能源管理系统在智能建筑中的应用研究

文｜南京天溯自动化控制系统有限公司 杨 毅 苗升伍

1 引言

我国随着经济、社会的发展和环境、资源压力的增大，对节能减排的需求越来越迫切。据统计，我国有近30%的能源消耗在建筑物上。做好建筑，尤其是大型建筑的节能管理工作，不仅直接关系到“十二五”单位GDP能耗降低20%的节能战略目标的实现，而且对整个节能减排工作有着强有力的示范作用。

目前建筑节能大多从两方面入手，一方面是建筑设计，另一方面是建筑智能化系统。建筑设计与节能相关的内容涉及建筑物的整体结构、建筑物的围护结构以及室内环境的舒适性。建筑智能化系统与节能相关的子系统包括建筑能耗监测系统、BA控制系统、空调节能控制系统、电能量管理系统、环境控制系统。这些建筑智能化子系统都是针对建筑能耗中的单一环节进行评估的，并没有把整个建筑物的能耗作为一个有机整体进行分析和优化的系统方案和技术实现。智能建筑能源管理系统利用最新的数据处理与通信技术，对建筑内的智能化子系统进行集成与整合，形成高品质的全景数据库，并以此为依据建立客观能源消耗评价体系，及时了解真实的能耗情况和提出节能降耗的技术、管理措施，协助管理者制订新的用能模式和考核办法，实现建筑节能降耗的目的；同时在数据不断积累的过程中，为用户发现更多的节能机会，为后期的调整与改扩建提供更优化的能源供应与管理方案。

2 现状分析

（1）中央空调系统冷冻制冷系统的能耗大约有15%～20%是消耗于冷冻水的循环输配中，这主要是因为冷源水回路与负荷水分配回路的水量在部分负荷回路中存在供需矛盾，包括二次回路负荷之和大于机组制冷负荷，以及冷源侧供水量变化阶梯性与负荷侧需求量动态变化不协调性的矛盾。

（2）电梯、通风系统设备、照明设备等给建筑的电网带来大量的谐波，导致出现电网电压波动、闪变等不安全因素。

（3）智能建筑用电设备多，负荷（包括消防与平时兼用负荷）比一般民用建筑大得多；没有进行分项计量，各种设备的用电量混合在一起，不能分别显示照明用电、空调用电、动力用电和特殊用电等的全年能耗。

（4）目前智能建筑大多拥有较完整的变/配电系统、智能环境监控系统、暖通系统、安防系统、BA系统等，但是仍存在许多问题：

◆ 各个系统运行/操作方式复杂、设备种类繁多、效率不高，且相互独立，没有统一的数据平台——值班人员无法知晓各个子系统的具体运行情况，容易造成不必要的能源浪费；对突发的紧急状况，不能快速处理与解决，容易造成设备损坏，影响正常供电；管理方的很多好的管理想法无法落实，复杂的比较分析功能无法实现，经验数据无法积累，无法做到能源的精细化管理；

◆ 网络与信息系统面对各种威胁不具有足够的抗攻击能力，系统数据安全性低；

◆ 系统专业化，没有适合大厦的相关管理功能；

◆ 系统人机界面不够友好、操作不够人性化，难以提高操作效率。

3 能源管理系统架构

能源管理系统由间隔层、通信层、站控层三部分组成。

间隔层即指现场监控层，实现现场数据采集和就地显示功能等。采集设备分为电量采集设备和非电量采集设备两大类。电量采集主要通过网络电力仪表进行，非电量采集主要通过智能水表、智能燃气表进行。采集设备通过通信接口上传数据到通信层。

通信层是系统信息交换的桥梁，使系统能适应不同的通信网络拓扑结构，主要由数据采集器、以太网交换机、通信介质等组成。通信层实现与间隔层各种智能设备的通信，收集各智能设备的信息；同时实现与站控层设备通信、向上级能源管理等系统上传各设备的信息等功能。

站控层负责完成对整个能源管理系统数据的采集、处理、显示和监视功能，协助建筑管理人员对大楼能源的供应与使用，进行全面的监控与管理，对各项能耗实行精细化分析，搭建能源使用节约化模型并进行效果预测等。

4 能源管理系统架构设计

能源管理系统架构，如图1所示。

（1）间隔层设备主要包括安装于0.4kV低压配电柜的网络电力仪表、水表适配器、燃气表、空调节能及计费终端、智能照明控制模块等。建筑内各区域的电源直接由各区域变电所内的0.4kV低压配电柜提供。为了保证各精密仪器的高品质用电，提高建筑运行管理水平，可考虑配置多功能网络电力仪表完成对低压系统动力、照明、插座、空调等部分的实时监控功能。网络电力仪表需具有丰富的电量测量功能，如电压、电流、功率、电度测量等，能进行需量统计、越限告警等多种数据统计和告警，还具备定时自动抄表以及上次清零后累计电能功能，方便实现大楼的电能统计管理，为未来实现节能减排提供完整的实时数据。此外，各网络电力仪表还可选配断路器位置采集开入功能以及断路器遥控输出功能，使工作人员能在后台监控电脑上轻松完成对现场0.4kV系统运行方式的全面监视与控制。水表及燃气表需带RS485通信接口，方便各分站监控屏的数据采集及上传。空调控制模块通过与能源管理系统通信，实现与其的控制指令和采样数据交互。基于KNX/EIB的环境控制终端和传感设备完成环境参数的采样以及通断、调光等控制。

图1 能源管理系统架构图

（2）通信层对于分类分项数据采用数据采集器进行采集与传输，对普通数据采用通信管理机进行采集与传输。智能控制模块各总线元件通过KNX总线组网；中央控制系统通过以太网连接到总线上的IP网关，与KNX总线系统进行通信，并通过Falcon（RS232、USB、EIBnet/IP）将信息汇总到能源管理平台。

（3）能源管理系统对建筑内使用的能源（水、电、气、暖等）的数据进行综合管理、分析并提供具体的节能措施，实现“数字化”的能源输配及平衡，避免出现不必要的浪费，使能源的计划投入和实际使用相平衡，做到少投入多产出；同时，根据现场运行情况，对运行状态进行跟踪，分析运行能耗数据，寻找最佳工况点，深度挖掘节能空间，提供最合理、最节能的运行策略。

5 能源管理系统功能实现

能源管理系统根据BA系统、中央空调管理系统以及智能照明等系统提供的运行策略，对能耗数据进行分析处理，依托能源管理平台，建立数据模型；在这些系统运行过程中寻找其最佳运行效率，并对其长时间的运行策略进行分析预测，以期实现最佳运行效果，进一步实现节能。能源管理系统应用层的主要功能包括完善的能耗监测、中央空调节能控制、设备台账管理、设备性能评价、能源成本分析、数据共享与集成。

（1）完善的能耗监测

建筑能耗包括电、水以及空调热/冷量，其中水和空调热/冷量通常按区域进行能量计量，而电则划分为不同的分项、子项，如照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊区域用电进行计量。

①照明插座用电

照明插座用电是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两个子项。前者指建筑物主要功能区域的照明灯具和使用插座的室内设备，如计算机等办公设备的用电；后者指建筑物公共区域的灯具，如走廊、卫生间等的公共照明设备的用电。

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，包括冷热站用电、空调末端用电两个子项。冷热站主要包括冷水机组、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采暖循环泵（即采暖系统中输配热量的水泵。对于采用外部热源、通过板换供热的建筑，仅包括板换二次泵；对于采用自备锅炉的建筑，包括一、二次泵）。空调末端主要包括全空气机组、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。

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）用电的统称。动力用电包括电梯用电、水泵用电、通风机用电三个子项。

④特殊区域用电

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，包括信息中心、洗衣房、厨房、餐厅、食堂和其他特殊用电，特点是能耗密度高、所涉用电区域及设备的电耗在总电耗中占的比重大。

特殊区域用电的计量需采用专用数据采集器，通过计算机网络，将能耗数据送往能源管理系统。

（2）中央空调节能控制

中央空调水系统由冷冻水泵、冷却水泵、制冷主机、冷却塔等环节构成，能耗较大。常见、传统的节能方式是通过对水泵进行简单的变频实现水泵的节能。但是，在整个系统中，水泵的能耗通常只占到总能耗的1/4～1/3，因此仅实现水泵的变频节能，其节能量有限；而尤其值得注意的是，组成中央空调水系统的各部分是相互关联、相互影响的，如果单独考虑水泵的变频，会产生由于流量的变化造成主机侧外围温度场发生变化，可能进而引起主机运行工作点漂移，导致主机能耗增加的结果，也就是通常所说的“水泵节能，主机耗能”的情况。因此仅进行水泵侧的节能，其节能是局部的、有限的，且会对系统的总体节能带来不利影响。能源管理系统以整个中央空调水系统作为整体控制对象，在充分利用变频技术节能的同时，全面考虑主机的效率，使冷冻水和冷却水循环流量向着主机效率提高的方向改变，最终实现末端单位负荷的输出系统能耗（包括主机的耗电量、各种水泵风机的耗电量）最小。

（3）设备台账管理

设备台账管理不仅包括耗能设备基本信息的管理，还包括检测区域内所有建筑及耗能区域信息的管理。

①设备台账管理涉及的信息数据包括：

◆ 建筑基本信息，应包括建筑名称、建设年代、建筑高度和层数、建筑功能、建筑总面积、空调面积、采暖面积、建筑空调系统形式、建筑采暖形式、建筑体型系数、建筑结构形式、建筑外墙形式、建筑外墙保温形式、建筑外墙类型、建筑玻璃类型、窗框材料类型、经济指标（电价、水价、气价、热价）、节能改造时间等信息（根据江苏省《公共建筑能耗监测系统技术规程》的要求）；

◆ 耗能区域信息，包括区域名称、区域功能、区域包含范围（建筑、楼层、房间或位置）等信息；

◆ 设备信息（即设备台账），包括设备编号、设备铭牌信息、投运时间、使用寿命、历次检修记录、更换记录、检修期内的平均能耗和总能耗、安装位置（建筑、楼层、房间或位置）等信息。

②设备台账管理的主要功能包括：

◆ 实现设备信息的录入、检索和对比；

◆ 自动记录设备的平均能耗和总能耗；

◆ 提供设备检修情况记录；

◆ 自动进行设备检修时间和设备寿命的提醒；

◆ 提供灵活的耗能区域的定义。

（4）设备性能评价

设备性能评价主要是针对暖通系统设备进行能效指标的分析，其主要功能是：

◆ 计算耗能设备的能效比；

◆ 计算中央空调的全年平均能效比；

◆ 计算中央空调的配置裕量系数；

◆ 计算耗能设备的寿命周期成本率；

◆ 对耗能设备进行评分或评级；

◆ 提供同类耗能设备能效比的对比分析；

◆ 提供同一耗能设备不同时间能效比的对比分析；

◆ 输入新设备的额定功耗、投资成本、使用寿命等数据，计算该设备的寿命周期成本率。

设备的寿命周期成本率按如下方式计算：

寿命周期成本率＝（投资成本+寿命年限总运行费用）/总寿命年限

式中，投资成本包括设备成本、安装费用、机房所占的建设费用，单位为元；寿命年限总运行费用包括寿命周期内的运行电费、维护人工费、维护材料费和机房场地费。

（5）能源成本分析

能源成本分析有五项主要功能。

①支持对一段时间（日、月、年）内各建筑的能耗进行占比分析和排名分析，具体包括：

◆ 将建筑中的各种能耗换算成标准煤当量，进行占比计算和排名分析；

◆ 在分析结果中显示建筑能耗总量、单位建筑面积能耗量、各种能耗的总量、各种能耗费用和总费用；

◆ 可按能耗总量分析和成本分析两种方式显示分析结果。

②支持对一段时间（日、月、年）内各功能区域的能耗进行占比分析和排名分析，具体包括：

◆ 将功能区域涉及的各种能耗换算成标准煤当量，进行占比计算和排名分析；

◆ 在分析结果中显示区域能耗总量、单位建筑面积能耗量、各种能耗的总量、各种能耗单价、各种能耗费用和总费用；

◆ 可按能耗总量分析和成本分析两种方式显示分析结果。

③支持同一建筑在两个不同时间段（日、月、年）内能耗的对比，在对比结果中显示对比时间段、建筑功能、总建筑面积、建筑能耗总量、单位建筑面积能耗量、各种能耗的总量、各种能耗费用和总费用。

④支持同一功能区域在两个不同时间段（日、月、年）内能耗的对比，在对比结果中显示对比时间段、区域功能、总建筑面积、区域能耗总量、单位建筑面积能耗量、各种能耗的总量、各种能耗单价、各种能耗费用和总费用。

⑤根据各种能源输送网络的拓扑结构，一小时分析一次水、电、气损失情况，在其超出用户设定的限值时给出报警提示。

（6）数据共享与集成

能源管理系统为用户提供各子系统一致的操作界面，并按照标准化接口规范与各个子系统建立连接，采用统一的数据格式进行数据交换，能够迅速适应设备的变化，轻松实现各个子系统的信息共享，并支持远程访问和远程管理，使各个独立子系统结成了一个有机的整体，不仅实现了信息共享，也使各种跨系统联动的实现水到渠成。

6 结束语

近年来，随着国家推进节能减排工作力度的加大、节能要求的提高，传统的BA系统逐渐不能满足智能建筑的节能要求。建筑能源管理系统提供的是一个高效的管控一体化平台，实现的不仅仅是对能耗的控制，更是对建筑物结构、系统、服务及管理的最优化组合。它集中建筑中的各子系统，对建筑中的机电设备进行集中监控与管理，既能提供节能的手段，又能提供精确的数据和科学的分析，以便更好地分配资源，而这又会反过来更好地加强对能耗的控制，平衡管理运行，从而构成良性的循环，达到节能、减排、提高管理水平的目的。因此，能源管理系统的应用将成为智能建筑发展的必然趋势。

1 《 国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则》

2 《 国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据传输技术导则》

3 《 国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统楼宇分项计量设计安装技术导则》

4 《 国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统数据中心建设与维护技术导则》

5 《 国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设、验收与运行管理规范》

6 《 国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统软件开发指导说明书》