宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：文章通過闡述大型公共建筑能耗現狀，突出大型公共建筑實施節能監管的必要性，并在系統總結運用技術手段實施建筑能耗監測的基礎上，介紹了江蘇省建筑能耗監測系統研究過程中的技術創新和應用情況。
關鍵詞：公共建筑；建筑能耗；監測；節能
0 前言
為隨著我國工業化和城市化進程的加速，高速發展的建筑業以及不斷擴大的建筑規模使得建筑能耗日益增長問題越來越凸顯。預計到2020年，我國城市生活人口將達到總人口數的56％以上，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。目前，建筑耗能已與工業耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的3大“耗能大戶”。在建筑能耗中，國家機關辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問題日益突出， 共性問題是能耗總量大、增長速度快、能耗指標高、終端用能設備總體能效水平低等。據統計，國家機關辦公建筑和大型公共建筑總面積不足城鎮建筑總面積的4％，單位面積年耗電量達到70 kW·h～300 kW·h，為普通居民住宅的 10～20倍，占全國城鎮總耗電量的22％，是歐洲、日本等發達國家同類建筑的1.5～2 倍。因此，建立健全國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能監管體系，依托科技手段，實施全過程、全壽命監督管理，對實現節能減排戰略目標具有重要的意義。作為建筑節能監管體系建設示范省，江蘇省按照住房和城鄉建設部的部署要求，組織開展了大型公共建筑能耗監測與信息管理系統研究，并進行了示范推廣應用，取得了階段性成效。
1 建筑節能監管與能耗監測
根據《關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能管理工作的實施意見》要求，住房和城鄉建設部在狠抓新建建筑執行建筑節能強制性標準的同時， 明確提出要通過能耗監測、能耗統計、能源審計、能效公示、制度建設等監管措施， 促進既有高耗能國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能運行和改造。
建筑節能主要通過技術和管理2種手段來實現，技術手段主要包括建筑圍護結構熱工性能的提升和建筑設備系統能效的優化，管理手段主要是指建筑業主對能源消耗行為的管理和政府主管部門對建筑能源使用的約束。對于大量的既有公共建筑，技術手段涉及圍護結構和設備系統改造，雖可以有效的降低建筑使用能耗，但是存在投資大、見效慢、周期長等問題；管理手段側重于主觀方面，通過人工調節和行為控制來降低建筑運行使用能耗，能耗監測就是其中投資少、見效快的主要方式。
能耗監測主要通過在建筑設備末端安裝分項能耗計量裝置，采用公共網絡等遠程傳輸手段，及時采集分析能耗數據，實現建筑能耗的在線監測和動態分析，是掌握用能狀況，發現用能問題，研究用能標準和實施節能改造的重要環節。通過能耗監測，可以科學判斷運行模式的合理性，判斷系統能耗水平的高低，判斷系統的用能合理性。尤其對于配電支路錯綜復雜的高能耗既有公共建筑，可以精確查找建筑高能耗環節，從而進行優化管理。能耗監測不僅有助于提供基礎數據和編制分析報告，為業主指明節能管理方向；同時，對用能單位能源的消耗和使用也起到了監督和管理作用。
為進一步規范建筑能耗監測系統建設，發揮工程建設標準的科技支撐和約束引導作用，按照住房和城鄉建設部及江蘇省住房和城鄉建設廳關于國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測工作的要求，江蘇省工程建設標準《公共建筑能耗監測系統技術規程》（ DGJ32/TJ111-2010 ）對建筑用能的分類、分項、建筑能耗監測的范圍以及能耗監測系統工程的設計、施工、檢測、驗收和運行維護的全過程提出了技術要求，以確保系統采集的能耗數據真實。規程明確要求能耗監測系統采集的數據應遠程傳輸給省、市級建筑能耗監測數據 ，并提供給建筑所有權人、業主或其委托的物業管理單位，為制定節能政策、加強用能管理等提供科學可靠依據。
2 能耗監測與信息管理系統
目前大多數公共建筑只有總電表、總氣表等為數非常少的計量表具，缺乏樓宇內部各個用能子系統的實時、分項用能數據，難以的掌握樓宇中各個子系統各自的用能現狀，無法實現科學的用能管理。能耗監測最初起源于分項計量設想的提出，好比醫生通過儀器對病人進行科學性診斷，查找“病癥”所在部位，實施針對性的“治療”。2006 年北京市率先開展了國家機關辦公建筑和大型公共建筑分項用電計量項目研究，并初步實現了分項用電數據穩定持續的獲取、傳輸、存儲和分析，這即是最初的建筑能耗監測系統。江蘇省自2007年開展能耗監測調研與研究，并于2008年起實施能耗監測項目試點，依托省級建筑節能專項引導資金落實了分項計量工程項目和數據 建設。
監測建筑能耗數據展示可為建筑業主等單位提供建筑的分類分項用能狀況的統計數據，使其定量了解建筑內各部位的能源消耗情況，為指導節能運行管理、實施節能改造等工作提供技術保障。為實現能耗監測平臺對建筑用能橫向對比發現問題、縱向挖掘節能潛力的建設目的，江蘇省依據國家有關技術導則要求，結合工作實際，自行研發了能耗監測與信息管理系統，并在以下3方面進行了技術集成創新。
2.1 基于Flex技術大型公建能耗監測平臺的開發方法
目前關于能耗監測應用軟件的開發傳統主要采用net技術和J2EE技術，實現的功能側重于能耗數據的查詢與展示。但建筑耗能與很多因素有關，如建筑物的形狀、面積、朝向、層數等多種因素有關，同時也與建筑物的空間環境相關。傳統的開發方法很難描述建筑物的空間環境、建筑物的構造特點等與建筑自身屬性相關的問題，且傳統的開發方法基于查詢驅動，系統模式簡單，信息量不足，與用戶交互性較差。
針對傳統方法較難描述建筑物空間屬性和信息量不足的缺陷，本系統采用Flex技術開發能耗監測與信息管理系統軟件，結合三維（3D）仿真地理地圖對建筑空間屬性進行描述，將能耗數據與建筑的3D地理信息相結合，直觀展現建筑的能源消耗情況。通過對建筑區域建立3D仿真地理地圖，并將3D仿真地理地圖進行切割成分級瓦片地圖數據，再基于 Flex 環境開發地圖顯示程序組件，動態調用分級瓦片地圖，實現輕量級的3D地圖服務功能，并將地圖坐標信息與建筑的能耗統計信息進行有機融合，通過地圖縮放實現以不同粒度動態查詢及比對多個建筑的能耗分析統計信息。
2.2 建筑支路異常能耗診斷技術
建筑支路異常能耗可能造成能源浪費，也可能造成安全事故，建筑支路異常用能預警是一項重要的節能服務內容。建筑海量的能耗數據隱藏著大量的用能特征信息，通過對歷史能耗數據進行信息挖掘，對異常用能情況進行捕捉，及時給出預警信息。建筑支路異常能耗分析傳統上借助一些數學方法，如統計法、偏差法、密度法等，較多地從數學的角度考慮算法，并不能反映建筑支路異常能耗數據產生的原因，這些算法只是在少數研究人員中進行研究，缺乏廣泛的應用價值。建筑支路異常能耗診斷技術克服了現有技術
中的不足， 提出了一種基于自組織映射網絡的建筑異常能耗支路的在線診斷方法。通過該診斷技術，實現自適應的檢測模型，自動在線監測建筑各能耗支路的用能情況，當異常特征發生時，及時給出預警信息。
2.3 智能樓宇中海量信息的壓縮方法
由于建筑能耗監測與信息管理系統實時接收來自監測建筑的能耗信息，監測的數據點多，而采集的時間又相對較短，因而要保存的歷史數據量非常大，如果將這些數據直接存儲，不僅會占用大量的系統存儲空間，而且會降低數據的實時性，使數據的傳輸、查詢和分析變得困難。 本系統針對建筑能耗數據的特殊性，考慮不同特性數據點的需求，研究了一種智能樓宇中海量能耗信息的壓縮方法，即采用多級壓縮策略與自控精度SDT數據壓縮算法。利用開放性的記錄方式給予系統配置以的自由度， 有效地過濾冗余數據。利用數據平滑方法對數據序列中強噪聲點進行處理，使得處理后的數據能接近被測參數的實際值， 降低了傳感器的測量精度誤差給數據處理帶來的影響。數據處理過程中采用了周期跨度的保存方式，具有很高的壓縮比，與內存數據庫中的緩存結構設計相結合，使得壓縮方法與結構設計相得益彰。
3 系統應用
江蘇省建筑能耗監測與信息管理系統具備各種建筑能耗實時分類/分項計量、數據采集與存貯、數據統計與分析、數據發布與遠傳等基本功能，已先后應用在南京、無錫、常州、蘇州等市級監測 ，實現了對轄區內大型公共建筑能耗動態監測的目標。系統可展示三個主要頁面：建筑信息配置頁面、建筑能耗統計查詢頁面和實時監測頁面。其中：建筑能耗查詢頁面包括各類日常工作的數據報表，以及對應不同度量值不同展示維度的數據圖表。數據報表主要包括建筑物、區域用能情況的日報表、月報表、年報表等，數據圖表主要包括數據曲線圖、餅圖、柱狀圖等，直觀反映和對比各項采集數據和統計數據的數值、趨勢和分布情況。此外，省級建筑節能監測 除負責省屬大型公共建筑動態監測外，發揮橋梁紐帶作用，承擔向 級建筑能耗數據 上傳數據任務。
從2008年起，江蘇省實施的建筑能耗監測系統一期工程中要對8大類、798萬m2公共建筑能耗進行在線動態監測，其中：辦公建筑73幢、商場建筑19幢、賓館建筑21幢、教育建筑73幢、醫療衛生建筑18幢、體育建筑7幢、綜合建筑7幢、其他建筑21幢。運行以來，系統穩定可靠，功能齊全，為加強用能監管管理提供了科學數據和技術支撐，獲得了良好的經濟效益和社會效益。目前，已對數據傳輸長期穩定、可靠、連續的部分監測建筑開展用能診斷分析，科學查找用能存在問題，提出改進措施，進一步發揮能耗監測的作用。
4 工程案例分析
某棟4層商用寫字樓，底層商業用房尚未使用，2至4層為辦公用房。該樓宇安裝電能表分別計量照明、空調、機房、廚房等8個回路的用電情況，并實現了遠程動態監測。其中：各樓層的照明插座用電，包括辦公室的照明、辦公設備等；各樓層的空調用電是 空調機的能耗；機房內主要耗能設備是計算機網絡設備和 空調；廚房餐廳支路包括2樓廚房的設備用電、2樓餐廳的空調用電等。
圖1 4月至11月各層照明插座用電比較
從圖1可知，總體上該樓照明插座用電的變化規律相同，符合工作人員作息時間一致的現狀；4樓工作人員較多，日用照明插座負荷相對較高，監測結果對此予以驗證；2樓計量的面積較少，故能耗較3、4樓也較少。
從圖2可知，各層空調用電基本規律相同，7 、8月份是空調用電的高峰期。3樓與2樓的空調用電基本相同，但考慮到2樓的計量面積較少，故2樓的單位面積空調用電較高。4樓空調用電夏季使用較多，符合其人數較多的現狀，而進入11月份其空調用電較2、3樓低，可能與其工作人員中占多數的年輕人對低溫適應能力較強而未開啟空調有關，見圖 2 。
圖 2 各層空調用電比較
圖 3 所示為機房用電情況趨勢圖，從圖中可知機房用電比較規律，日用電在300 kW·h 左右，用電基本在12.5 kW·h左右，起伏很小。這與機房內各類設備24h全天候工作情況相符。機房內各類計算機網絡設備工作狀態下的能耗基本不變， 空調的工作能耗與氣溫情況關系不大。
圖 3 機房用電情況 圖 4 廚房餐廳用電情況
該樓宇廚房餐廳主要為辦公人員準備午餐，其工作時間是周一至周五的早8時到14時左右。從圖4可知，廚房餐廳的用電基本符合其工作規律，4個波谷對應的正是當月的4個雙休日；這一用電支路還包括1 樓大廳的用電，故14時之后還有物業的接待與值班人員活動的用電能耗。根據能耗動態監測結果和現場調查分析，可以得知該樓宇用電基本正常，未發現較大異常用電現象。
5安科瑞 用能單位能耗在線監測系統
5.1.系統概述
工業能耗在線監測系統是一個集成Intranet/Internet網絡技術、GPRS無線傳輸技術、Web Service軟件技術、數據庫技術等于一體的大型數據綜合管理系統。系統為管理者、各級能耗內部用戶、瀏覽者提供了一個訪問的網絡通道，搭建了一個合理、高效的信息傳輸平臺和管理平臺。工業能耗在線監測系統的開發應用為政府管理部門、企業生產管理、計量管理、節能管理提高到一個新的高度，是我們對節能減排、節能降耗實現的一種行之有效的解決方案。
能源組成及監測內容：
圖5能源組成
圖6監測內容
用電類：采集采暖、鍋爐、空調、制冷、照明、辦公、電梯、水泵、風機、通風機等耗電設備的用電信息。主要監測其用電量，對于大耗電設備監測其電流、電壓及功率因數等信息。
配電類：采集6kv/10kv配電開關設備、變壓器，狀態信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電能質量、電能量等。
用水：自來水和蒸汽；采集具有485通訊功能的智能熱量表、蒸汽流量計、水表等；
用氣：煤氣、天然氣；采集具有485通訊功能燃氣表；
環境參數：采集具有485通訊功能的溫度/濕度計；采暖空調供回水溫度；
5.2.系統框架
圖7系統框架
(1)能源消費管理系統：該系統可以對 用能企業煤、電、油、氣、熱、水等能源和耗能工質進行定期錄入和實時采集，并將收集到的能耗數據進行整理存儲，為匯總分析和上報作數據支持。
(2)能源利用狀況信息報送系統
用能企業可通過該系統將企業本年度的《能源利用狀況報告》，報送至市節能監察 ，經初審核后，上傳至省節能監察總隊審核，而后上報國家有關部門。
(3)單位能耗水平識別評價系統
利用 用能單位能耗數據，對企業用能狀況進行分析評價，查找問題。為政府節能管理部門掌握、分析信息和研究節能改造并制定相關政策措施提供科學的依據和平臺。
(4)決策服務和咨詢服務系統
系統提供直觀、簡明、快捷的數據信息查詢和決策支持服務。對 用能企業的能耗進行科學、合理的咨詢指導，幫助 用能企業做出及時、正確、可行、有效的解決方案。
(5)能耗預測、能源安全預警系統
通過系統掌握 用能企業能源購置、使用、消耗及生產情況，對企業的用能情況進行綜合的評判和分析，對比同期值和限定值，對能耗超標情況予以預警提示。
在獲取能源使用的基礎上，進行數據挖掘分析，實現能耗的預測分析功能，為政府相關部門的宏觀決策提供支撐體系。
(6)節能監察及信息發布、法律法規知識培訓系統：
通過該系統平臺，可對省 耗能企業做節能監察工作；發布節能法律法規標準以及能源基礎知識、能源統計知識、節能監測方法等資料；處理日常節能管理工作相關的公文、通知、公告等。
5.3.系統網絡結構
系統把數據信息從各個企業的能源監控 采集到后臺的數據庫系統，經分析與處理，提供分析預測和預警功能。同時通過門戶網站、無線終端等手段為省、市領導以及相關委辦局提供了多方位、可視化的便捷服務。
圖8系統結構
5.4.能耗監測系統產品選型
6 結語
建立健全大型公共建筑節能監管體系建設，實現公共建筑能耗的可計量、可監測、可分析、可診斷，逐步推進高耗能公共建筑的節能改造，實現公共建筑和大型公共建筑單位面積能耗分別下降10%和15%，是“十二”期間公共建筑節能工作總目標。
開展建筑能耗監測管理，為建筑業主提供有效的建筑能耗數據，有助于管理者了解建筑用能狀況，有助于強化建筑運行管理措施，有助于提高建筑能源利用效率，是建筑節能監管不可或缺的重要科技支撐。
【參考文獻】
[1] 路宏偉.大型公共建筑能耗監測與信息管理系統研究及應用
[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監測及剩余電流監測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）