)據(jù)。測量儀表擔(dān)負(fù)著基層的數(shù)據(jù)采集任務(wù),其監(jiān)測的能耗數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確并實時傳送至數(shù)據(jù)房。
2.2系統(tǒng)主要部件技術(shù)性能指標(biāo)
2.2.1數(shù)據(jù)采集器
采用數(shù)據(jù)采集器,實現(xiàn)對電、水、氣、熱耗、冷耗量的數(shù)據(jù)采集。支持對多種類型用能計量裝置的數(shù)據(jù)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(jiān)測儀、電量計測模塊,水表、燃?xì)獗?、冷熱量計、流量計等?/p>
2.2.2電量采集系統(tǒng)
配置方案:通過1個三相總電量表監(jiān)測建筑總能耗,通過4個分項電量表監(jiān)測照明插座用電、空調(diào)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(jiān)測16項的二級分項電量。所有電表均為通過Modbus協(xié)議傳送電量數(shù)據(jù)到采集器,采集器通過局域網(wǎng)上傳到監(jiān)控主機上并
在監(jiān)控軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,監(jiān)測到的各種數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)房和上級調(diào)度相連,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和能耗的合理調(diào)配。
電量監(jiān)測指標(biāo)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(shù)及電能等。
2.2.3用水量采集系統(tǒng)
配置方案:通過一個具有Modbus協(xié)議的水表實現(xiàn)對建筑用水總量的監(jiān)測,實現(xiàn)對建筑日、月、年用水量的監(jiān)測和分析。
2.2.4用氣量采集系統(tǒng)
配置方案:通過一個具有Modbus協(xié)議的氣表實現(xiàn)對建筑用氣總量的監(jiān)測,實現(xiàn)對建筑日、月、年用氣量的監(jiān)測和分析。
2.2.5制熱量采集系統(tǒng)
配置方案:通過一個具有Modbus協(xié)議的熱量表實現(xiàn)對建筑用熱量總耗的監(jiān)測,實現(xiàn)對建筑日、月、年用熱量的監(jiān)測和分析。
2.2.6制冷量采集系統(tǒng)
配置方案:通過一個具有Modbus協(xié)議的冷量表實現(xiàn)對建筑用冷量總耗的監(jiān)測,實現(xiàn)對建筑日、月、年用冷量的監(jiān)測和分析。
2.2.7環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
配置方案:基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過基于無線自組織傳感網(wǎng)的環(huán)境探測器實現(xiàn)建筑室內(nèi)環(huán)境的參數(shù)監(jiān)測,檢測的環(huán)境參數(shù)有:溫度、濕度、一氧化碳、水浸、光照度、紅外檢測等。環(huán)境探測器通過無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)房,數(shù)據(jù)房集合環(huán)境參數(shù)實現(xiàn)對能耗系統(tǒng)的分析。
2.2.8數(shù)據(jù)房和監(jiān)控系統(tǒng)
數(shù)據(jù)房和監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)數(shù)據(jù)庫和組態(tài)軟件進(jìn)行實現(xiàn),它可實現(xiàn)參數(shù)列表、實時曲線圖、數(shù)據(jù)棒圖、實時數(shù)據(jù)、折算數(shù)據(jù)、累計數(shù)據(jù)、歷史、報警畫面、數(shù)據(jù)報表等多種統(tǒng)計和分析功能。
3.系統(tǒng)特點
該項目針對現(xiàn)代建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點數(shù)量大、較密集、布線復(fù)雜的特點,提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可視化建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)解決方案,通過構(gòu)建基于無線傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和開發(fā)具有能耗管理與節(jié)能策略分析功能的軟件平臺,實現(xiàn)建筑能耗與室內(nèi)環(huán)境的可視化監(jiān)測與管理。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于:
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對建筑能耗和建筑環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測,并根據(jù)建筑環(huán)境對建筑能耗狀態(tài)進(jìn)行分析,得出耗能系統(tǒng)的綜合評價,實施能源的優(yōu)化配置。
監(jiān)測系統(tǒng)的傳感層采用無線傳感技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò),可大大減少布線工作或無需布線,可不對現(xiàn)有耗能設(shè)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所帶來的施工量以及綜合布線對環(huán)境的影響,減少投資和工期,特別適用于既有建筑和設(shè)施。
系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),構(gòu)架簡單,擴(kuò)展功能強,可方便地滿足用戶未來需求。內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)靈活,可隨時增加或減少傳感節(jié)點系統(tǒng)易于維護(hù),任意節(jié)點的故障不會影響系統(tǒng)工作。
使用智能終端可通過GPRS或互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和監(jiān)測。同時具有本地數(shù)據(jù)存儲功能,確保數(shù)據(jù)完整性。
建筑能耗和環(huán)境監(jiān)測實現(xiàn)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(tǒng)將建筑能耗監(jiān)測與建筑環(huán)境監(jiān)測有效的結(jié)合起來,實現(xiàn)能源優(yōu)化配置;無線組網(wǎng)方式和模塊化結(jié)構(gòu)架構(gòu)簡單,組網(wǎng)便捷,便于建設(shè)和改建;可視化的界面為維護(hù)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(shè)綠色節(jié)能建筑的有效方法。該項目的應(yīng)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(jīng)濟(jì)效益,對緩解國家能源緊缺狀況,實現(xiàn)節(jié)能和減排溫室氣體規(guī)劃目標(biāo),促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要而深遠(yuǎn)的意義。
4.1概述
Acrel-5000web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(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計,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)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國家有關(guān)規(guī)定實施能源計算,分析現(xiàn)狀,查找問題,挖掘節(jié)能潛力,提出切實可行的節(jié)能措施,并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計算報告。
4.2應(yīng)用場所
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)測與管理的系統(tǒng)設(shè)計、施工和運行維護(hù)。
4.3系統(tǒng)功能
4.3.1系統(tǒng)概況
平臺運行狀態(tài),當(dāng)月能耗折算、地圖導(dǎo)航,各能耗逐時、逐月曲線,當(dāng)日,當(dāng)月能耗同比分析滾動顯示。
4.3.2用能概況
對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項等用能進(jìn)行對比,支持當(dāng)日逐時趨勢、當(dāng)月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計對比、總能耗同環(huán)比對比。
4.3.3用能統(tǒng)計
對建筑、區(qū)域、分項、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進(jìn)行統(tǒng)計,支持報表數(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。
4.3.4復(fù)費率統(tǒng)計
復(fù)費率報表按日、月、年統(tǒng)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(jìn)行統(tǒng)計分析。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。
4.3.5同比分析
對建筑、分項、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結(jié)合的方式進(jìn)行用能數(shù)據(jù)同比分析。
4.3.6能源流向圖
能源流向圖展示單棟建筑規(guī)定時段內(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。
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規(guī)定時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比,支持導(dǎo)出報表。
4.3.8設(shè)備管理
設(shè)備管理包括,設(shè)備類型、設(shè)備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備,確保設(shè)備的運行。
4.3.9用戶報告
用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢,并提供簡單的能耗分析結(jié)果,針對用電提供單獨的復(fù)費率用能分析,報告可編輯。
5.系統(tǒng)硬件配置
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