校园建筑节能监测系统的设计与应用.pdf

建 电丢 l_-lI_ _ l BUI L DI NG 2口 1口 年 第 1口 期I El - 毫C RI CI - r Y 校园建筑节能监测系统的设计与应用冰 万 力 ( 合 肥 工 业 大 学 建 筑 设 计 研 究 院，合肥市2 3 0 0 0 9 ) 王鹏( 合肥工业大学电气与 自动化工程 学院，舍肥市2 3 0 0 0 9 ) De s i g n a n d Ap p l i c a t i o n o f En e r g y Co n s e r v a t i o n M o n i t o r i ng S y s t e m f o r Ca mp u s Bu i l d i n g s Wa n Li( HF U T I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e D e s i g n，He f e i 2 3 0 0 0 9C h i n a ) Wa n g P e n g ( S c h o o l o f E l e c t ri c En g i n e e ri n g a n d Au t o ma t i o n，He f e i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， He f e i 2 3 0 o 0 9 ，C h i n a ) Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e d e s c rib e s t h e c o mp o s i t i o n a nd f u n c t i o n o f t h e e n e r g y c o ns e r v a t i o n mo n i t o rin g s y s t e m f o r c a mp u s b u i l d i n g s i n d e t a i l s ，a n d d i s c u s s e s t h e k e y t e c h n o l o g i e s a p p l i e d i n t h e e x e c u t i o n o f t h e s y s t e m b a s e d o n a n a l y z i n g t h e u n i v e r s i t y e x i s t i n g e n e r gy c o n s u mp t i o n me a s u rin g s y s t e m wi t h t h e r e f e r e n e e o f t h e r e c o n s t r u c t i o n p r 0 j e c t o f e n e r g y c o n s e r v a t i o n mo n i t o ri n g s y s t e m o f H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， a d e m o n s t r a t i o n p r o j e c t for e c o n o mi c a l c a mp us c o n s t ruc t i o n Ke y wo r d s Ca mp us b u i l d i n g Me a s u rin g s y s t e m o f e n e r g y c o n s u mp t i o n En e r g y c o n s e r v a t i o n mo n i t o rin g s y s t e m Me a s u r e me n t c l a s s i f i c a t i o n Me a s u r e me n t u n i t 摘要分析高校现有能耗计量 系统以节约型 校 园建设 示范工程 合肥 工业大学校 园节能监测 系统改造项 目为背景 对校 园建筑节能监测 系统的组 成及其 功能做详细说 明 并对 系统 实施过程 中的关键 技 术进 行探 讨 关 键 词 校 园建筑 能耗 计量 节能监 测 系统 计量分类计 量单元 0 引言 在节约型高校建设 中能耗采集与计费是必要 的 基础工作。传统 的电能计 量装置存在精 度低 。数据采 集、处理自动化程度不高等缺陷无法适应节能工作 的要求 。因此 ，建立计量精确 、运行可靠 、功 能完善 的计 费系统 是实 现高校集 中能 源监控管 理 的迫切要 求 。本 文以住房和城乡建 设部 、教育部、财政部节约 型校 园建设示范工 程 合 肥工业大学校 园节能监 测 系统改造项 目为背景 对校园建筑 节能监测系统设 计进行 详细的分析 1 项 目现状 合肥工业大学是教育部直属的全 国重点大学 国 家 2 1 1 工程重点建设高校 ，作为教学研究型大学合 肥工业大学校 园规模逐年扩大 ，能耗增长迅速 ，主要 有以下特点 ： a 用 能呈刚性 增长趋势 。首先 校 区处 于建设 发展时期 ，新建建筑物及 配套设施用能持续增长 ：其 次 ，学校教 学 、科研 、办公 、后 勤等硬 件条 件与 校 园环 境不 断改善 ，能源 消耗增 多 ；另 外 ，学校 除 承 担正常教学任务外 随着校 园的不断开放和大学 功能 的多元 化 ，学 校的科 技创新 、社 会服务 职能更 加 明 显 ，造成能耗较 大幅度增长。 目前 ，学校年用电量在 2 7 0 0 万 k Wh左右 其 中教学用 电占 l 3 、科研用 电 占 4 9 、生活用电占 3 8 。 b 多校 区管理难度大 合肥工业大学有 3 个校 区，分布在合肥市不 同城 区。除翡翠湖校 区为新建校 区外 ，其 它校区均为历史悠久 的老校 区，设施 陈 旧、 老化 ，能耗高 。管理难度大。 2建设 目标 合肥工业 大学节能监测系统的建设 目标是利用数 字 电表将采集 到的数据上传到智能 电表 网关 智能电 表 网关再把采集 到的数据打包送 到能耗管理计算 机 。 由能耗管理软件对数据进行分析处理后 给能耗 管理 ：住房和城乡建设部 、教育部 、财政部首批节约型校 园建筑节能监管平台建设示范项 目：合肥工业大学校 园建筑节能 监管体系建设项 目。 型 ! 5 3 6 部门 、使用部 门提供监督管理控制 的条件 和依据 。 节能监测 系统 的数据传输 利用 合肥工 业大学 现有 的校 园网系统 远程计量改造工程也尽量 利用校内原 有线路 整个能耗 监测 系统 的建设 遵循“ 因校制 宜 、 简约可靠”的原则 。 3前端计量 31 计量 分类 根据 住房 和 城乡建 设 部 公共 建 筑能耗 计 量标 准和教育部 高等学校校园建筑节能监管 系统建设 技术导则要求 ，前端计量装置需要实现分户 、分 区 域 、分 类 的用 能统计 。计量分类 主要有 4 类 ：照明插 座用电 、空调用 电、动力用 电和特 殊用电 。均应 设置 相应的专用电能计量装置 3 1 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 ( 含公共 照明、景观 照明、办公照 明等 ) 、插 座等室 内 设备用 电的总称 3 1 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 。包括 以电力为 主要 能源的冷 冻机组 、锅 炉及其 附属设备 ( 如水泵 、风机等 ) 。 3 1 3 动力用电 动力用 电是集 中提供各种 动力服务f 包括实 验设 备 、电梯 、非空调区域通风 、生活热水 、自来水加压 、 排污等 ，不包括空调 采暖 系统 )的设 备用 电的统称 。 3 1 4特殊用电 特殊 用 电是指 不属 于 建筑 物常 规用 电设 备 的用 电，其特点是负荷密度大 、占总电耗 比重大 ，如大 型 实验设备 、信息 中心 、洗衣房 、厨房餐厅等用电。 3 2计量 单元的划分 根据校园建筑的特点 在计 量分类 的基础上 根 据能耗管理 的特点 对计 量单元进行划分 3 2 1 公共教学 区 公共教学区由学校后 勤统一管理 按 照楼 群和楼 层进行 计量 单元 的划 分 。可 以实时 监测 负荷 运行 情 况 ，实现统一计量 和节能管理 。 3 2 2 学科 、院系楼和 办公 区 3 2 2 1 办公楼 高校 的办公 区多是单相用户 ，按照房间划分计量 单元 ，并进行线路计量 、配 电改造 ，在每个办公 室内 加装剩余 电流动作保护装置 在楼层统一集 中设 置数 字 电表 在楼群装设三相数字 电表 。办公楼公共部分 用 电设单独计 量 实现分单元检测 、评估 和审计 。 3 2 2 2实验楼 实 验室 内一 般设 有 动力 配 电箱 负责 室内空调 和动力 电源 ，需要对其进行计量 、配电改造 。将实验 室 内照明和普通插座 负荷也 纳入该 动力配 电箱 在楼 层集 中设置单相和三相数字 电表 在楼群装设三相数 字 电表 。实验楼公共部分用电设单 独计量 3 2 3 教学生活辅助用房 图 书馆 、礼堂 、加 压泵 站 等属 于学 校 的公用 设 施 只需要在 办公部 分按照房间装 设计量单元 并进 行计量 、配 电改造 。同时在楼群 装设三 相数字 电表 。 公共部分用 电设单独计量 3 2 4服务实体 招待所 、餐厅等经济实体采用楼群装设三相数字 电表的方式 实行独立核算 3 2 5 学生宿舍 现有宿舍 已装设分户计量装置 本次改造考虑装 设 三 相 数 字 电表 并 对 原 有 设 施 进 行 计 量 、配 电改 造 ，以将 现场数 据传送 到校 能耗 管理 中心 。 4系统硬件设计 4 1 整体 结构 采用 集散 控 制 系统 ，由现 场采 集 、通信 网络和 能耗管理中心 3部 分组成 其结构如 图 1所示 。 41 1 现场采集 由现场断路器 、安装在低 压配电柜 ( 箱 )中的多 功能数字 电表 组成 ，由于数字 电表分布 于各 个楼群 、 楼层 或房 间内 其 与校 园网的连接通过智 能电表网关 实现 4 1 2 通信 网络 数 字 电表 采 用 异 步 半 双 工 R S 4 8 5通 信 接 口和 Mo d b u s R T U通讯 协议 以满足 自动化 通信 系统要 求 。 使 用 低 成 本 的 屏 蔽 双 绞 线 构 造 可 靠 的 通 信 网络 。通 过 R S 4 8 5接 口一 台智能 电表 网关 可 连接 2 5 6 X 1 2 8 个 数 字电表 、通信距 离可达 1 0 0 0 m。 4 1 3 能耗管理软件 能耗管理软件基 于 T C P I P协议 可直接 与校 园 塑 曼 篁 羔 堕 至 堡 堡 型 主 皇 旦 上 J |i 誊 一 建 箍电乞。 一i I i iI_BUl L DI N G 2口 1口 年 第1口 期J| - EC Rl Cl r Y ， 现场采集 、 ， 现 场计 量 单 元 、 一 P ， 现场计 量 单 元 、 矗 一 f L 一 校园 网 图 1 节能监测系统结构框 图 F i g 1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f e n e r g y c o n s e r v a t i o n mo n i t o r i n g s y s t e m 网络相连 数据中心数据库采用开放式协议 计费系统 以电量采集、统计和结算为主 ， 兼顾考核功能 ( 如母线 电量平衡 、线损 、网损 、变压 器损耗等 的考 核) ，对 各种网关端 口和不同性质 的电量及 相关数据进行 自动 采集和结算 可接入脉 冲计数电表 和智能 电表等各类 电表。 4 1 4 能耗管理 中心 能耗管理中心 由操作控制台、1 台数据库服务器、 1台数据 中心服务器 、1台能耗管理计算机 、打印机 、 2k V A不 间断 电源 、浪涌保 护器等组成。能耗管理 中 心具备站点地理分布信息管理 、站点各项 电参数监测 分析 、运行数据管理等功能。 4 2系统硬件特点 节能监测系统硬件特点 ： a该系统的结构及设计思路符合住房 和城 乡建 设 部 高等学 校校 园建筑节 能监管 系统建设 技术 导 则 满足节约型校园建设的需求 。 b 智能 电表 网关通信方式灵 活多样 ，非常适合 数据的采 集和远距离传输 。数据采集 以有线传输方式 为主无线传输方式为辅 ，系统 的适 应能力更强 。智 能电表网关可 以提供 l 0M 1 0 0 M 自适应 以太网接 口 各级管 理员 ( 有线 )和 G P R S ( 无线 )接 口。用户可 以根据现场情 况选 择适合 自己的数据远传方式 c智能 电表网关 采集速度快 适合多个计量设 备接入 网关 内的数 据采 集器 与数 字 电表之 间采用 星形连 接 在 接人 多块数 字 电表 的情 况下 ，星形连 接具有更佳 的通 信效 率 ，设备 之 间的寻 址 、冲突处 理和可变波特率等 问题得到有效解决 从 而提高数据 采集的实时性和可靠性。 d 智能电表网关 可同时接入使用不 同串口参数 和协议 的数字 电表 。一般情况下 ，不同的数 字电表采 用不同的串口参数和通信协议 该 网关的每个端 口可 独立工作 支持多种表计同时接人。 e 极强的安全性 5系统软件设计 5 1 软件体 系 一 中央管理系统软件采用面 向对象的设计方法 根 据应用功能 的不 同划 分不同 的 “ 服务对象 ” 。首先搭 建统一 的服务 数据基 础框 架 再 将不 同的“ 服 务对 象”加载到框架 中 这样 随着节能技术和节 能服务需 求的不断发展 节能管理 平 台可 以随时更新 “ 框架 ” 上 的数据。软件体系实现的过程如图 2所示。 5 2应用软件组成 5 2 1 数据采集通信服务 使 用 S o c k e t 通 信 协议 接 收智 能 电表 网关 的数据 包 并将数据包存储 到数据库 中 ，其软件 流程如 图 3 所示 。 5 2 2 数据采集数据解析服务 负责读取数据采集通信服务存储到数据库里 的数 据包 并且将数据包解析成结构化记录 最后存储到 数据库里 r=f 一 竺 兰 竺 ! 竺 兰 竺 j 一 数 据流 向 一一一 一依 赖关 系 图 2软 件体 系 实现 过 程框 图 Fi g 2 Bl o c k di a g r a m f or t he i mp l e me n t a t i o n o f s o f t wa r e s y s t e m 否 否 图 3 数据接收软件流程图 F i g 3 F l o w d i a g r a m o f d a t a r e c e i v i n g s o f t w a r e 5 2 3 数据采集数据处理服务 负责 读取 解析 服 务存 储 到数 据库 里 的结构 化数 据 同时检查数据的有效性 最后计算得 出设备能耗 日结算记 录和分项能耗用量 5 2 4分项能耗结算 服务 读取数 据 采集数 据 处理 服务 输 出 的分项 能耗 用 量 并计算得 出分项 能耗 日志记录 6节能 目标预测 依据 近年安徽 地区高校公共 建筑能耗调查 、节能 诊 断与改造工 作的经验 通过低 成本优 化控制策 略 、 调整设备实 际工作点 、加强设备维 护保养等管理节能 措施 可有效降低建筑能耗 2 0 以上 以合肥工业大学节 约型校 园建设方案 的工作计划 和实施 的建筑面积为例 按照建立该体 系带 来的降低 能耗 2 0 计算 通过该 项工作 的开 展 在该 系统 投 入运行后 预计从 2 0 1 0年初 到 2 0 1 2年底可 累计节 约 用 电 20 7 1 万 k Wh 7结语 该系统在合肥 工业 大学南校 区约 4 5万 mz 建筑 面 积投 入运 行后 实 现 了对整个 南 校 区的 电能实 时监 测 、记 录 ；电能分 类分时 段统计 、计费 ；分户 结算 ； 实时故 障诊断 、报 警 、查 询 ：用 电单 位的档案 管理 。 在安全运行 、节 电节能 、优化 管理等方面起到 了重要 的作用 对建设节 约型校园将 会产生深远 的影响 具 有重大 的社会意义 盏 1 万冬朝 ，杨明 ，陈明华 高校构建节约型校园的 对策刍议 山西农业大学学报 ，2 0 0 7 ( 5 ) ：9 1 9 3 f 2 1 田家泉 高校“ 节能型”校 园建设的措施及途径 科技信息，2 0 0 7 ( 8 ) ：9 ，5 6 3 任羽 中 甘露 如何 建设节 约型高校 科学 时 报 ，2 0 0 5 1 1 2 1( 5 ) f 4 1 赵源 王坷 建筑节能 技术措施 的分析 山西建 筑 ，2 0 0 5 ( 1 2) ：3 53 7 5 华东 建筑 设计研究 院 智能建筑 设计技 术 上 海 ：同济大学出版社 2 0 0 2 2 0 1 00 8 1 2来稿 2 01 00 92 8修 回 墼凰堡 篓蔓 堕 毒 瞅 奠 宴 一J2 _ 7 _一