浅谈大型公共建筑能耗监测系统的设计研究与实现
2021-10-15 09:15:03 来源：安科瑞王蒙蒙
摘要：大型公共建筑能耗监测系统能够帮助管理者及时掌握建筑能耗情况，从而为绿色节能决策进行指导，由此研究大型公共建筑能耗监测系统具有长远的意义。本文基于大型公共建筑能耗监测系统的需求，从系统整体架构、具体功能模块等角度，分别对系统进行设计和构建，从而实现了对能耗数据采集、能耗数据统计分析等功能。通过该系统设计，促进我国大型公共建筑节能的推广。
关键词：大型公共建筑；能耗监测；系统设计
0概述
人类的经济活动日益频繁，使得大量建筑拔地而起，从而导致建筑能耗不断增长，并使得建筑能耗成为当前三大能源重点消耗领域之一。其中，大型公共建筑能耗是建筑能耗的重要组成部分，其单位面积的能耗远远超过住宅建筑能耗。由此使得大型建筑能耗成为当前人们关注的焦点，并开始大力实施绿色节能。但是就目前来看，大型公共建筑的绿色节能还存在很多问题，如推广理念不全，缺乏有效的能耗技术监督手段等，严重制约着大型公共建筑绿色节能。因此，建立大型公共建筑能耗监测系统，具有很强的必要性。通过能耗监测，能够及时掌握能耗情况，从而为绿色节能提供基础的数据依据。
1大型公共建筑能监测系统需求分析
1.1功能需求
合理的大型公共建筑能耗监测系统，必然建立在对系统的相关需求进行详细分析的基础之上。大型公共建筑能耗监测系统的需求可以分为能耗数据采集与分析、配电情况监控、监控结果展示、信息处理、效果评估等。
能耗数据采集与分析的需求是指通过大型公共建筑能耗检测系统，能够采集相关数据，并实现数据比较的功能。
配电情况监控的需求是指通过大型公共建筑能耗检测系统，能够检测配电的相关参数，实现各种事故的报警，并进行分析诊断。
信息处理的需求是指通过大型公共建筑能耗检测系统，能够实现信息的处理与输出，比如生成分析报表等各类报表。
展示平台的需求是指通过大型公共建筑能耗检测系统，建立用户的交互平台，从而展示绿色节能理念宣传等内容。
效果评估的需求是指通过大型公共建筑能耗检测系统，将能耗数据进行计算分析，将得出的结果生成相应图表，从而了解节能的成效。
1.2系统主要组成
大型公共建筑能耗监测系统由相关硬件结构与软件结构共同组成，相关的硬件设备主要包括数据采集的设备、网关以及服务器等，而软件结构主要集成了数据的采集、处理、监测以及展示等相关方面的软件。大型公共建筑能耗监测系统的数据传输方式有无线数据传输与有线数据传输两种。无线数据传输的优势是设备安装简便，有线数据传输的优势在于稳定、廉价，可根据需求进行选择。网络架构方式同样可根据需求进行选择，B/S架构及C/S架构两者相较而言，利用浏览器便能进入大型公共建筑能耗监测系统的B/S架构，显然适用性更高。
2大型公共建筑能耗监测系统具体设计方案
2.1监测系统的设计思路
数据采集网关在设置好的时间点发出指令，数据采集设备进行监测对象的数据采集工作并将数据传回网关，由网关上报至数据处理层。
2.2整体系统架构设计
基于前文所述的大型公共建筑能耗监测系统的需求分析，笔者提出系统整体方案设计，可以细化为大型公共建筑能耗数据信息的采集、大型公共建筑能耗数据信息的传输、大型公共建筑能耗数据信息的处理存储、大型公共建筑能耗数据信息的展示、大型公共建筑能耗数据信息的上传等方面。因此，在大型公共建筑能耗监测系统的整体架构中，功能层级设置为：能耗数据采集设备层、能耗数据采集功能层、能耗数据传输层、能耗数据处理储存层、能耗数据展示层以及能耗数据上传层，如图1所示。
图1 功能层架构
从图1中可以看到，各层具体功能为：设备层是指电能表、水表等数据采集设备的安装；采集层主要功能是通过电能表得到相关电力参数；传输层主要功能是转换数据格式并上传给管理者；处理储存层主要功能是分析、处理及存储能耗数据；展示层主要功能是展示能耗数据；上传层主要功能是数据上传至上级平台。
3系统实现
3.1数据采集功能实现
当前我国大型公共建筑能耗监测的主要对象是电能消耗情况、水消耗情况、温度及湿度等环境情况，通过人工采集和系统自动采集两种方式，利用配电站、分户、用水、环境等专用监测采集设备，对监测对象的相关数据进行采集，目前，系统自动采集是主要的数据采集方式。
3.2数据传输功能实现
在本文提出的大型公共建筑能耗监测系统设计中，使用分布式架设数据库服务器，将数据采集设备所采集到的能耗数据进行处理保存。因为随着数据采集的不断积累，能够显著提高效率，实现数据的快速查询和报表的快速显示。
3.3数据展示功能实现
大型公共建筑的能耗数据经过采集、传输、处理，通过展示层向管理者展示。展示包括能耗数据及相关分析、数据比较、数据统计、节能分析、报警、系统配置等方面，能够全面地为管理者展示大型公共建筑的能耗情况，从而帮助管理者发现问题、辅助决策、评估效果。
3.4数据上传功能实现
在大型公共建筑的能耗数据的上传过程中，网络状况需要实时进行验证，避免出现由网络情况异常而导致的故障发生。在本设计中，大型公共建筑的能耗数据的上传过程中，采用AES算法加密的方式进行验证，工作流程如图2所示。
图2 加密验证流程图
本设计中，大型公共建筑的能耗数据上传前需要经过身份验证和通讯测试，以此避免通讯异常而导致故障，工作流程如图3所示。
图3 身份验证和通讯测试流程图
3.5数据生成功能的实现
大型公共建筑的能耗监测系统中，数据生成功能的工作流程为：*步，读取已有的XML缓存文件；第二步，根据缓存中的分项公式对XML中的每个能耗项进行公式解析。若解析成功则读取相关参数数据，代入公式计算出该分项配置的能耗数据，从而生成XML格式数据包，等待数据上发；若不成功则等待轮训二次执行。
3.6数据重传功能的实现
在大型公共建筑的能耗监测系统设计中，数据重传功能的实现过程为：通过程序预先设置，将生成好的数据包上传至上级平台，接收反馈信息进行后续处理。在数据上传过程过程中，针对数据上传异常或缺失等情况，会出发断点续传及异常重传。在接收反馈信息过程中，针对超时未接收到反馈信息的情况，在异常重发中记录时间点；针对异常反馈信息的情况，将返回相关信息，包括错误信息和服务器端接收客户端信息的时间信息，系统将记录错误信息，并在异常重发中记录数据点。
3.7传输控制及日志管理的实现
在大型公共建筑的能耗监测系统设计中，基本通过自动的方式传输数据，但还需要预留一定的人为干预控制流程。包括传输时间控制、传输间隔控制、接收超时限定控制、数据包特定传输时间控制和传输异常数据控制。
大型公共建筑的能耗监测系统的日志管理可分为常规日志与异常日志两部分。在本文的设计中，常规日志的主要功能是对监测系统日常运行的情况进行记录，记录的重点是与数据内容有关的内容；异常日志的主要功能是对报错信息及数据异常导致的错误信息进行记录。
4安科瑞能耗监控系统介绍
Acrel-5000能耗在线监测系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。用户可按照国家有关规定实施能源审计，分析现状，查找问题，挖掘节能潜力，提出切实可行的节能措施，并向县级以上人民政府管理节能工作的部门报送能源审计报告。
4.1平台结构
Acrel-5000能耗在线监测系统以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，根据现场实际情况采用现场总线、光纤环网或无线通讯中的一种或多种结合的组网方式，为大型公共建筑的实时数据采集及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测设备构成任意复杂的监控系统。开放性、网络化、单元化、组态化的采用面向对象的分层、分级、分布式智能一体化结构。建立如下层次结构：
图4 平台结构
4.2平台功能
（1）系统可按使用年份统计建筑物各分类能耗——电、水、气、集中供热、集中供冷以及其它能源消耗量，自动折算成相应的标准煤消耗量，从而反映建筑物当年各分类能耗用能和综合能耗。系统以饼图形式展示建筑4大用电分项能耗的占比情况。系统以曲线图形展现各类能耗的消耗的消耗趋势，便于业主方实时直观掌握能源消耗情况。
（2）系统可以根据分类能耗的支路名称查询用能情况，显示当日和当月的用能峰值。显示当日用能、当月用能、当年用能与昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比较情况。以条形显示过去48小时、31天、12个月、3年的能耗情况。右上角显示过去15分钟曲线（电表显示功率曲线，流量表显示流速曲线）。
（3）系统依据建筑物能源消耗的分布情况进行能耗计量点的选取和设置，使得能耗监测系统可以覆盖整个建筑物。系统使用者可通过相关界面调取该建筑物各能耗节点的能耗统计报表，减少用能的“跑、冒、滴、漏”和计量误差。
（4）系统依据住建部分类分项能耗数据采集导则，将建筑物耗电分为照明插座、空调、动力和特殊用电进行计量装置选型和设置，并按用能区域或功能区域等划分并进行统计，以报表和同、环比棒图形式展现该区域的能源消耗。
（5）系统可针对能源消耗量大的设备或区域进行准确定位，便于管理层制定节能绩效考核制度，推动节能降耗的有效执行。为用能重点设备建立运行记录档案，长期跟踪记录设备运行过程中的能效分析评估结果，结合设备维护保养记录，为设备的运行维护提供依据。
（6）系统提供分级权限管理功能，对具备权限用户提供开放的信息维护接口，用户可自行对建筑和系统监测范围内计量点的信息进行增、删、改和查询，建筑物信息包括建筑类型、建设年代、建筑面积、建筑物人员数量等。系统还对无法自动采集的计量信息提供手动录入功能，便于使用者掌握建筑物总体能耗情况。
4.3数据上传
安科瑞能耗在线监测系统按照重点用能单位能耗在线监测系统技术规范定义的系统平台接口协议规范的要求，将用能企业的基础信息、计量器具信息、用能数据及能效数据上传至省级或国家平台，上传数据经过HTTPS协议加密传输。如果数据传输失败或超时（网络故障），将重发数据，直至接收成功反馈消息。
4.4能源计量表具选型
5总结
综上，通过大型公共建筑能耗监测系统可帮助相关管理者掌握大型公共建筑能耗情况，并成为提高大型公共建筑能耗管理的重要途径。本文基于大型公共建筑能耗监测的功能需求，提出了大型公共建筑能耗监测系统整体架构，在此基础上进一步设计了各功能层，包括数据采集功能、传输功能，数据展示功能，数据上传功能，数据生成功能，数据远传功能以及传输控制及日志管理功能。从功能而言，基本满足目前我国大型公共建筑能耗监测的需求，能够为大型公共建筑的节能工作提供决策支持。
【参考文献】
[1]刘芳,马晓雯.基于公共建筑能耗监测系统的节能管理应用研究[J].建筑节能,2015,43(06):96~99+114.
[2]于秋红.大型公共建筑能耗监测系统的设计研究[J].通讯世界,2018(01):282-283.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介：王蒙蒙，女，本科，现就职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为建筑能耗监测系统。
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