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淺談建筑能耗監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)

更新時間：2022-12-27

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要:通過云平臺服務功能,對建筑物內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)采集、各類數(shù)值量進行互聯(lián)網(wǎng)上傳,在云平臺進行大數(shù)據(jù)分析對比,構建建筑能耗監(jiān)測、智能控制和管理服務系統(tǒng),實現(xiàn)對各類建筑能耗情況的統(tǒng)計、分析、診斷和預警等,實現(xiàn)對用電設備進行有效的智能控制與管理,降低用能客戶能源成本,便于電網(wǎng)企業(yè)實施區(qū)域性建筑樓群的需求側(cè)管理,滿足政府對建筑領域技術節(jié)能和管理節(jié)能的整體要求。

關鍵詞:能耗監(jiān)測；智能控制；能效服務；智能照明；智能化

0 引言

隨著節(jié)能減排政策推進,建筑能耗問題越來越受到人們關注。為了方便人們了解建筑實時能耗和改變用戶的用電習慣,降低用能客戶能源成本,同時便于電網(wǎng)企業(yè)實施區(qū)域性建筑樓群的需求側(cè)管理,滿足對建筑領域技術節(jié)能和管理節(jié)能的整體要求,本文主要介紹建筑的能耗監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構

系統(tǒng)基本結(jié)構圖如圖1所示。

傳感器—輸入操作指令,發(fā)送到管理主機或執(zhí)行器。執(zhí)行器—輸出動作指令,執(zhí)行樓宇設備的通斷及調(diào)節(jié)。

管理主機—信息處理中心,接收指令和傳達指令到執(zhí)行器,執(zhí)行器動作。通信模塊—傳遞信息指令,信息聯(lián)接指令傳輸通信。動作元件—接收信息指令,執(zhí)行相關動作的配套元件。云平臺—分析處理采集的各方面數(shù)據(jù),并發(fā)出告警及管理指令。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構圖

2 技術方法

建筑能耗檢測與智能控制的能效服務,通過采集器和智能管理主機進行數(shù)據(jù)采集與智能控制。智能管理主機一方面通過Rs485總線與底層各種設備連接通訊,另一方面通過互聯(lián)網(wǎng)與頂層設備的建筑能效監(jiān)測與控制管理中心連接通訊,有關電表、水表、煤氣表、熱能表則通過Rs485總線與能耗采集器連接,并將實時數(shù)據(jù)緩存至能耗采集器,能耗采集器通過互聯(lián)網(wǎng)與頂層(設備)的監(jiān)測與控制管理中心連接通訊,對建筑實現(xiàn)主動控制或智能控制的方式,實現(xiàn)對建筑的節(jié)能服務管理。

底層各種設備包括:帶有Rs485總線接口的電表、水表、煤氣表、熱能表、能耗監(jiān)測控制插座、能耗監(jiān)測控制開關執(zhí)行器、智能照明控制面板、數(shù)據(jù)采集器、紅外轉(zhuǎn)發(fā)器等。

頂層設備包括:服務器、電腦以及管理系統(tǒng)軟件等,頂層設備對對底層各種設備、四表進行數(shù)據(jù)收集、監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析,同時做出相應的判斷、操作,必要時對底層各種設備進行控制、設置或編程。

該系統(tǒng)可以通過服務器向手機AP端推送各種信息,同時也接收手機AP端的操作指令,就是通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程監(jiān)控與控制,實現(xiàn)與上級平臺的通訊,實現(xiàn)更大范圍用能終端的監(jiān)測與管理,形成電能服務管理平臺與建筑能效服務云平臺的融合對接,以實現(xiàn)對所有用戶進行數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、預警,并實施主動控制或智能控制的方式,實現(xiàn)建筑能效的動態(tài)優(yōu)化控制策略,進而提供用戶運行經(jīng)濟指導方案。

3 系統(tǒng)組成架構

建筑能耗監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)的基本構成,是由各元件通過總線連接成一條支線,幾條支線組成一個區(qū)域,幾個區(qū)域構成一個大的系統(tǒng)。一條支線可以連接64個總線元件,每個區(qū)域可以容納15條支線,每個系統(tǒng)可以有15個區(qū)域。系統(tǒng)組成構架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成架構

在系統(tǒng)比較小、一條支線足以容納的情況下,可以不必配置線路耦合器,如圖3所示。在同一條支線內(nèi),電源模塊與MG元件的距離為350m,兩個元件距離為700m,整條支線的長度不超過1000m。支線與支線之間的相連稱為主干線,同樣需要一個電源進行供電,對總線元件數(shù)量和距離的要求與支線相同。

圖3 不配置線路耦合器系統(tǒng)組成構架圖

系統(tǒng)也可以通過智能管理主機直接與以太網(wǎng)相連,如圖4所示。在這種情況下,智能管理主機可以替代線路耦合器或者中轉(zhuǎn)器的作用。這種方式可以解決超遠距離傳輸?shù)膯栴},同時可以提高系統(tǒng)主干線的傳輸速率。

圖4 配置智能主機系統(tǒng)組成架構圖

4 物聯(lián)網(wǎng)技術應用

4.1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術

針對物聯(lián)網(wǎng)感知及信息處理向智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展,本研究方向從多功能傳感芯片與元器件、嵌入式傳感系統(tǒng)、感知信息融合處理等3個層次開展研究工作[2-3]。

(1)多功能傳感芯片與元器件

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在很多情況下都需要在一個復雜環(huán)境下感知多個多類物理信息,本方向研究多傳感在芯片級、元器件級的集成創(chuàng)新。

(2)嵌入式傳感系統(tǒng)

傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等,能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,是物聯(lián)網(wǎng)感知的重要手段。

(3)感知信息融合處理

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多類多個傳感器感知信息的融合處理,直接關系到信息采集的有效性、準確性與可靠性。通過有效信息的提取、網(wǎng)絡自適應感知和自適應編碼等手段,提高多媒體信號在網(wǎng)絡傳輸過程中的服務質(zhì)量。

4.2 總體技術框架

4.2.1 平臺功能框架

建筑能耗監(jiān)測與智能控制,主要是針對建筑物的水、電、煤、氣的消耗使用情況進行監(jiān)測,并以此為基礎進行各個耗能設備的智能控制。本平臺的基礎數(shù)據(jù)為建筑、設備管理、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中間部件、數(shù)據(jù)接口、權限體系,并在此基礎上搭建能源管理系統(tǒng),通過對配電房、燃氣轉(zhuǎn)壓、供水泵房、換熱站進行各項耗能情況的檢測,通過空調(diào)管理、路燈管理、工程管理優(yōu)化耗能結(jié)構,實現(xiàn)實時能耗、分項能耗、設備狀態(tài)、實時預警,以此實現(xiàn)能源公示,并取得建筑節(jié)能方案的優(yōu)化。平臺功能框架圖5所示。

圖5 平臺功能框架圖

4.2.2 平臺技術架構

平臺通過工業(yè)組態(tài)數(shù)據(jù)采集接口、安防數(shù)據(jù)接口等各種接口，向各個數(shù)據(jù)單元傳輸數(shù)據(jù),通過建模分析各個數(shù)據(jù),生成實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、預警數(shù)據(jù),并與各終端應用相結(jié)合,實現(xiàn)建筑的能耗檢測與智能控制。平臺技術架構如圖6所示。

圖6 平臺技術架構

4.3 建筑能耗監(jiān)測

4.3.1 能耗分類分項

(1)建筑基本信息采集與統(tǒng)計,含建筑物基本信息調(diào)查,建筑近年能耗水耗賬單采集與統(tǒng)計;

(2)建筑分類能耗,包括電量、水量、燃氣、集中供熱量、集中供冷量、煤、液化石油氣、人工煤氣、汽油、煤油、柴油、可再生能源、其他能源應用量;

(3)建筑分類水耗,包括市政自來水耗量、非傳統(tǒng)水源利用量;

(4)室內(nèi)耗能設備或系統(tǒng)基本信息采集與統(tǒng)計;

(5)運行管理節(jié)能及行為節(jié)能調(diào)查(含建筑用能管理制度)、建筑內(nèi)人員行為節(jié)能調(diào)查。

4.3.2 能耗診斷

設計一套實用的能耗分析初步方案,包括能耗參考值設置、能源使用量分析、能源使用費用分析、能耗總基準分析、能耗平均基準分析、分項回路分析和能耗分析報告,實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和節(jié)能分析。

4.3.3 能耗公示

(1)建筑基本信息

建筑基本信息,包括建筑名稱、建筑面積、建筑層高、建筑層數(shù)、建筑功能、建成及使用年份、常駐人數(shù)、主要用能方式等。

(2)能耗水耗指標

能耗水耗指標,包括年度總能耗量、年度總水耗量。能耗水耗公示,包括實際能耗水耗量和標準量。年度分類能耗量:年度耗電量、年度燃料(煤、氣、油等)消耗量、年度集中供熱量、年度水耗量等。年度分類水耗量:市政自來水耗量、非傳統(tǒng)水(雨水、中水)耗量。年度單位面積能耗量、年度單位面積水耗量、年度生均能耗量、年度生均水耗量。

4.3.4 決策支持系統(tǒng)

系統(tǒng)以實現(xiàn)建筑節(jié)能為目標,以強大的數(shù)學模型為基礎,以優(yōu)化的控制算法為核心,以帶有自學習功能的能耗趨勢為開環(huán)運算依據(jù),以客觀的能耗分析為評價指標,以用戶的多元需求為服務宗旨,以對原有系統(tǒng)改動量為前導,體現(xiàn)優(yōu)異的降耗指標。

系統(tǒng)能夠根據(jù)應用需求給出系統(tǒng)統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)任意范圍、任意時間段、任意能耗系統(tǒng)、任意單個設備的詳細能耗數(shù)據(jù);用戶可根據(jù)查詢需求個性化選擇匯總方式生成詳細的能耗數(shù)據(jù)報表,還可將能耗數(shù)據(jù)報表生成諸如柱型圖、曲線圖、餅圖、點圖、面積圖等統(tǒng)計圖表,從而直觀地對數(shù)據(jù)進行能耗分析,如圖7-圖8所示。

圖7 能量對比拼圖

圖8 能耗分析線形圖

5 建筑能耗分析系統(tǒng)

5.1 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(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慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國家有關規(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。

5.2 應用場所

適用于公共建筑、集團公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學校、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)設計、施工和運行維護。

6 系統(tǒng)功能

6.1 系統(tǒng)概況

平臺運行狀態(tài)，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。

6.2 用能概況

對建筑、部門、區(qū)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(tǒng)計對比、總能耗同環(huán)比對比。

6.3 用能統(tǒng)計

對建筑、區(qū)域、分項、支路等結(jié)構按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進行統(tǒng)計，支持報表數(shù)據(jù)導出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進行生成柱狀圖。

6.4 復費率統(tǒng)計

復費率報表按日、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行統(tǒng)計分析。支持數(shù)據(jù)導出到EXCEL。

6.5 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)合的方式進行用能數(shù)據(jù)同比分析。

6.6 能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑對應時段內(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值查看。

6.7 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對應時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，支持導出報表。

6.8 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。

6.9 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費率用能分析，報告可編輯。

7 系統(tǒng)硬件配置

8 結(jié)論

建筑能耗檢測與智能控制系統(tǒng),通過實時監(jiān)測建筑能耗數(shù)據(jù)與智能控制相結(jié)合,能夠得出建筑能耗的優(yōu)化方案,大大降低傳統(tǒng)建筑的能耗。系統(tǒng)采用統(tǒng)一的485協(xié)議,各個設備只需符合協(xié)議便可在系統(tǒng)中使用,方便了系統(tǒng)設計者的設計和集成商的集成、布線簡單清晰,減少了線材的使用,方便后期的維護工作,同時便于用戶的統(tǒng)一管理。

參考文獻：

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[4]王庭國.建筑能耗監(jiān)測與智能控制系統(tǒng).

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.

作者介紹：

吳柯霓，女，銷售工程師，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為建筑能耗系統(tǒng)的設計與應用。