（检测技术与自动化装置专业论文）公共建筑用电能耗数据采集与监测技术研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济建设和社会文明的高度发展，环境和资源问题日益突出，节能减排的 压力越来越大。在我国社会总能耗中，建筑能耗占据了相当大比例。在建筑能耗中，国 家机关办公建筑和大型公共建筑高能耗的问题尤为突出。为此，国家有关部委提出了关 于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节麓管理工作的实施意见，要求建立能耗监测 平台，对国家机关办公建筑和大型公共建筑实行能耗动态监测，进而推动能耗统计、能 源审计、能效公示以及节能改造工作。 本文依据相关技术导则、条文规范，在分析研究能耗监测系统体系的基础上提出了 用电能耗数据采集与监测平台的设计思路，并在实验室环境下搭建了用电能耗数据采集 与监测系统的基础平台。从研究建筑能效比考虑，还加入了建筑环境中的温度监测，为 研究建筑能源消耗与建筑环境指标控制之间的变化规律提供数据支持，并为下步建立 基于建筑节能的建筑环境最优控制模型提供基本依据和基础资料。 本文研究并初步设计了基于c a n 总线技术的用电能耗数据监测系统，实现了对建 筑用电量及室内温度的实时采集、监测。系统由数据采集器和上位机构成。数据采集器 主要完成数据的采集、传输，分别由c a n 分节点和c a n 主节点来实现。c a n 分节点 主要完成数据的采集、处理并向主节点传送数据；c a n 主节点完成与各分节点的数据通 信，并通过r s 2 3 2 接口实现与上位机监控程序的通信。上位机主要对数据采集器传输 的数据进行实时存储、显示和数据分析等。上位机监测程序通过图形化编程工具 l a b v i e w 实现，本文重点解决了l a b v i e w 中的串口通讯和数据库连接问题，数据通过 串口实时上传至用l a b v l e w 编写的监测软件中，并存入数据库，实现了数据的显示、 一查询及其它处理，为以后对数据的深入分析奠定了基础。 数据采集器的软、硬件设计和上位机监测程序的设计均采用了模块化的设计思想， 保证了系统的可靠性、稳定性、灵活性和可扩展性。 本系统在实验室中已完成了硬件平台搭建和软件系统调试运行，并完成了对用电能 耗数据采集与实时髓测的模拟实验，系统性能基本符合需求。为进一步搭建公挟建筑能 耗监测系统的标准化通用型平台奠定了基础。 关键词：公共建筑能耗，用电能耗，监测系统，c a n 总线，l a b v i e w 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d y o nd a t a a c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gt e c h n i q u e o fe l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o n f o rp u b l i cb u i l d i n g s c h e nm e i ( d e t e c t i n g t e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i z a t i o ne q u i p m e n t ) d i r e c t e db yz h a n gy o n g i i a n a b s t r a c t w i t ht h eh i g hd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i a lc i v i l i z a t i o n , t h ec o n f l i c tb e t w e e n e n v i r o n m e n ta n dr e s o u r c e si si n c r e a s i n gs e r i o u s e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o na r e b e c o m i n gm o r ei m p o r t a n tt h a ne v e r 髓ee n e r g yc o n s u m p t i o no fb u i l d i n g s ，e s p e c i a l l yt h e g o v e r n m e n ta n dl a r g ep u b l i cb u i l d i n g s ，a c c o u n t sf o ral a r g ep r o p o r t i o ni nt h et o t a le n e r g y c o n s u m p t i o no fo u rs o c i e t y t h e r e f o r e , t h er e l e v a n ts t a t em i n i s t r i e sp r o m u l g a t e d t h ev i e w so f s t r e n g t h e n i n ge n e r g ys a v i n gm a n a g e m e n to ft h es t a t eo r g a no f f i c eb u i l d i n g sa n dl a r g ep u b l i c b u i l d i n g s ”，a n dd e m a n de n e r g yc o n s u m p t i o nm o n i t o r i n gp l a t f o r m st om o n i t o rt h ee n e r g y c o n s u m p t i o n i nt h eg o v e r n m e n to f f i c ea n dt h e l a r g ep u b l i cb u i l d i n g sd y n a m i c a l l y f u r t h e r m o r e ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ns t a t i s t i c s ，e n e r g ya u d i t s ，e n e r g ye f f i c i e n c yp u b l i c i t ya n d e n e r g y - s a v i n gt a s kw i l lb ep r o m o t e d 。 i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tt e c h n i c a lg u i d e l i n e s ，t h ec r i t e r i o n sa n dn o r m s ，t h e d e s i g no ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o nd a t ac o l l e c t i o na n dm o n i t o r i n gp l a t f o r mi sp r o p o s e d ，b a s e d o nt h ea n a l y s i so fe n e r g yc o n s u m p t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ab a s i cp l a t f o r mo fe l e c t r i cp o w e r c o n s u m p t i o nd a t ac o l l e c t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e mw a sb u i l ti nl a b o r a t o r y t h et e m p e r a t u r e o ft h eb u i l d i n ge n v i r o n m e n ti sm o n i t o r e d ，w h i c hp r o v i d e st h ed a t af o rf u r t h e rs t u d yo nt h e c h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ee n v i r o n m e n t a lc o n t r o li n d i c a t o r s m o r e o v e r , i tp r o v i d e sb a s i ci n f o r m a t i o nt oe s t a b l i s ho p t i m a lc o n t r o lm o d e lo ft h eb u i l t e n v i r o n m e n tb a s e do ne n e r g y - s a v i n gb u i l d i n g i nt h i sp a p e r , e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nd a t am o n i t o r i n gs y s t e mi sp r e l i m i n a r i l yd e s i g n e d b a s e do nc a nb u s ，i m p l e m e n t i n gt h er e a l - t i m ea c q u i s i t i o n ，e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n d t e m p e r a t u r em o n i t o r t h es y s t e mi sc o m p o s e do fd a t aa c q u i s i t i o na n dp c d a t aa c q u i s i t i o ni s m a i n l yu s e dt oc o l l e c ta n dt r a n s m i td a t a , a c h i e v e db y t h ec a ns u b - n o d e sa n dt h ec a nm a i n n o d e 。c a ns u b n o d ei st oa c h i e v et h ec o l l e c t i o na n dp r o c e s s i o no fd a t aa n dt r a n s m i td a t at o t h em a i nn o d e c 州m a i nn o d ec o m m u n i c a t e sw i t ht h es u b - n o d e s ，a n dc o m m u n i c a t e sw i t ht h e p cm o n i t o r i n gp r o g r a mt h r o u g ht h er s 一2 3 2 p cm a i n l yu s e dt oa c h i e v er e a l - t i m ed a t as t o r a g e , d i s p l a y , a n dd a t aa n a l y s i s p cm o n i t o r i n gp r o g r a m i s i m p l e m e n t e db yt h eg r a p h i c a l p r o g r a m m i n gt o o l sl a b v i e w 髓ea r t i c l ef o c u s e do ns o l v i n gt h ep r o b l e m so ft h es e r i a l l l 蠢东建筑大学硕士学俄论文 c o m m u n i c a t i o n sa n dd a t a b a s ec o n n e c t i o ni nl a b v i e w , l 麓er e a l - t i m ed a t ai st r a n s m i t t e dt o m o n i t o r i n gs o f t w a r ep r o g r a m m e db yl a b v i e wt h r o u g ht h es e r i a lp o r t ，a n dd e p o s i t e di n t ot h e d a t a b a s e t h ed i s p l a y , q u e r ya n do t h e rt r e a t m e n t so fd a t ai sa c h i e v e d t 1 1 i se s t a b l i s h e st h e f o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rd a t aa n a l y s i s 强ed e s i g nf o rt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o na n dt h em o n i t o r i n g p r o g r a mh a v eu s e dt h em o d u l a rt e c h n o l o g y , t h e ne n s u r e dt h er e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , f l e x i b i l i t y a n ds c a l a b i l i t yo ft h es y s t e m 仇es y s t e mh a sc o m p l e t e dt h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ep l a t f o r ma n dd e b u g g i n ga n dr u n n i n g o fs o f t - w a r es y s t e mi nt h el a b o r a t o r y , m o r e o v e r , c o m p l e t e dt h es i m u l a t e de x p e r i m e n t so fd a t a a c q u i s i t i o nf o re l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n dr e a l t i m em o n i t o r i n g 。弧es y s t e ma c h i e v e dt h e p e r f o r m a n c eb a s i c a l l y i tl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rb u i l d i n gt h es t a n d a r da n dg e n e r a lp l a t f o r mo f p u b l i eb u i l d i n ge n e r g ym o n i t o r i n gs y s t e mf u r t h e r k e yw o r d s ：p u b l i cb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n , m o n i t o r i n g s y s t e m ，c a nb u s ，l a b v i e w i i i 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成 果。除文申已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 学位论文作者签名：隘主羹日期望生釜6 壅f 蠡 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权山东建筑大学- q - 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采髑影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：隘搀日期型! 窿组f 丑 导 师签 名：l 澎址霹期兰塑鑫业 山东建筑大学硕士学位论文 。 第一章绪论 1 1 选题背景 2 0 0 5 年7 胃l 冒起我藿正式实施公共建筑节能设计标准，2 0 0 7 年1 0 胃建设部颁布国 家机关办公建筑和大型公共建筑能源审计导则，国家正在开展能耗统计、能源审计、能 效公示工作，并将逐步建立用缝定额和超定额加价制度，戳发掘建筑节能潜力，完善公 共建筑节能监管体系。公共建筑的分项能耗数据采集与监测系统是建筑节能监管体系的 重要组成部分和核心内容。基予此，本课题对公共建筑用电能耗数据采集与监溯技术进 行研究。 能源问题已经被世界公认为人类面临的豳大生存闻题之一，在能源消耗中，作为入 类活动基本场所的建筑，其使用过程中所消耗的能量在社会总能耗中占有很大的比例 1 1 。 建设部的统计数据为囝：截止到2 0 0 3 年，建筑能耗已占到全国能源消耗总量的2 7 8 。 网前建筑能耗在我国总能耗中所占的比例越来越大，而国内建筑能耗统计却一直处在缺 位状态。霹箭没有任何机构或个人可以准确给出我国建筑物所消耗终端能源的具体数据， 不能准确地描述中圈建筑能耗的特点，缺乏建筑能耗统计数据，已成为我国进一步推进 建筑节能工作的重大障碍。其重要原因是建筑能耗数据采集方法不够成熟囝。 建筑能耗【4 是指建筑在建造和使用过程中，热能通过传导、对流和辐射等方式对能 源的消耗。按照国际通行的分类，建筑能耗专指民用建筑( 包括居住建筑和公共建筑) 使用过程中对能源的消耗，主要包括采暖、空调、通风、热水供应、照明、炊事、家用 电器和电梯等方面的能耗；其中，以采暖和空调能耗为主，各部分能耗大体比例为：采 暖、空调占6 5 ，热水供应占1 5 ，电气设备占1 4 ，炊事占6 。 在建筑能耗中，大型公共建筑高能耗问题日益突出。随着我国城市建设的发展，近 年来居住建筑尤其是大型公共建筑的增长速度非常快。2 0 0 9 年，国家机关办公建筑和大 型公共建筑的建筑面积将达到2 0 0 4 年的两倍左右。与住宅或一般公共建筑相比，国家机 关办公建筑和大型公共建筑的用能密度明显偏高，目前我国国家机关办公建筑和大型公 共建筑数量仅占城镇建筑总量的4 ，但其年耗电量已达到全圜城镇总耗电量的2 2 ， 每平方米年耗电量是普通居民住宅的1 0 - - 2 0 倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的 1 5 2 倍。 我国幽于人口众多，生活条件不断改善，建筑能耗数量巨大，所占全国能耗消费总 量的比例也在逐步升高。我国房屋建筑面积数量巨大，近几年每年新建各类建筑1 6 - 2 0 亿泞，截止到2 0 0 4 年底，全囡房屋总面积【5 】已超过4 0 0 亿疗。按照能耗抽样调查测试结果 山东建筑大学硕士学位论文 和统计年鉴的面积数据对全雷建筑总能耗进行估算嘲：西前我国城镇民用建筑电耗为我 国总发电量的2 2 - - 2 4 ，北方地区城镇采暖消耗的燃煤为我国菲发电用煤量的1 5 , - - 1 8 ，建筑消耗的能源为全国商品能源的2 1 - - 2 4 。此外，国际能源署、中国工程院、 国家发改委能源研究所及清华大学等多个研究机构均对我囡未来能源需求进行预测 ( 刀f8 】，结果表明虽然基准年和预测方法有所不同，但基本的结论都认为在2 0 2 0 年需求总 量将超过3 0 亿t 标准煤。根据发达国家的经验，建筑能耗在社会总能耗中的比例基本都 在3 0 以上。 建筑节能【5 】是指在屠往建筑和公共建筑的规划、设计、建造帮使用过程中，通过执 行现行建筑节能标准，提高建筑围护结构热工性能，采用节能型用能系统和可再生能源 利用系统，切实降低建筑能源消耗的活动。节能不能简单地认为只是少用能。节能的核 心是提高能源效率。 公共建筑节能主要有两方面，一是改善建筑围护结构保温、隔热性能；二是提高暖 通空调以及照明系统的能效比，降低能耗。公共建筑节能设计标准( g b 5 0 1 8 9 2 0 0 5 ) 提出的节能要求是：在保证相阕的室内环境参数条件下，全年采暖、通风、空气调节和 照骧的总能耗应减少5 0 。其中，圈护结构分担节能率约2 5 1 3 ；空调采暖系统分担 节能率约为2 0 1 6 ；照明设备分担节能率约7 1 8 。由此可见，用电能耗的节能潜 力在公共建筑节能潜力中占很大比重。 实现建筑节能的前提是掌握建筑用能状况，发现用能问题。目前国内急需完善建筑 能耗统计工作，准确提供我国建筑物所消耗终端能源的具体数据，以便准确地描述中国 建筑能耗的特点。真实准确的建筑能耗统计数据对我国进一步推进建筑节能工作具有重 大意义，丽获得准确的能耗统计数据的关键是要有成熟的建筑能耗数据采集方法。为贯 彻落实国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知( 囡发( 2 0 0 7 ) 1 5 号) ，按 照建设部、财政部关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意 见要求，建设部确定了“建立全国联网的国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测 平台，逐步实现全国重点城市重点建筑动态能耗监测的工作目标。通过对高耗能重点 建筑安装分项计量装置，采用远程传输等手段及时采集分析能耗数据，实现对重点城市、 重点建筑能耗的实时动态监测；对能耗统计、能源审计等基本信息实现全国联网，进行 汇总分析。因此，开展对公共建筑能耗数据采集与监测技术的研究符合国家相关政策， 是十分必要的。 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 国痰外研究现状、发展动态 早在7 0 年代许多西方国家就开始采用统一的方法在全国范围内进行公共建筑能耗 统计。1 9 7 6 年英国开始对建筑物进行能耗调查，美国那时也毒匿家标准局负责对建筑能 耗进行统计。目前美国已经建立了建筑能耗统计数据库，但囡内目前尚无完善的建筑能 耗统计数撼库【9 m 】。 我国各级政府都十分重视建筑节能工作，而建筑节能工作的重要基础就是建筑能耗 统计数据。匿前，我国还没有一个完整的监测网络对建筑能耗进行分析统计。建筑能耗 作为能源统计中的个消费环节，长期被分割在能源消耗的各个领域，没有作为一类能 耗单独进行统计，因此无法反映建筑能耗结构和使用方向疆2 】。相关研究机构曾对典型的 单体公共建筑能耗进行过研究，做了大量有意义的基础性工作，但还不够系统和完整。 特别是采暖、空调、照骠等系统能耗尚不能够达到实时监测及溺络化抟输，其主要原因 就是相关的关键技术及其通用型应用平台还没有解决。 近期豳家发布了国家机关办公建筑和大型公共建筑能源审计导则，民用建筑熊 耗数据采集标准，以指导和规范我囡的建筑能耗数据采集工作。清华大学江亿院士主持、 清华大学建筑节能研究中心开发的“大型公共建筑电耗分项计量与实时分析系统 r 3 1 针对具体建筑物取得了一定的成果，但未形成省、市级标准化通用平台。建设部信息中 心提出构建国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统框架【l 訇，丽这需要对底层公 共建筑能耗数据的准确采集。因此，构建公共建筑能耗数据采集与监测系统的标准化、 通用性平台将具有深远意义。 1 3 课题的意义 做好囡家机关办公建筑和大型公共建筑的节髓管理工作，苜使我圈建筑节能工作取 得立竿见影的效果，对实现“十一五 建筑节能规划目标具有重要意义。 我国每年新建公共建筑3 亿平方米，如果按每平方米建筑面积节能5 0 左右，l 平 方米公共建筑每年节约3 0 公斤标准煤，每年节能就达9 0 0 万吨。 目前，全国公共建筑面积大约为4 5 亿平方米左右，其中采用中央空调的大型商厦、 办公楼、宾馆为5 亿到6 亿平方米。如果按节能5 0 的标准进行改造，总的节能潜力约 为1 3 5 亿吨标准煤。随着城镇化的发展，预计到2 0 2 0 年将新增建筑面积约3 0 0 亿平方 米。如果城镇建筑全部达到节能标准，到2 0 2 0 年每年就可节省3 3 5 亿吨标准煤、减少 8 0 0 0 万千瓦时空调高峰负荷，相当予每年节省电力建设投资约l 万亿元。 由寒建筑大学硕士学披论文 犀家予2 0 0 7 年开始开震星家规关办公建筑与大型公共建筑节施滥管体系建设，到 2 0 1 0 年底，完成大多数重点建筑的用电分项计量装熏安装，搭建起全匿联网的国家机关 办公建筑期大型公共建筑能耗监测平台，实现慰全国大多数重点建筑实现动态能耗监测。 先期开展的包括；各直辖市、计划单列市；河北、辽宁、江苏、浙江、福建、山东、河 南、湖北、湖南、广东、广西、海南、四川、贵州、陕西1 5 个省( 自治区) 本级及其省 会城市，而后在全国逐步推开。本课题的研究成果将主要应用于节能监管体系的能耗监 测乎台中，具有较嵩麓箍广价蘧和经济效益。 l 。4 论文的主要谤究内容 酋先对住赛和城乡建设部遥期组织研究制定的有关蟹家机关办公建筑和大型公共建 筑能耗监测系统的分项能耗数据采集技术导则、分颂能耗数据传输技术导则、楼宇分项 计量设计安装技术导则、数据中心建设与维护技术导则以及建设、验收与运z 亍管理规范 认真分析与研究。并熟悉国家相关的节能规范、标准以及相关节能文件要求。以确保对 公共建筑震龟麓耗数据采集与盗测技术麴研究与鍪家稆关的条文规范相一致。 公共建筑雳电能耗数据的采集与监测系统设计主要包括：公共建筑用电能耗数据采 集、传输c a n 分节点的设计；c a n 主节点数据接收、发送的设计以及上位辊p c 蓝测 系统的设计。 本论文所完成的王作主要有以下几个方瓣： 设计符合c a n 协议传输的温度、用电能耗数据采集分节点硬件电路与软件实现。 主节点酌硬件电路设计与实现，戬及c a n 总线数据麴发送与接收软件的设计。 在完成c a n 总线数据链路的设计精，对数据采集分节点与主节点的软、硬件电路进行 系统调试，确保c a n 总线数据通信的实现。并完善主节点鳃硬件电路骢设计。 定义串聩通信协议，用l a b v i e w 编写上位机界面监测程序。并透过实际的调试， 完善篮测程序的功能，提离程序运行的稳定性，实现界面友好。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章系统总体方案设计 2 1 能耗监测系统总体设计方案 2 1 1 箍耗监测系统 所谓能耗监测系统是指通过对困家机关办公建筑和大型公共建筑安装分类和分项能 耗计量装置，采用远程传输等手段及时采集能耗数据，实现重点建筑麓耗的在线监测和 动态分析功能的硬件系统和软件系统的统称。 能耗监测系统由数据采集子系统、数据中转站和数据中心组成。数据采集子系统由 监测建筑中的各计量装置、数据采集器和数据采集软件系统组成。能耗监测系统的结构 攥图如圈2 1 所示。 数据采集予系统 l ill l 计量装置h 数据采集器h 数据采集软件h 数据中转站h 数据中心 图2 1 能耗监测系统的结构框图 计量装置是用来度量毫、水、燃气、热( 冷) 量等建筑麓耗的仪表及辅助设备的总 称。数据采集器是在一个区域内进行电能或其它能耗信息采集的设备。它通过信道对其 管辖的各类表计的信息进行采集、处理和存储，并通过远程债道与数据中心交换数据。 数据中转站接收并缓存其管理区域内监测建筑的能耗数据，并上传到数据中心。数 据中转站可不具备处理分析数据和永久性存储数据的功能。 数据中心接收并存储其管理区域内监测建筑和数据中转站上传的数据，并对其管理 区域内的能耗数据进行处理、分析、展示和发布。数据中心分为部级数据中心、省( 鸯 治区、直辖市) 级数据中心和市级数据中心。 通过对国家机关办公建筑和大型公共建筑实施能耗益测，萄以发现建筑不合理耗能 症结，指导节能运行与节能改造，评估节能工作成效；可以为各级政府实现对囡家机关 办公建筑和大型公共建筑的节能监管提供手段；可以为制定国家机关办公建筑和大型公 共建筑的节能改造政策、节能运行管理制度提供数据支持。 2 1 2 麓耗数据的采集对象与指标 国家机关办公建筑和大型公共建筑的建筑功能多种多样，建筑用能特点千差万别， 建筑用能系统相对复杂，因此必须建立统一的建筑能耗数据模型，实现采集能耗数据“规 范化 和“精细化 。 由东建筑大学硕士学豫论文 根据建筑的使用功能和用麓特点，将国家机关办公建筑和大型公共建筑分为办公建 筑、商场建筑、宾馆饭店建筑、文化教育建筑、医疗卫生建筑、体育建筑、综合建筑8 类。 建筑基本情况数据采集指标根据建筑规模、建筑功能、建筑用能特点划分为基本项 和附加项。基本项为全部8 类建筑对象共性的建筑规模和建筑功能等基本情况的数据， 包括建筑结构形式和参数、用能系统形式和参数以及建筑所在地的经济指标等；附加项 为区分建筑用能特点情况的建筑基本情况数据，为便于具有不同用能特点的各类大型公 共建筑用能情况的震示和对比，不同建筑对象所采集的附加项有所不犀。例如：办公建 筑的附加项为办公人员人数；商场建筑的附加项为商场璺均客流量、运营时间。 能耗数据采集指标分为分类能耗和分项能耗两部分。大型公共建筑所消耗的能源种 类由于建筑内用能系统的差别而有所不同，一般以电为主，辅以天然气、集中供热、燃 油和煤等。 分类能耗是指根据国家机关办公建筑和大型公共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，共划分为6 项建筑分类能耗数据采集指标，包括：( 1 ) 电量； ( 2 ) 水耗量；( 3 ) 燃气量( 天然气量或煤气量) ；( 4 ) 集中供热耗热量；( 5 ) 集中供冷耗 冷量；( 6 ) 其它能源应用量，如集中热水供应量、煤、油、可再生能源等。 分项能耗是指根据国家机关办公建筑和大型公共建筑消耗的各类能源的主要用途划 分进行采集和整理的能耗数据，可细分为照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用 电4 项分项能耗数据采集指标。 2 1 3 能耗数据的采集方法与处理方法 能耗数据采集方式包括人王采集方式和自动采集方式。通过人工采集方式采集的数 据包括建筑基本情况数据采集指标和其它不能通过离动方式采集的能耗数据，如建筑消 耗的煤、液化石油、人工煤气、汽油、煤油、柴油等能耗量。 通过传统抄表形式获取的电、燃气、水等能耗数据通常为逐月记录，这些数据可以 用作收费和统计材料，但是无法反映建筑的逐日或一天内能耗变化的实际情况。通过自 动实时采集方式可实现对建筑用能实时变化的分析，为节能诊断提供必要的数据依据。 通过自动采集方式采集的数据包括建筑分项能耗数据和分类能耗数据。由自动计量装置 实时采集，透过自动传输方式实时传输至数据中转站或数据中心。 为保证对全国各地建筑的各类各项用能情况进彳亍纵向或横向的分析、比较、管理和 考核时能耗数据的统一性和有效性，能耗数据采用统一的处理方法，计量装置采集数据 山东建筑大学硕士学位论文 选用统一的有效性验证方法。 各分项能耗增量应根据各计量装置的原始数据增量进行数学计算，同时计算得出分 项能耗日结数据，分项能耗嚣结数据是某一分项能耗在一天内的增量和当天采集闻隔时 间内的最大值、最小值、平均值；根据分项能耗的日结数据，进而计算出逐月、逐年分 项能耗数据及其最大值、最小值与平均值。 计量装置采集数据一般性验证方法是根据计量装置量程的最大值和最小值进行验 证，凡小于最小值藏者大予最大值的采集读数属于无效数据。电表有功电能除了需要进 行一般性验证外还要进行二次验证，其方法是：两次连续数据采读数据增量和时间差计 算出功率，判断功率不能大予本支路耗能设备的最大功率的2 倍。 2 1 4 能耗数据的展示与编码规则 为实现能耗监测平台对建筑用能横向对比发现问题、纵向挖掘节能潜力的建设譬的， 能耗数据的展示根据不同级别用户的需求设为部级数据展示、省( 自治区) 级数据展示、 市级数据展示( 只有设有数据中心的城市才具有市级数据展示 和监测建筑数据展示。 各级数据展示包括的内容在国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统一分项能 耗数据采集技术导则中有具体规定。 部级、省市级能耗数据展示可作为中央和地方的各级政府对国家机关办公建筑和大 型公共建筑实现节能科学监管和规范管理的重要手段；监测建筑笺耗数据展示可为建筑 业主、物业单位或能源服务公司提供建筑的备类各项用能状况的统计数据，使业主能明 确了解建筑内各部位的能源消耗，让各管理体系内的行为节熊工作麓够有的放矢，使节 能工作建立在定量化的基础上，为指导节能运行管理、节能改造和各节能措施的节能效 果评估等工作提供保障。 为保证能耗数据可进行计算机或人工识别和处理，保证数据得到有效的管理和支持 高效率的查询服务，实现数据组织、存储及交换的一致性，采用统一的编码规则。在国 家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统一分项能耗数据采集技术导则中有规定 了详细的编码规则。 此外，国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统所采集的各类数据应保证数 据的可靠性、准确性和完整性。 2 2 用电能耗数据采集与监测的设计思路 根据上节对能耗监测系统的总体论述，本文以电量分类能耗数据采集为例，结合相 关技术导则的要求，在实验室环境下构建能耗监测系统的底层基础平台。本文还加入了 山东建筑大学硕士学位论文 建筑环境中的溢度采集，以便为研究建筑能源消耗与建筑环境指标控制之闻的变纯规律 提供数据支持，为将来建立基予建筑节熊的建筑环境最优控制模型提供基本依据和基础 资料。 2 2 1 分项能耗的意义 公共建筑中能源消耗情况非常复杂，特别是建筑物的空调系统耗电量、照明系统耗 电量、办公设备耗电量，这三者性质不同，在管理上涉及到的责任人也完全不同。其中， 空调系统耗电量决定予系统结构、运行方式和物业管理水平，而照明和办公设备用电则 在很大程度上和建筑使用者的节能意识有关。对上述三者应采用不同的政策和管理手段。 但是目前大多数公共建筑基本上是一块总电表，因此业主和物业公司以及统计部门得到 的仅是数万平米的大楼的总电耗一个数据，对开展节能工作需要的各耗能环节的状况很 难了解，能耗不合理部分存在的问题被掩盖了。另一方面，近年来国内一些节能改造项 目开始按照合同能源管理的模式执行，效果并不是很好，究其原因，一个重要的因素就 是合同双方对最终节能量的认可存在分歧。此外，由于建筑物实际能耗还和天气情况、 使用条件、入往率、设备效率衰减等诸多因素相关，只有对建筑内各用能环节实现分项 计量，才可能真正把实际各系统的耗能状况与各自的用能配额相比较，确定差异是凑于 天气状况或实际使用条件等因素造成还是出于运彳亍管理所导致，明确进一步的节能潜力。 由此可见，分项计量系统可以同时满足统计、审计、诊断、定额管理、改造效果审核等 多个大型公建节能管理的目的。 2 2 2 分项电量的定义 国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统一分项能耗数据采集技术导则 中将电量分类熊耗分为4 项分顼，包括照骧插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电。 电量的4 项分项是必分项，各分项可根据建筑用能系统的实际情况灵活细分为一级予项 和二级子项，是选分项。其它分类能耗不应分项。导则中对4 项分项的定义如下： ( 1 ) 照明插座用电 照明插座用电是指建筑物主要功能区域的照明、插座等室内设备用电的总称。照明 插座用电包括照明和插座用电、走廊和应急照明用电、室外景观照明用电，共3 个子项。 照明和插座是指建筑物主要功能区域的照臻灯具和从插座取电的室内设备，如计算 机等办公设备；若空调系统末端用电不可单独计量，空调系统末端用电应计算在照翡和 插座子项中，包括全空气机组、新风机组、空调区域的排风机组、风机盘管和分体式空 调器等。 山东逞筑大学硕士学位论文 走癣和应急照明是指建筑物的公共区域灯具，如走廊等的公共照明设备。 室外景观照明是指建筑物外立面用于装饰用的灯具及用于室外园林景观照明的灯 具。 ( 2 ) 空调用电 空调用电是为建筑物提供空调、采暖服务的设备用电的统称。空调用电包括冷热站 用电、空调末端用电，共2 个子项。 冷热站是空调系统中制备、输配冷量的设备总称。常见的系统主要包括冷水机组、 冷冻泵( 一次冷冻泵、二次冷冻泵、冷冻水加压泵等) 、冷却泵、冷却塔风机等和冬季有 采暖循环泵( 采暖系统中输配热量的水泵；对予采用外部热源、通过扳换供热的建筑， 仅包括板换二次泵；对于采用自备锅炉的，包括一、二次泵) 。 空调末端是指可单独测量的所有空调系统末端，包括全空气概组、新风视组、空调 区域的排风机组、风机盘管和分体式空调器等。 ( 3 ) 动力用电 动力用电是集中提供各种动力服务( 包括电梯、非空调区域通风、生活热水、自来 水加压、排污等) 的设备( 不包括空调采暖系统设备) 角电的统称。动力用电包括电梯 用电、水泵用电、通风机用电，共3 个子项。 电梯是指建筑物中所有电梯( 包括货梯、客梯、消防梯、扶梯等) 及其附属的机房 专用空调等设备。 水泵是指除空调采暖系统和消防系统以外的所有水泵，包括自来水加压泵、生活热 水泵、排污泵、中水泵等。 通风枫是指除空调采暖系统秘消防系统以外的所有风枫，如车库通风机，灏所排风 机等。 ( 4 ) 特殊用电 特殊区域用电是指不属于建筑物常规功能的用电设备的耗电量，特殊用电的特点是 能耗密度离、占总电耗比重大的用电区域及设备。特殊用电包括信息中心、洗衣房、厨 房餐厅、游泳池、健身房或其它特殊用电。 2 2 3 总体设计 本系统将上述4 项分项电量按回路和楼层进行采集。每一层按照明插座用电、空调 用电、动力用电和特殊用电4 个回路采集电量，同时采集各楼层相应检测点的温度。利 用c a n 总线进行数据传输。系统结构框图如图2 2 所示。 山东建筑大学硕士学位论文 线 图2 2 系统结构框阌 电能表、温度传感器用来实现对用电量、温度的采集；c a n 分节点采集4 个回路的 电量和相应检测点豹温度值；c a n 圭节点一方藤要实现与其它数据采集节点的c a n 数据 通信，另一方面，要提供r s - 2 3 2 接瞪，实现与中心节点p c 监控程序的通信。上位机监测 界面采用l a b v i e w ，实时显示采集的数据，并进行存储、分析。 2 3 用电能耗的计量方案 大型公共建筑用能设备数量很多，不可能对每个用能设备都安装电表，一般只能安 装在某些配电支路上。而实际大型公共建筑配电系统支路的划分往往与上节中分项能耗 酌分类不一致，逶常一个配电支路上经常会连接属于不同分顼能耗的各种设备，而属于 同一分项能耗的凡个不同设备常常会分别连接在多个配电支路上。 分项计量方案就是要求必须从实际配电系统出发，褥到能真实反映实际情况的分项 能耗。否则，只拿其中一种用能设备的能耗计量结果，或者某带有该用能设备的支路 能耗计量结果，就称其为某分项能耗，显然会导致结果混乱，用能问题可能完全被掩盖， 或者将节能重点引入歧途。这就需要对支路电耗进行必要的拆分和重新组合。 清华大学建筑节能研究中心提出了从配电支路到分项能耗数据之间的算法以及分项 能耗不确定度估计算法。这一算法的基本步骤是： 第一步，递归算法进行闻题拆分 采用递归算法，找出每个末端集所属的电表，把整个问题转化为若干次能耗拆分问 题。例如，某配电系统及电表安装情况如图2 3 所示，该系统一共安装了3 块电表，位置 分别是变压器出口、支路1 和支路2 。 山东建筑大学硕士学位论文 图2 3 递归算法确定拆分次数示意图 此时，需要进行三次拆分，如表2 1 所示： 表2 1 三次拆分的被拆分对象及待拆分末端巢 拆分编号被拆分对象待拆分末端集 1 支路1 电耗末端集1 1 、1 2 、1 3 2 支路2 电耗末端集2 1 支路3 十支路4 电耗 3 末端集3 1 、3 2 、4 1 ( 变压器患口电耗+ 支路l 电耗支路2 电耗) 原则上说，有多少块电表就需囊拆分计算多少次。如果某块电表所在支路下属的所 有支路都装有电表，那么这块电表的计量值，也同时被下属电表全部直接计量，因此可 略过对其的拆分。 第二步，最优化算法进行能耗拆分 当支路中只有一个末端集( 如上表中的拆分2 ) 时，“拆分 变得简单：末端集能耗 等于支路电耗，计量不确定度由电表精度决定。 当支路中含有两个或以上的末端集时，就需要用到最优化拆分算法。拆分算法的原 理如下： 首先，结合调研信息，采用某种估算算法，给出备末端集电耗的估算值；接下来， “调整 各末端集电耗，使得调整焉的各末端集电耗之和等于支路电耗( 调整的依据是 各估算算法的准确度) ；“调整 盾的新的末端集电耗即为拆分结果。 第三步，结果累加和不确定度累加 将同类末端集电耗及其不确定度累加，得到基本能耗节点电耗及其不确定度。累加 由东建筑大学硕士学位论文 时，各末端集的电耗直接相加；不确定度取均方根。其余复合节点的能耗及不确定度由 基本能耗节点累加得到。 山东建筑大学硕士学位论文 第3 章基予c a n 总线的数据采集 3 1c a n 总线技术 3 1 1c a n 总线与r s - 4 8 5 目前，在我国应用的现场总线中，r s 4 8 5 异步通信总线是被各个研发机构广泛使用 静数据通信总线之一。僵是基予在r s 。4 8 5 总线上只能有一个主机的特点，它往往应用 在集中控制枢纽与分散控制单元之间。由于r s 4 8 5 总线本身存在的许多局限性，随着 科技的发展，r s 4 8 5 的总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本 高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点 慢慢的暴露出来。虽然许多工程师、生产厂商等提出了改进的方法和建议，但都不能从 根本上解决r s 4 8 5 这些先天性的问题。于是应用r s 4 8 5 的生产厂商开始寻求一种更好 的、更彻底的解决方案。c a n 总线在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性、传 输距离远、成本低等方面有着明显的优势，成为业界最有前途的现场总线之一。r s 4 8 5 与c a n 总线的比较觅表3 1 。 表3 1r s - 4 8 5 c a n 总线