引言

隨著節(jié)能減排政策推進(jìn),建筑能耗問題越來越受到人們關(guān)注。為了方便人們了解建筑實(shí)時(shí)能耗和改變用戶的用電習(xí)慣，降低用能客戶能源成本，同時(shí)便于電網(wǎng)企業(yè)實(shí)施區(qū)域性建筑樓群的需求側(cè)管理,滿足政府對建筑領(lǐng)域技術(shù)節(jié)能和管理節(jié)能的整體要求，本文主要介紹建筑的能耗監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

傳感器——輸入操作指令，發(fā)送到管理主機(jī)或執(zhí)行器。

執(zhí)行器——輸出動作指令，執(zhí)行樓宇設(shè)備的通斷及調(diào)節(jié)。

管理主機(jī)——信息處理中心，接收指令和傳達(dá)指令到執(zhí)行器，執(zhí)行器動作。

通信模塊——傳遞信息指令，信息聯(lián)接指令傳輸通信。

動作元件——接收信息指令，執(zhí)行相關(guān)動作的配套元件。

云平臺——分析處理采集的各方面數(shù)據(jù)，并發(fā)出告警及管理指令。

圖1  系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

2、技術(shù)方法

建筑能耗檢測與智能控制的能效服務(wù)，通過采集器和智能管理主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與智能控制。智能管理主機(jī)一方面通過 RS485 總線與底層各種設(shè)備連接通訊，另一方面通過互聯(lián)網(wǎng)與頂層設(shè)備的建筑能效監(jiān)測與控制管理中心連接通訊，有關(guān)電表、水表、煤氣 表、熱能表則通過 RS485 總線與能耗采集器連接，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存至能耗采集器，能耗采集器通過互聯(lián)網(wǎng)與頂層（ 設(shè)備 ) 的監(jiān)測與控制管理中心連接通訊，對建筑實(shí)現(xiàn)主動控制或智能控制的方式,實(shí)現(xiàn)對建筑的節(jié)能服務(wù)管理。

底層各種設(shè)備包括：帶有 RS485 總線接口的電表、水表、煤氣表、熱能表、能耗監(jiān)測控制插座、能耗監(jiān)測控制開關(guān)執(zhí)行器、智能照明控制面板、數(shù)據(jù)采集器、紅外轉(zhuǎn)發(fā)器等。

頂層設(shè)備包括：服務(wù)器、電腦以及管理系統(tǒng)軟件等， 頂層設(shè)備對對底層各種設(shè)備、四表進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，同時(shí)做出相應(yīng)的判斷、操作，必要時(shí)對底層各種設(shè)備進(jìn)行控制、設(shè)置或編程。

該系統(tǒng)可以通過服務(wù)器向手機(jī) APP端推送各種信息,同時(shí)也接收手機(jī) APP端的操作指令，就是通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，實(shí)現(xiàn)與上級平臺的通訊，實(shí)現(xiàn)更大范圍用能終端的監(jiān)測與管理，形成電能服務(wù)管理平臺與建筑能效服務(wù)云平臺的融合對接，以實(shí)現(xiàn)對所有用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、預(yù)警，并實(shí)施主動控制或智能控制的方式，實(shí)現(xiàn)建筑能效的動態(tài)優(yōu)化控制策略，進(jìn)而提供用戶運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指導(dǎo)方案。

3、系統(tǒng)組成架構(gòu)

建筑能耗監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，是由各元件通過總線連接成一條支線，幾條支線組成一個(gè)區(qū)域,幾個(gè)區(qū)域構(gòu)成一個(gè)大的系統(tǒng)。 一條支線可以最多連接 64 個(gè)總線元件，每個(gè)區(qū)域最多可以容納 15 條支線，每個(gè)系統(tǒng)最多可以有 15 個(gè)區(qū)域。 系統(tǒng)組成構(gòu)架如圖 2 所示。

圖2  系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)比較小、一條支線足以容納的情況下，可以不必配置線路耦合器,如圖 3 所示。 在同一條支線內(nèi)，電源模塊與 MG元件的最遠(yuǎn)距離為 350m，兩個(gè)元件最大距離為 700m，整條支線的長度最大不超過1000m。 支線與支線之間的相連稱為主干線，同樣需要一個(gè)電源進(jìn)行供電，對總線元件數(shù)量和距離的要求與支線相同。

系統(tǒng)也可以通過智能管理主機(jī)直接與以太網(wǎng)相連，如圖 4 所示。 在這種情況下，智能管理主機(jī)可以替代線路耦合器或者中轉(zhuǎn)器的作用。 這種方式可以解決超遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，同時(shí)可以提高系統(tǒng)主干線的傳輸速率。

圖4  配置智能主機(jī)系統(tǒng)組成架構(gòu)圖

4、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

4.1  物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

針對物聯(lián)網(wǎng)全面感知及信息處理向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展， 本研究方向從多功能傳感芯片與元器件、嵌入式傳感系統(tǒng)、感知信息融合處理等 3 個(gè)層次開展研究工作。

(1) 多功能傳感芯片與元器件

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在很多情況下都需要在一個(gè)復(fù)雜環(huán)境下感知多個(gè)多類物理信息，本方向重點(diǎn)研究多傳感在芯片級、元器件級的集成創(chuàng)新。

(2) 嵌入式傳感系統(tǒng)

傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,是物聯(lián)網(wǎng)全面感知的重要手段。

(3) 感知信息融合處理

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多類多個(gè)傳感器感知信息的融合處理，直接關(guān)系到信息采集的有效性、準(zhǔn)確性與可靠性。通過有效信息的提取、網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)感知和自適應(yīng)編碼等手段，提高多媒體信號在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的服務(wù)質(zhì)量。

4.2  總體技術(shù)框架

4.2.1  平臺功能框架

建筑能耗監(jiān)測與智能控制，主要是針對建筑物的水、電、煤、氣的消耗使用情況進(jìn)行監(jiān)測，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行各個(gè)耗能設(shè)備的智能控制。 本平臺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為建筑、設(shè)備管理、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中間部件、數(shù)據(jù)接口、權(quán)限體系，并在此基礎(chǔ)上搭建能源管理系統(tǒng)，通過對配電房、燃?xì)廪D(zhuǎn)壓、供水泵房、換熱站進(jìn)行各項(xiàng)耗能情況的檢測，通過空調(diào)管理、路燈管理、工程管理優(yōu)化耗能結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)能耗、分項(xiàng)能耗、設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時(shí)預(yù)警，以此實(shí)現(xiàn)能源審計(jì)與能源公示，并取得建筑節(jié)能方案的優(yōu)化。平臺功能框架圖 5 所示。

圖5  平臺功能框架圖

4.2.2 平臺技術(shù)架構(gòu)

平臺通過工業(yè)組態(tài)數(shù)據(jù)采集接口、安防數(shù)據(jù)接口等各種接口，通過統(tǒng)一的通信中間件或者 OPC開放協(xié)議，向各個(gè)數(shù)據(jù)單元傳輸數(shù)據(jù),通過建模分析各個(gè)數(shù)據(jù)，生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)，并最終與各終端應(yīng)用相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑的能耗檢測與智能控制。 平臺技術(shù)架構(gòu)如圖 6 所示。

圖6  平臺技術(shù)架構(gòu)

4.3  建筑能耗監(jiān)測

4.3.1  能耗分類分項(xiàng)

(1) 建筑基本信息采集與統(tǒng)計(jì)，含建筑物基本信息調(diào)查,建筑近年能耗水耗賬單采集與統(tǒng)計(jì)；

(2) 建筑分類能耗，包括電量、水量、燃?xì)狻⒓泄崃?、集中供冷量、煤、液化石油氣、人工煤氣、汽油、煤油、柴油、可再生能源、其他能源?yīng)用量；

(3) 建筑分類水耗，包括市政自來水耗量、非傳統(tǒng)水源利用量；

(4) 室內(nèi)耗能設(shè)備或系統(tǒng)基本信息采集與統(tǒng)計(jì)；

(5) 運(yùn)行管理節(jié)能及行為節(jié)能調(diào)查（含建筑用能管理制度)、建筑內(nèi)人員行為節(jié)能調(diào)查。

4.3.2  能耗診斷

設(shè)計(jì)一套實(shí)用的能耗分析初步方案，包括能耗參考值設(shè)置、能源使用量分析、能源使用費(fèi)用分析、能耗總基準(zhǔn)分析、能耗平均基準(zhǔn)分析、分項(xiàng)回路分析和能耗分析報(bào)告，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和節(jié)能分析。

4.3.3 能耗公示

（1) 建筑基本信息

建筑基本信息，包括建筑名稱、建筑面積、建筑層高、建筑層數(shù)、建筑功能、建成及使用年份、常駐人數(shù)、主要用能方式等。

（2) 能耗水耗指標(biāo)

能耗水耗指標(biāo)，包括年度總能耗量、年度總水耗量。

能耗水耗公示，包括實(shí)際能耗水耗量和標(biāo)準(zhǔn)量。 年度分類能耗量:年度耗電量、年度燃料（煤、氣、油等) 消耗量、年度集中供熱量、年度水耗量等。

年度分類水耗量：市政自來水耗量、非傳統(tǒng)水（雨水、中水) 耗量。

年度單位面積能耗量、年度單位面積水耗量、年度生均能耗量、年度生均水耗量。

4.3.4 決策支持系統(tǒng)

系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能為目標(biāo)，以強(qiáng)大的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以優(yōu)化的控制算法為核心，以帶有自學(xué)習(xí)功能的能耗趨勢為開環(huán)運(yùn)算依據(jù)，以客觀的能耗分析為評價(jià)指標(biāo)，以用戶的多元需求為服務(wù)宗旨，以對原有系統(tǒng)最小改動量為前導(dǎo)，體現(xiàn)優(yōu)異的降耗指標(biāo)。

系統(tǒng)能夠根據(jù)應(yīng)用需求給出系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)任意范圍、任意時(shí)間段、任意能耗系統(tǒng)、任意單個(gè)設(shè)備的詳細(xì)能耗數(shù)據(jù)；用戶可根據(jù)查詢需求個(gè)性化選擇匯總方式生成詳細(xì)的能耗數(shù)據(jù)報(bào)表，還可將能耗數(shù)據(jù)報(bào)表生成諸如柱型圖、曲線圖、餅圖、點(diǎn)圖、面積圖等統(tǒng)計(jì)圖表，從而直觀地對數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗分析，如圖7~圖8 所示。

圖7  能量對比拼圖

圖8  能耗分析線形圖

5、結(jié)論

建筑能耗檢測與智能控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測建筑能耗數(shù)據(jù)與智能控制相結(jié)合，能夠得出建筑能耗的優(yōu)化方案，大大降低傳統(tǒng)建筑的能耗。

系統(tǒng)采用統(tǒng)一的 485 協(xié)議，各個(gè)設(shè)備只需符合協(xié)議便可在系統(tǒng)中使用，方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)和集成商的集成、布線簡單清晰，減少了線材的使用，方便后期的維護(hù)工作，同時(shí)便于用戶的統(tǒng)一管理。