（检测技术与自动化装置专业论文）智能建筑能耗计量与管理设计方案的研究.pdf

摘要 随着我国经济的快速发展，能源与发展之间的矛盾已经成为了社会各界普遍关注 的问题，节约能源已列入基本国策。建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有 效的方式，利用建筑智能化技术，建立建筑能耗计量系统，统计建筑内能源消耗量，根 据能耗数据合理管理能源，实现管理节能，是一项重要的建筑节能措施。 目前，对于建筑智能化技术如何应用于能耗计量系统的设计研究不多，借助能耗 计量技术对智能建筑内可再生能源的计量设计及研究也很少。鉴此，本论文提出了智能 建筑中能耗计量系统的设计优化方案，并将智能建筑中可再生能源的利用纳入计量系 统。 本论文首先对能耗计量系统进行全面的分析和研究，总结出能耗计量系统设计的 方法和内容，为能耗计量系统进行优化设计提供技术支持。 其次研究在智能建筑中如何利用已有的b m s 监控条件，对能耗计量系统进行优化 设计，并将智能建筑内可再生能源的利用纳入计量系统，扩展了建筑智能化系统的内容。 然后采用智能建筑集成系统s y n c h r o i b m s 软件，实现b m s 对能耗计量系统的集 成管理，设计并开发出冷站冷量能耗计量的组态监控界面；再通过实时信息门户系统 s y n c h r o r t p o r t a l 软件将能耗计量系统融入智能建筑集成管理平台上，实现了最终的集成 管理。 最后对论文进行了总结，并结合本论文的不足提出下一步的工作方向。 本论文提出了智能建筑中能耗计量系统优化设计方案，并将智能建筑内可再生能 源的利用纳入计量系统，拓展了建筑智能化系统的内容，丰富和完善了智能建筑的内涵， 为能耗计量系统在智能建筑中的推广和应用提供了理论研究基础和实现方法，具有实用 价值和现实意义。 关键词：智能建筑，能耗计量系统优化，可再生能源计量，s y n c h r o l b m s a b s t r a c t w i t ht h e r a p i d e c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，t h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e n e n e r g y a n d d e v e l o p m e n th a sb e e nc o n c e m e d ，a n de n e r g y s a v i n gh a sb e e ni n c l u d e di n t ot h eb a s i cn a t i o n a l p o l i c i e s b u i l d i n ge n e r g y s a v i n gi st h em o s td i r e c ta n de f f e c t i v ee n e r g yc o n s e r v a t i o nm e t h o d s a n i m p o r t a n tb u i l d i n ge n e r g y s a v i n gm e t h o di su s i n gb u i l d i n gt e c h n o l o g yt oe s t a b l i s he n e r g y c o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ta n dm a n a g e m e n ts y s t e m c u r r e n t l y ，t h e r e sl i t t l er e s e a r c ho na p p l y i n gi n t e l l i g e n tb u i l d i n gt e c h n o l o g i e st oe n e r g y c o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n t ，e s p e c i a l l yt or e n e w a b l ee n e r g y s ot h ep a p e rf o c u s e so no p t i m a l d e s i g no fe n e r g yc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，a n db r i n g i n g r e n e w a b l ee n e r g ya p p l i c a t i o n si n t ot h es y s t e m f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dr e s e a r c h e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ， s u m su pt h ed e s i g nm e t h o da n dc o n t e n to ft h es y s t e ms ot h a tp r o v i d e st e c h n i c a ls u p p o r tt o o p t i m i z et h ed e s i g no ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m s e c o n d l y ，t h ep a p e rr e s e a r c h e sh o wt oo p t i m i z ee n e r g yc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n t s y s t e md e s i g nu s i n gb m sm o n i t o r i n gc o n d i t i o n s ，a n db r i n g t h er e n e w a b l e e n e r g y a p p l i c a t i o n si n t ot h es y s t e m ，s ot h a te x p a n d st h ec o n t e n t so fi n t e l l i g e n tb u i l d i n gs y s t e m t h i r d l y ，t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h ep r o c e s so f i n t e g r a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e mi n t ob m su s i n g s y n c h r o l b m s ，a n dd e v e l o p i n g t h em o n i t o r c o n f i g u r a t i o ni n t e r f a c eo fc o l de n e r g ym e t e r i n gf o rc o l ds t a t i o n t h e ni n t e g r a t ee n e r g y c o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi n t oi n t e l l i g e n tb u i l d i n gm a n a g e m e n tp l a t f o r mu s i n gt h e s o f t w a r es y n c h r o r t p o r t a lt oa c h i e v et h ef i n a li n t e g r a t i o nm a n a g e m e n t f i n a l l y ，s u m m a r i z e st h ed i s s e r t a t i o n ，i n d i c a t e st h ed e f i c i e n c ya n ds h o w st h en e x ts t e p t h i sp a p e rp r e s e n t sao p t i m a ld e s i g no fe n e r g yc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ， b r i n g st h er e n e w a b l ee n e r g ya p p l i c a t i o n si n t ot h es y s t e mt h a te x p a n d st h ec o n t e n t so f i n t e l l i g e n tb u i l d i n gs y s t e m ，p r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sa n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o dt o p r o m o t et h eu s eo fe n e r g yc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，a n dh a s r e a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，o p t i m i z a t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n t s y s t e m ，r e n e w a b l ee n e r g ym e a s u r e m e n t ，s y n c h r o l b m s 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 能源与环境是当今时代人类面临的共同问题，我国人口众多，能源资源相对不足、 生态环境脆弱，目前正处于工业化、城镇化加快发展的重要阶段，能源资源的消耗强度 高，消费规模不断扩大，能源供需矛盾越来越突出，生态环境破坏越来越严重。解决我 国能源环境问题，根本出路是走建设资源节约型和环境友好型社会的可持续发展之路。 因此，加强能源科学管理，提高能源利用效率，减少能源浪费，开发新能源，改善生态 环境，已成为国民经济发展中的重要战略决策。 有统计显示，我国的建筑能耗约占全国总用能量的四分之一，居全国各类能耗之首 u j 。所以管好、用好建筑能源就显得十分重要和必要。严酷的事实表明，能源的不合理 使用必将引发不可逆转的能源危机。中国要走可持续发展道路，必须大力发展建筑节能 技术，采取有效的方式管理能源。 1 1 1 建筑能耗 随着我国建筑业的快速发展，建筑能耗也相应增多，近几年来，全国居住建筑在基 本不供热水的情况下消耗的能源量占全国能源消耗总量的1 2 6 。每年城镇建筑仅采暖 一项消耗的能源量即占全国能源消费总量的1 1 5 ，占采暖区全社会能源消耗的2 0 以 上，在一些严寒地区，城镇建筑能耗高达当地社会能源消费的5 0 左右。北方城镇建筑 采暖和农村生活用煤约为1 6 亿吨标煤年，占我国2 0 0 4 年煤产量的1 1 铴；建筑用电 和其它类型的建筑用能( 炊事、照明、家电、生活热水等) 折合为电力，总计约为5 5 0 0 亿度年，占全国社会终端电耗的2 7 - - 2 9 t 2 1 。 建筑能耗分为广义的建筑能耗和狭义的建筑能耗。广义的建筑能耗包括建筑全生命 周期内发生的所有能耗，从建筑材料( 建筑设备) 的开采、生产、运输，到建筑寿命期 终止销毁建筑、建筑材料( 建筑设备) 所发生的所有能耗。狭义的建筑能耗是在建筑正 常使用期限内，为了维持建筑正常功能所消耗的能耗【3 】。我们一般所说的建筑能耗是指 狭义的建筑能耗，也就是指建筑使用过程中的能耗，包括采暖、空调、照明、热水、家 用电器和其他动力能耗( 下文中如未特别指出，所提建筑能耗均指狭义的建筑能耗) 。 建筑能耗中，以采暖和空调能耗量所占比例最大，占建筑总能耗的5 0 至7 0 ， 第一章绪论 占全社会总能耗的2 0 ，而这“2 0 仅仅是建筑物在使用过程中消耗的能源比例( 狭 义的建筑能耗) ，如果再加上建筑物在建造过程中、建材生产过程中消耗的能源以及与 建筑相关的能耗( 广义的建筑能耗) ，则总能耗将占到社会总能耗的4 6 7 1 4 1 。 建筑能耗在总能耗中的比例，反映了一个国家或地区的经济发展水平和生活质量， 目前主要发达国家的建筑能耗已占社会总能耗的l 3 左右。我国建筑能耗比例虽然不及 发达国家，但由于建筑市场的飞速发展，建筑能耗占总能耗比例逐年上升。资料显示， 未来几年内写字楼、公寓、饭店、会展中心等大型公共建筑会大幅度增加，在2 0 2 0 年 前我国将新增约1 0 亿m 2 大型公共建筑，而我国约9 0 以上的大型公共建筑是典型的耗 能大户【5 1 。 由此可见，建筑业的发展在推动国民经济巨大发展的同时，也带来了极大的能源消 耗建筑能耗。目前，建筑耗能已与交通耗能、工业耗能并列，成为中国能源消耗的 三大“耗能大户 。随着各类建筑的大量兴建和人们对建筑的居住舒适度的要求越来越 高，建筑耗能急剧增加。我国拥有当今世界上最大的建筑市场，每年的建筑量约占世界 建筑总量的4 0 1 6 1 。根据测算，如果不及时采取相关节能措施，到2 0 2 0 年中国建筑能 耗将是现在的3 倍以上。面对日益严峻的环境形势，建筑不能再继续依赖高能量的输入 来换取内部环境的舒适，而应该积极探索减少建筑能耗的有效途径。 1 1 2 建筑节能 建筑节能是指在建筑中合理使用和有效利用能源，不断提高能源利用效率【7 1 。影响 建筑能耗的因素众多，比如建筑物所处的地理位置、区域气候特征、建筑物自身构造、 建筑设备的使用、建筑物的运行管理和维护等等。建筑节能是一个系统工程，它涉及到 建筑的规划、设计、施工、运行管理诸多环节： 1 、节能建筑规划设计( 建筑朝向和平面形状、合理规划空间布局及控制体型系数) 2 、增强建筑维护结构的保温隔热性能( 外墙使用环保、节能型建筑材料；隔离太 阳辐射热；尽量减少门窗的面积；设置遮阳设施；提高门窗的气密性；尽量使用新型保 温节能门窗：合理控制窗墙比) 3 、屋顶的节能技术措施( 隔离太阳辐射热、“冷屋顶 节能) 4 、空调系统节能技术措施( 降低系统的设计负荷、冷热源节能、减少输送系统的 动力能耗、空调机组及末端设备的节能措施、提高送风温差及合理调节新风比、利用冷 却塔供冷技术、蓄冷技术、采用热回收与热交换装置、充分利用自然冷源) 2 长安大学硕士学位论文 5 、运行管理节能技术措施( 提高运行管理人员的技术素质、合理的用能计费制度、 管路系统的检漏、检垢、调节新风量、在过渡季节利用室外空气的自然冷量、合理设定 设备的启动和停止的时间) 由上可以看出，对建筑内各设备进行实时的监控与管理，是一种重要且有效的节能 技术措施，这正是智能建筑建筑设备管理系统( b m s ) 可实现的功能。 b m s 可提供友好、易用的动态图形化的设备监控界面在中央监控室可以监视整个 楼宇的设备运行情况并对可控对象加以控制。 b m s 能够实现设备自动调度管理，根据历史经验或预设的参数对机电设备进行定 时、分区等开关控制，根据系统预先设定的设备的调度策略、节能策略、设备的最佳启 停时间控制策略对系统中机电设备预先启动、调节或关闭；根据实际检测的温度、湿 度、照度等自动调节空调照明设备，对设备的负载进行均衡，使大楼内的温湿度控制达 到最舒适的程度，同时以最低的能源和电力消耗来维持系统和设备的正常工作，以求取 得最低的大楼运作成本和最高的经济效益。 b m s 系统极大的方便了设备的操作与维修，减少了管理和维护人员，取得节约能 源和人力资源的良好效益，是实现智能建筑节能目标的一项有力措施。 1 2 问题的提出 在实际的工程应用中，b m s 在建筑节能方面发挥了十分重要的作用，但b m s 在节 能方面的作用还可以更加深入的挖掘，其节能功能还有待更加完善，比如和建筑能耗计 量系统功能相互配合，实现系统整体节能。建筑能耗计量的作用，在我国越来越重视节 能工作的今天，显得尤为重要。智能建筑设计标准( g b 厂r5 0 3 1 4 2 0 0 6 ) 在建筑设备 管理系统功能方面，也提出了能耗累计的要求。 建筑能耗累计通过能耗计量系统实现，能耗计量系统针对建筑能源管理需求，通过 能耗数据采集装置把大楼中的能耗参数采集到上位管理系统，然后经计算机集中处理， 实现动态显示、报表生成和打印等一系列功能，以使能源用户可以根据这些数据实现对 设备运行管理的优化控制，最大限度地提高能源的利用率，合理有效地利用能源，从而 实现节能目标。能耗计量系统是为建筑物的能源最优化配置和各种能源的协同工作所创 立的基础平台，它的使用对建筑节能具有重大意义。 b m s 系统对建筑物内设备进行综合监控管理，是对建筑物内能源管理的最佳平台。 但目前的b m s 系统设计中，虽然都强调节能，却普遍忽视能耗监测计量，多数建成的 3 第一章绪论 b m s 系统无法提供建筑物的能源消耗数据。没有实际数据作为依据，能源管理只能是 定性上的理解，这样的b m s 系统为管理者提供的能源管理手段就极为有限。由于缺乏 必要的计量监测手段，物业及相关管理部门无从了解建筑各区域的具体能耗，在基础数 据和能耗现状不清的情况下，无法确定建筑的节能目标，难以控制各用能设备的节能效 率。 另一方面，对于能耗计量的要求，国家出台的公共机构节能条例( 国务院第5 3 1 号令) 第十四条规定：应当实行能源消费计量制度，区分用能种类、用能系统实行能源 消费分户、分类、分项计量，并对能源消耗状况进行实时监测，及时发现、纠正用能浪 费现象【引。所以能耗计量系统不仅要统计能源消耗的总量，而且要能够实现能耗分类、 分项计量。 现在工程应用中已经有多种建筑能耗计量软件能够实现能耗分类、分项计量功能 了，而问题在于这些能耗计量软件都是独立于建筑内智能化系统而存在的，二者相互之 间不能进行有效的通信和信息共享。这样的做法，虽然在节能降耗方面起到了一定的作 用，但是很明显的可以看出两套系统资源不能共享，信息不能共享，而且这样的做法造 成了大量的人力、物力、财力等资源的浪费，使智能建筑的能源管理依然停留在采集能 耗数据及其历史数据对比的初级水平，缺乏一种立足于全局的能耗分析和管理调度措 施，不能采取切实有效的措施达到系统地节能与降低能源费用的应用目标。 同时，现阶段智能建筑的能源管理通常只关注了建筑内能源的消耗计量，却忽略了 智能建筑内可再生能源的利用，对建筑内可再生能源产生的能量缺乏有效的计量，这样 也就无法准确的计算可再生能源在智能建筑中所发挥的作用。 为了解决这些问题，本文提出在智能建筑内已有的智能化系统基础上，充分利用现 有的设施条件优化能耗计量系统设计，细化能耗计量内容，优化对智能建筑能耗的监控， 提高建筑管理的智能化水平，实现最大化节能效果，达到降低能源费用与提高智能建筑 应用效益的目标；同时，将建筑内新能源的利用纳入计量系统，为建筑的节能效果评估 提供依据。 1 3 课题研究的意义 能源已是当今世界经济发展中非常关注的一个问题，世界各国都在积极制订适于自 己发展的能源开发计划，人们一方面在不断寻求新的能源，另一方面也在采取各种措施 节约能源和研究二次能源的再利用。我国能源面临着巨大的压力，中国已有的约4 3 0 亿 4 长安大学硕士学位论文 平方米建筑中，只有4 采取了能源效率管理措施【9 】。因此，研究智能建筑中能耗计量 系统的优化设计，从全局的角度对建筑物中能耗进行评价，指导能量的调度分配，搞好 能源管理，提高能源使用效率，充分利用新能源，实现城市建设的可持续发展，对我国 经济和社会的长期可持续发展具有重要的战略意义。 科学的建筑能源管理可以帮助建筑业主在满足大楼安全、舒适的基础上，合理计划 和利用能源，降低建筑能源消耗，提高经济效益。通过能源计划，能源统计，能源消费 分析，重点能耗设备管理，计量设备管理等多种手段，使建筑业主对大楼的能源成本比 重，发展趋势有准确的掌握，并将能源消费计划任务分配到各个部门，使节能工作责任 明确，以实现健康稳定发展f l o l 。能耗计量系统使用户能够观察能源使用情况，从而制定 合理的能源使用策略；分析各项能源数据，在此基础上创建一个能源使用方式的全面显 示，以降低总能源消耗，并减少能源费用。有专家曾指出：“在能源市场具有不确定性 的今天，最佳的客户是不会将有效能耗计量系统削减掉的。今天一些单位不仅需要知道 他们的工厂消耗多少能源，而且需要知道这些能源是怎么消耗的，并最好具体到某个设 备的耗能量。 由此可以看出，能耗计量系统在建筑节能中的作用已经不可或缺，与此 同时，用户对于能耗计量系统的功能要求越来越高，其能耗计量功能的优化改进就显得 十分的迫切和必要了。 在已有的建筑智能化系统基础上，充分利用现有的资源，进行能耗计量系统优化设 计，并将可再生能源的利用纳入计量系统，对建筑节能和评估可再生能源在智能建筑内 产生的节能效果将具有十分重要的意义。 如果没有能源监测、耗能统计，就谈不上能源管理。因此，一定要先建立可靠的建 筑能耗监测系统，才能建立高信赖度的建筑耗能预测能力，进而进行有效的建筑能源管 理。 1 4 论文研究的主要内容及章节安排 本论文首先从现今世界能源危机状况的大背景出发，指出建筑节能工作已经迫在眉 睫、势在必行，随后总结了应用于建筑节能方面的几点措施，其中重点介绍了通过b m s 系统节能的措施，并分析了其在能耗监控与管理方面的不足，在对现有的建筑能耗计量 软件系统功能及组成分析的基础上，借鉴其技术手段，利用智能建筑内b m s 系统对机 电设备设置监控点采集能耗数据，对能耗计量系统能耗数据采集进行优化设计，并将新 能源的利用纳入计量系统，完善智能建筑系统功能。最后，以协同b m s 软件为例介绍 5 第一章绪论 了能耗计量系统优化设计的方法，验证了智能建筑中能耗计量系统优化设计的可实施 性。 本文共分为五部分，每部分的具体内容安排如下： 第一章主要介绍课题研究的背景，问题的提出以及研究的意义，并简要叙述本论文 的主要工作和研究内容。 第二章分析现有的建筑能耗计量软件系统的组成、功能及意义，为第三章智能建筑 中能耗计量系统的优化设计打下基础。 第三章分析智能建筑中各设备监控系统，提出了利用设备监控系统条件实现能耗计 量系统优化设计方案，并将可再生能源的利用纳入计量系统。 第四章设计开发出基于协同b m s 平台的能耗计量系统。以冷站冷量能耗的计量设 计为例，阐述了基于b m s 平台的能耗计量系统优化设计的一般实现方法，并将能耗计 量系统融入智能建筑集成管理平台上，实现了对其的集成管理，验证了智能建筑中能耗 计量系统优化设计的可实施性。 最后对整篇论文的研究工作进行了总结，提出了论文工作中的不足和今后可以完善 和改进的地方。 6 长安大学硕士学位论文 第二章建筑能耗计量系统分析 建筑能耗计量系统可实现能源消耗数据的采集、处理和使用，用科学准确的计量数 据指导能源管理工作，达到节能降耗的目的。建筑能耗计量系统还可以为建筑节能诊断 工作和建筑节能改造项目提供准确可靠的数据信息。随着建筑能耗分类计量和分项计量 在全国范围内的逐步推广和相关行业标准的出台，各相关建筑设备厂商纷纷推出建筑能 耗计量软件。如今，此软件在技术上已经趋于成熟，虽然建筑能耗计量软件版本众多， 但是其在功能及组成上大同小异。本章将对建筑能耗计量系统的结构组成、功能特点及 其意义作详细分析。 2 1 建筑能耗计量系统概述 建筑能耗计量系统是指通过对建筑内安装分类和分项能耗计量装置，及时采集建筑 能耗数据，实现建筑能耗在线监测和动态分析功能的硬件系统和软件系统的统称【1 1 】。其 中，分类能耗是指根据建筑消耗的主要能源种类划分进行采集和整理的能耗数据，如： 电、气、水等，其常见分类能耗计量装置包括电表、水表、燃气表、热( 冷) 量表等。 分项能耗是指根据各类能源的主要用途划分进行采集和整理的能耗数据，例如，电量分 项能耗应当包括：空调用电、照明用电、动力用电、特殊用电等等【1 2 】。建筑分类、分项 能耗结构示意图如图2 1 所示： 7 第二章建筑能耗计量系统分析 图2 1 建筑分类、分项能耗结构示意图 建筑能耗计量系统多采用分布式架构，以现场总线的方式将多功能电子式能耗表数 据通过通讯服务器上传至监控主机，系统结构灵活、传输安全、实时性好、通信不受距 离限制、可扩展性强。现场服务器软件采用组态的方式，支持多种操作系统，支持o d b c 标准数据库和多种外部通信接口，软件具有开放性、分布式、安全性、模块化的特点， 通过系统管理、参数设置、数据采集、实时显示、能耗分析、报表统计、w e b 浏览、数 据转发等方式，构成本地建筑能耗计量与分析平台【1 3 1 。 建筑能耗计量系统通过对建筑内电、气、水等能源消耗进行集中监视、测量，实现 能耗实时监视处理，以及历史数据存储、查询、分析、统计等功能；对各能耗系统( 动 力、照明、空调系统) 的运行状态进行实时监测，及时发现异常能耗，提高系统正常运 行的可靠性；分析各能耗系统能源利用效率及其节能潜力，统计各系统的能源消耗状况。 建筑能耗计量系统的建立，使得原本复杂多变的能耗系统的能耗问题可以实时反映 于能耗计量系统，从而帮助用户掌握和管理能源消耗情况，实现水、电、气等能源科学 与合理的消费，降低机电设备的维护成本，增加使用寿命，降低管理与营运费用，达到 最大限度的节约能源的目的，同时为其它公共建筑的节能管理提供参考。 8 长安大学硕士学位论文 2 2 建筑能耗计量系统组成 建筑能耗计量系统主要由现场设备层、网络通讯层、站控管理层三部分组成。其中， 现场设备层由各种能耗计量装置所组成，实现各种能耗数据的采集，如图2 2 所示：网 络通讯层是指实现建筑现场能耗计量装置与后方站控管理层数据通信的网络；站控管理 层主要完成能耗数据的动态监测及分析处理工作。 2 1 1 现场设备层 图2 2 建筑能耗计量系统结构图 现场设备层是完成能耗计量工作的首要一步，计量方案设计、安装施工等均在这一 环节实现。建筑物内部设备系统比较复杂，最典型的比如配电系统，在实际使用中往往 还混入了其他的用电设备。因此，合理选择计量支路对保证分项计量数据的正确起着至 关重要的作用，所以，现场设备层的设计实施必须有明确的步骤和流程【1 4 l ，其步骤及流 程如图2 3 所示。 9 引吲罔 第二章建筑能耗计量系统分析 u 扒u _ 调研方案设计 设备选型施工调试 洲- - 7 - v- v 图2 3 现场设备层设计实施步骤及流程图 现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表等能耗计量装置组成。各种能耗计量 装置用来度量各种分类、分项能耗，包括电能表( 含单相电能表、三相电能表、多功能 电能表) 、水表、燃气表、热( 冷) 量表等。能耗计量装置具有数据远传功能，通过现 场总线与数据采集器连接，可以采用多种通讯协议，将建筑能耗数据送入站场管理层系 统数据库中存储。用户可以可以通过图形组态的方式来浏览能耗数据，站场管理层系统 的通讯接口可以将能耗数据按照国家机关办公建筑及大型公共建筑分项能耗数据传输 技术导则远传至上层的数据中转站或省部级数据中心。测量仪表担负着最基层的数据 采集任务，其监测的能耗数据，包括建筑分项能耗数据和分类能耗数据，必须完整、准 确并实时传送至数据中心。 能耗数据的采集还包括人工能耗数据的输入。以人工方式输入的能耗数据主要包括 建筑基本情况数据和建筑消耗的煤、液化石油和人工煤气等不能通过自动方式采集的能 耗数据【1 2 】。 建筑能耗计量系统的所有分析、评价和优化功能都建立在正确、准确、及时的获取 现场能耗数据的基础上，因此能耗数据采集装置就必须采集建筑内各种能源的消耗信息 以及影响能源消耗的建筑环境等多种信息。现场设备层数据采集对整个系统来说是非常 重要的。 2 1 2 网络通讯层 建筑能耗计量系统的传输网络包括两部分：( 1 ) 计量装置与数据采集器之间的传输； ( 2 ) 数据采集器与管理层数据中心的传输。其中前者在现场设备层中实现，这里提及 的网络通讯层是指后者。网络通讯层是数据信息交换的桥梁，负责对现场设备回送的数 据信息进行采集、分类和传送等工作，同时，传达上位机对现场设备的各种控制命令。 数据采集器与管理层数据中心之间的数据传输，首先需要通过通讯网关完成总线接口到 1 0 长安大学硕士学位论文 i n t e m e t 网络之间数据转换，然后使用基于t c p i p 协议承载的有线或者无线网络进行数 据传输。网络通讯层使用t c p i p 协议，以保证数据得到有效的管理和支持高效率的查 询服务，同时数据传输采取一定的编码规则，实现数据组织、存储及交换的一致性。为 保证数据的稳定性和可靠性，数据的传输必须经由认证、加密、授权、解析、续传、报 警等过程。 网络通讯层主要是由通讯服务器、以太网设备及总线网络组成。 通讯服务器：它是整个系统的智能通讯管理中心，在这里，它同时具备了通讯控制 器和前置机等的功能【1 5 1 。 以太网设备：主要指工业级以太网交换机。 总线网络：主要由屏蔽双绞线、光纤或者无线通讯网络等构成。 2 1 3 站控管理层 站控管理层处于建筑能耗计量系统的最上层，它具有良好的人机交互界面，是整个 建筑能耗计量系统的核心部分，整个建筑能耗分析与节能诊断工作都在这里进行。站控 管理层对采集上来的建筑能耗数据进行处理、分析，并以图形、数显或声音等方式对外 发布和展示。 站控管理层主要由能耗系统软件和必要的硬件设备组成。硬件设备包括由工业级计 算机构成的能耗监控主机、模拟屏、打印机和u p s 电源等。 能耗监控主机：在此可对整个系统进行管理和维护，它处理和分析建筑能耗数据， 对外提供数据接口并负责能耗数据的转发工作。能耗监控主机系统包含数据服务器和 w e b 服务器。 1 ) 数据服务器：负责数据存储和管理，为确保数据的安全，数据服务器配置冗余 磁盘阵列。数据服务器的设置使数据能集中存储和处理，便于系统维护，也提高了系统 的可靠性。数据服务器中能耗数据库主要分为2 种。一种为存储原始数据的数据库，用 于存储从现场设备层传输来的数据，并且通过软件进行数据分析、能耗数据建模以及能 耗预测。另一种为终端数据库，原始数据经处理建模后，再由数据处理和分类软件自动 分类存储于终端数据库中，通过w e b 服务器，可以将终端数据库中的数据以图表的方 式发布在i n t e m e t 网上【1 6 1 。 2 ) w e b 服务器：支持b s ( 浏览朋艮务器) 模式的信息访问，负责处理浏览终端的 申请和信息的发布，相关部门的人员通过i e 浏览器可方便地查询各种数据以及计算、 1 1 第二章建筑能耗计量系统分析 统计和汇总等报表。w e b 服务器的设置以及i i s 技术和b s 网络结构的使用，使得客户 端对数据的访问、处理可以集中在w e b 服务器端执行，不再像传统的c s 结构那样， 只与一个应用服务器通信，即客户端获取数据的渠道不止一条1 7 1 ，充分利用了服务器的 高性能特点，减少了网络负载，同时也便于对程序进行更新和维护。 模拟屏：通过模拟屏，形象的显示整个系统的运行情况。 打印机：提供能耗报表、图形等文件的打印。 u p s ：保证整个系统遇到断电情况时，站控管理层设备仍能够正常运行。 同时，专业的系统管理人员、能耗分析人员、数据维护人员均是能耗监测平台所必 需的。 2 3 建筑能耗计量系统功能 建筑能耗计量系统具有友好的人机交互界面，可实时和定时采集现场设备能耗数 据，并将采集到的数据上传给数据服务器存储。整个系统可以实现所有回路能耗的采集 和统计，实现了远程自动抄表、能耗监测功能。建筑能耗计量系统的功能示意图如图 2 4 所示。 图2 4 建筑能耗计量系统功能示意图 ( 1 ) 数据采集功能 建筑能耗计量系统通过各计量装置、数据采集器和数据采集软件实现实时能耗数据 的采集。实时数据保存到系统的能耗数据库中，供数据监视、报警、数据分析、数据计 算、数据统计等，并对数据信息进行归档。各级管理人员可以利用浏览器访问能耗计量 系统，根据权限浏览全部或部分相关能耗计量信息。 ( 2 ) 能耗报( 图) 表功能 建筑能耗计量系统从计量装置中采集能源消耗信息和其他相关的能源动力信息，再 把这些数据存入数据库，建立用能系统负荷的能耗档案，可提供标准报表工具和分析工 1 2 长安大学硕士学位论文 具，方便地显示和分析计量设备的能耗档案、趋势图和报表。能耗档案和报表的形式有： 分类和分项能耗数据的时、日、月、年能耗档案；时、日、月、年的表格式报告；时、 日、月、年统计报表，用曲线、柱形、圆饼等图形进行直观的比较和分析，让用户对建 筑能源消耗情况一目了然，并能帮助用户合理分配能源使用结构。 以下为能耗数据报表的具体形式： 1 ) 能耗报告 逐时、逐日、逐月、逐年分类、分项能耗值报告，帮助用户掌握自己的能源消耗情 况，找出能源消耗异常值。单位面积能耗( e u i ) 等多种相关能耗指标报告为能耗统计、 能源审计提供数据支持。 2 ) 能耗排名 相同时间范围内各分项能耗值排序，帮助找出能效最低和最高的能耗系统。 3 ) 能耗比较 能耗系统在不同时间范围内能耗值的比较。 4 ) 日平均报告 每天的平均能耗需求报告图表。 5 ) 偏差分析 任何一天不同时段能耗值与管理设定值的偏差表示，指出实际能耗值与能耗使用计 划值的偏差，分析能源消耗的增加倾向。 6 ) 最大值最小值分析 不同时间范围内能耗值的最大值最小值对比，可以分析各能耗系统能源消耗与时 间的相关关系。 7 ) 一次能源折算 对于不同种类能源的使用情况，折合成标准单位进行比较和综合，以便能对不同的 能源进行合并比较。可以将建筑能耗值折算为热量( m j ) 、标准煤以及原油、原煤等一 次能源消耗量和相对的c 0 2 释放量。 8 ) 成本报告 各耗能系统逐日、逐月、逐年能耗费用报告。根据能量表的数据和费率结构计算能 耗费用，帮助管理能源成本。用户可以设定能耗成本基准，根据与实际成本偏差去设定 预算，有助于减少能源采购中的风险。 1 3 第二章建筑能耗计量系统分析 9 ) 成本排名 不同时间范围内能耗系统的成本值排序，帮助找出能源消费最低和最高的能耗系 统。 ( 3 ) 数据统计与分析功能 根据建筑能耗计量系统提供的各分类、分项能耗数据的统计图表和文本报表，以及 各类相关能耗指标的图表，各级管理人员可以对能源的时用量、日用量、月用量进行比 对，分析能源使用过程中的漏洞和不合理情况，调整能源分配策略，减少能源使用过程 中的浪费，达到节能降耗的目的。 ( 4 ) 能源管理功能 根据对采集的数据进行归纳、分析和整理，进行能源管理工作，包括能源实绩分析 管理、能源计划管理、能源质量管理、能源成本费用管理、能源平衡管理、能源预测分 析等。充分利用真实数据，作为节能运转分析的依据，避免了人为判断的疏失，帮助用 户强化能源消耗、能源核算管理，科学管理能源，提高能源管理效率和质量，减少人力 成本，强化基础信息设施建设，提高建筑信息化管理水平。 2 4 建筑能耗计量系统的意义 没有能源监测，就没有能源管理，因此要建立建筑能源管理制度，一定要先有良好 的能源监测制度，进而进行有效的建筑能源管理。所以导入建筑能耗计量系统首先就是 要针对建筑物进行全年空调、照明、动力等系统能源消耗的网络监测及分析，以建立建 筑物能源使用的相关数据库，但是应用到如何节约能源时，最重要的第一个步骤就是一 定要知道整体耗能的分配比例，到底有几种能源被使用，使用到什么系统及设何种备， 所占比例又是多少。因为这种调查需要长时间的累计能耗资料来比对，这个部份可以通 过建筑能耗计量系统测量，将能耗系统用能支出比例精确的计算出来，并从测量记录中 找出能源支出增加及系统效率的问题，进而提出解决方案及经济效益评估。 我国能源法规定；“用能单位应当加强能源计量管理，健全能源消费统计和能源利 用状况分析制度。计量的重要性体现在【1 8 】： ( 1 ) 能耗计量是能源审计工作的基础。通过计量可以实时定量地把握建筑物能源 消耗的变化。通过对楼宇设备分系统进行计量以及对计量数据进行分析，可以发现节能 潜力和找到用能不合理的薄弱环节。 ( 2 ) 通过计量可以检验节能措施的效果，是建筑节能改造和执行合同能源管理的 1 4 长安大学硕士学位论文 依据。 ( 3 ) 计量是收取能源费用的依据，通过计量可以将能源消耗与用户经济利益联系 起来，促进建筑能源管理水平的提高。要向用户收费，则用户有权要求能源管理者提供 质优价廉的能源。在大楼里，用户会对室内环境( 热环境、光环境和空气质量) 质量提 出更高的要求，希望以较少的费用，得到舒适、健康的工作环境和生活质量。能源管理 实际是能源服务，管理者只有不断改进工作、提高效率、降低成本，才能满足用户需求。 计量收费是建筑能源管理的重要措施，管理者可以通过价格杠杆调整供求关系，鼓励节 能措施，推动能源结构调整，促进节能。 建筑能耗计量是整个建筑能源管理工作的出发点和基础，但这个基础性的环节恰恰 是我国建筑能源管理中最薄弱的环节。很多管理者可能会比较关注本单位大楼的总能源 费支出，因为这是需要真正地掏钱出去的，但具体到哪个系统能耗有问题却不清楚；很 多大楼对大型耗能设备( 例如制冷机) 会进行单独计量，但对分散的、小型的末端设备 不作计量，因此也就不知道究竟在哪里还具有节能潜力。实现能耗的分项( 系统) 计量 并不困难，费用支出也不多，但却是建筑能源管理的一大进步【例。 建筑能耗计量系统的建设目标，可以概括为以下几点1 4 , 1 7 , 2 0 ： ( 1 ) 行为节能、管理节能 由于大楼建立建筑能耗计量系统，楼内办公人员十分熟悉“节能降耗”的重要性和 必要性，故行为节能潜力得以充分发挥，同时也监督、调动了物管人员和业主方的管理 节能意识。 ( 2 ) 有助于建立健全运行维护管理制度 通过对大楼的能耗监测分析，及时发现一些运行管理上的问题，从而再次强化运行 维护管理制度，为维护系统的长期稳定奠定基础。 ( 3 ) 积累实时能耗数据，为建筑能耗研究奠定基础 建筑能耗计量系统不仅可以完善单栋建筑的节能管理，有效解决能源实时平衡管理 和监控管理，还可以通过对大量历史数据的归档和管理，为进一步对数据进行挖掘、分 析、加工和处理创造条件，为将来研究建筑能耗标准以及制定能耗定额制度等奠定了数 据基础。 ( 4 ) 用能预测及能耗诊断 对建筑内能耗监测的目的最终还是为了节能，而要实现节能就必须对各建筑的能耗 进行预测和诊断。可以建立能耗的预测模型，利用模型对建筑的用能进行预测并利用计 1 5 第二章建筑能耗计量系统分析 算机进行在线实时诊断，或对所得数据进行人工分析诊断，分析建筑节能潜力。 ( 5 ) 减少管理环节，优化管理流程，建立客观能源消耗评价体系 建筑能耗计量系统的建设，可实现在信息分析基础上的能源监控和能源管理的流程 优化再造，实现能源设备管理、运行管理、启停管理等自动化和无纸化，有效实施客观 的以数据为依据的能源消耗评价体系，减少能源管理的成本，提高能源管理的效率，及 时了解真实的能耗情况和提出节能降耗的技术和管理措施，协助公司管理者制订能源管 理措施和考核办法，向能源管理要效益。 ( 6 ) 加快系统的故障处理，提高对能源事故的反应能力 建筑能耗计量系统能迅速从全局的角度了解能源系统的运行状况，故障的影响程度 等，提醒用户及时采取措施，限制故障范围的进一步扩大，并有效恢复能源系统的正常 运行。 ( 7 ) 通过优化能源调度和平衡指挥系统，节约能源和改善环境 科学的能源管理是建立在基本能源信息基础上的，有了完善的能耗计量系统，我们 就获得了能源消耗的第一手资料，经过数据分析、处理和加工，在中央控制室的调度人 员和专业能源管理人员就能实时掌握系统运行情况：系统运行的是否正常、运行状态是 否安全稳定、能源调度分配是否合理等，并能在需要时及时采取调度措施，使系统尽可 能运行在最佳状态。 ( 8 ) 节能效果评估 为了对节能技术或节能产品使用的效果进行量化评估，需对各种节能技术和节能产 品的运行进行能耗数据采集，对建筑的节能效果有一个综合的评定，从而促使建筑管理 者向更好的方向努力，形成良性循环。 建筑能耗计量系统实时、准确、可靠地采集建筑内能耗数据，一方面可以为分析建 筑能耗状况、用能特点，为找出建筑用能存在的问题，提供翔实、可靠的数据支持，避 免盲目的改造而造成资金浪费，帮助用户节约用能成本，提高利润；另一方面，将统计 的建筑能耗数据上传至上级政府建筑能耗监测平台，可以使政府从宏观上把握建筑节能 水平，为下一步制定具体节能措施、节能目标提供数据支持，也为政府制定节能政策、 法规提供了数据依据，并为节能法规的贯彻、执行提供了法律上的证据，还为政策、法 规的执行效果提供了准确、及时的反馈；再一方面，还为建筑节能改造效果，提供了详 细的反馈，并为设计、建设节能环保型大型建筑，提供了参考资料【2 1 1 。 建筑能耗计量系统作为政府建筑能耗监测平台最直接的能耗数据来源，其对于全国 1 6 长安大学硕士学位论文 推进建筑节能工作起到了十分关键的作用。政府通过建筑能耗监测平台的实施，实现了 对建筑能耗数据的远程实时动态分类、分项计量监测。通过统计与分析建筑的能源消耗， 为政府决策部门提供有效的数据依据，促进国家机关办公建筑和大型公共建筑节能运行 和节能改造，将我国大型公共建筑的建筑节能工作推进到既有建筑的运行管理和实质性 节能的阶段，最终在全国建立起健全、规范化的建筑能源管理体系，进而达到建筑节能 的目的。 2 5 本章小结 本章主要对建筑能耗计量系统的组成、功能及意义作了详细的分析，在对建筑能耗 计量系统进行深入分析的基础上，可以看出，建筑能耗计量系统在进行建筑节能技术改 造、提高能源利用率，实现能源的合利用方面起到了十分重要的作用。 同时，也可以看出建筑能耗计量系统的不足之处，比如系统独立，没有与建筑内已 有的智能化系统联系起来；只注重了对智能建筑内