建筑能耗管理一体化解决方案

朱 峰 孙建华 檀姗姗

（南京磐能电力科技股份有限公司，南京 210061）

当前，随着我国城市化水平的不断提高，能源的匮乏和社会对能源不断增大的需求已成为制约社会不断进步发展的突出矛盾。建筑能耗不断提高，对我国能源供应和环境保护造成了巨大压力。根据发达国家的经验，随着城市化进程的不断推进和人民生活水平的不断提高，建筑能耗的比例将继续增加并最终达到33%左右，建筑能耗也将超越公共工业、交通等行业而最终成为能耗的首位。根据近30年来能源界的研究和实践，目前普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式，是缓解社会经济发展与能源供应不足这对矛盾最有效的措施之一，也将成为提高社会能源使用率的首要因素。在建筑节能领域，我们面临的最大挑战就是急需全面有效的能耗管理一体化解决方案。

1 整体解决方案

1.1 概述

建筑能耗管理一体化解决方案是指以云计算、物联网技术和集中管理模式建立的一套具有先进性、开放性、实用性、经济性、可持续发展性、舒适性、高效性、安全可靠性和易管理维护性的全方位建筑能耗管理解决方案，该解决方案用于对目标建筑或建筑群能源系统的生产、输配和消耗环节实施集中扁平化的动态监控和数字化管理。

该解决方案以供配电网技术与综合能效管理技术为基础，将为目标建筑或建筑群等提供可靠的能源保障，并从提供增值服务、推动节能减排和带动相关科技发展等方面，支撑目标建筑或建筑群成为能源技术和服务创新的供电服务平台。

1.2 体系架构

建筑能耗管理一体化解决方案按照保障目标建筑或建筑群供配电网高效可靠运行、建设能源技术与服务创新的思路进行总体规划设计，采用分层分布式的一体化设计思路，总体体系架构包括现场设备层、网络通信层、监控管理层。解决方案的体系架构如图1所示。

图1 建筑能耗管理一体化解决方案体系架构图

建筑能耗管理一体化解决方案以现场设备层的建筑配电系统为基础，以网络通信层的高速可靠通信网作为信息传输支撑，建设集供配电自动化系统、建筑分布式光伏发电系统于一体的配电网管控系统，以及集成智能楼宇用能、供配电、微网、暖通空调等各种能源系统运行状态监控与优化的综合能效管理系统为一体的监控管理层，应用云计算、数据挖掘等技术将获取的信息进行传递和处理，完成各智能化模块之间的信息交互、运营整合和统一指挥，优化用能控制，为目标建筑或建筑群提供系统集成服务和节能技术应用服务，最终构建统一的建筑能源综合管控一体化平台。

从整体上来看，建筑能耗管理一体化解决方案主要由两个子解决方案组成，分别为供配电网系统解决方案和能效管理系统解决方案，其中供配电网系统解决方案又分别由智能供配电网方案和建筑分布式光伏发电系统方案组成，能效管理系统解决方案又分别由建筑能耗管理系统方案和能源综合利用优化系统方案组成。

1.3 拓扑结构

整体解决方案的系统拓扑结构采用集散式架构，楼宇自控系统接口、建筑物能耗监测系统接口的物理路由利用弱电系统中的楼宇设备网络为载体，保证了系统的经济性、实用性、避免重复投资。建筑能耗管理一体化解决方案的系统集成网络拓扑图如图2所示。

图2 建筑能耗管理一体化解决方案网络拓扑图

1.4 技术特点

1）多系统统一融合平台：以统一的一体化平台融合智能供配电系统、建筑分布式光伏发电系统、建筑能耗管理系统和能源综合利用优化系统等。

2）新能源的引入：根据建筑规划要求，因地制宜地引入太阳能、风能等一些新能源技术，协助用户达成建筑节能指标。

3）供配电、分布式能源、能源优化统一管理：在一体化平台上统一管理供配电网和分布式建筑能源并实施能源的优化利用。

4）智能安全隔离“防火墙”解决方案：配备多个接口对各子系统局域网进行网段划分，设置不同网段和安全级别，实施逻辑隔离安全策略，并通过防火墙来制定访问控制规则，确保各安全区域的边界控制能力，维护整个系统通信网络的安全。

5）分布式电源接入配电网和经济优化运行控制策略技术的应用：采用分布式电源接入配电网技术来实现突破配电网规划以最为合理的方式将分布式电源接入，将影响降到最低；利用微网经济优化运行控制策略技术来实现微网并网优化运行控制。

6）用能在线综合评价模型和节能量在线统计：通过Web 形式展示能耗情况的综合评价指标模型以及该解决方案实施后的节能量情况统计，为用户科学决策提供依据。

2 供配电网系统解决方案

2.1 智能供配电网方案

1）方案概述

智能供配电网终端解决方案是采用现代嵌入式系统技术开发的新一代高可靠性、高性价比的配网自动化远方终端，为10kV 柱上开关、重合器、环网柜、开闭所、配电室、配电变压器等一次设备的实时监控提供的完整、经济的解决方案。该系列智能配电终端，可以采集配电网上实时运行数据并对其进行处理及分析，通过通信通道将信息传送至配网自动化主站，同时控制中心通过遥控可以对配电网设备进行必要的操作。

2）方案价值

（1）为了适应我国配电自动化发展而研制的系列产品，应用于城乡配电网的建设和改造。

（2）率先实现了多种新功能的高度集成，功能丰富、配置灵活、便于批量生产。

（3）能更好满足配电自动化发展需求，具有很好的推广应用前景，达到了国内先进水平。

3）系统功能

（1）配网自动化功能。测量功能，具有完整的SCADA“三遥”功能和强大信号采集能力；短路故障检测，具有准确故障检测功能，可检测单相接地、相间短路及负荷过流等故障。

（2）通信功能。配有RS485、RS232、GPRS、以太网、无线网、维护口等多种通信接口，适应多种通信方式；支持规约：IEC60870-5-101/104、DNP3.0、ModBus 规约和用户要求增加新的规约。

（3）在线维护功能。利用维护软件可灵活方便对终端进行配置，远程下载维护可有效减少现场维护工作量。

（4）扩展功能。可方便地通过改变配置方式来适应不同的应用要求，亦可以根据用户要求进行专门设计。主要扩展功能包括电能质量监视、可编程逻辑控制功能、通用数据转发功能、断路器在线监视和故障或扰动录波功能。

（5）高级应用。主要包括防火墙功能和广域保护功能。

2.2 建筑分布式光伏发电方案

1）方案概述

建筑分布式光伏发电系统解决方案遵循“清洁、高效、自治、安全”的思想和总体技术标准，将光伏发电与建筑物相结合，在建筑物的外围结构表面上布设光伏器件产生电力，从而使“建筑物产生绿色能源”。

2）方案价值

（1）可以有效地利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要。

（2）可原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。对于联网户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可送入电网。

（3）可以有效地减少建筑能耗，实现建筑节能。光伏并网发电系统在白天阳光照射时发电，该时段也是电网用电高峰期，从而舒缓高峰电力需求。

（4）光伏组件一般安装在建筑的屋顶及墙的南立面上直接吸收太阳能，因此建筑分布式光伏发电系统不仅提供了电力，而且还降低了墙面及屋顶的温升。

（5）建筑分布式光伏发电系统没有噪音、没有污染物排放、不消耗任何燃料，具有绿色环保概念，可增加楼盘的综合品质。

3）系统功能

（1）提供功能选择画面，并对光伏阵列现场环境进行实时监测与显示，如室外温度值、湿度百分比、光照度与阵列表面温度值等。

（2）可分区域实时监测各光伏阵列的充电电压及电流、蓄电池电压及温度等信息，并对故障点进行异常显示和报警提醒。

（3）可绘制显示逆变器电压一时间曲线、功率一时间曲线等，直流侧输入电流实时曲线、交流侧逆变输出电流曲线，并采集与显示日发电量等电参量。

（4）可针对光伏发电现场的各种事件进行记录，如：通信采集异常、开关变位、操作记录等，时间记录支持按类型查询，并可对越限报警进行更改设置。

（5）对光伏发电的发电量可形成月棒图及年度棒图显示，并折算成二氧化碳、二氧化硫减排量值；并可查看太阳辐射强度趋势曲线、风速变化趋势曲线显示。

（6）可判断采集到的各个设备的数据范围，当出现特殊情况时提供报警，通知管理员采取必要措施。

3 能效管理系统解决方案

3.1 建筑能耗管理系统方案

1）方案概述

建筑能耗管理系统解决方案将使建筑能耗实时管理工作在能力建设和制度建设上取得全面突破，为建筑能耗实时计量、统计分析、管理体系的建设搭建能耗实时管理数字化平台，实现能耗数据的公开化、透明化，实现能耗定额管理和无成本低成本能耗管理，建立科学的能耗管理制度体系。

2）方案价值

（1）全面管理各类用能设备，建立全景数据库，采集能耗监测数据，建立能耗数据模型，为后期能耗数据分析、节能诊断提供数据基础。

（2）开展能耗数据统计分析工作，分析、判断和评价能源消耗的构成、变化规律以及能源利用效率等，为后期节能改造的效果评估提供定性或定量的依据。

（3）针对能耗数据分析的结果，判定能源消耗水平，对能源消耗情况提出一套完整的诊断流程，并开展节能诊断工作，得出节能诊断结果。

（4）整合各类建筑管理系统，建立能源消耗评价体系，根据节能诊断结果，对建筑节能进行优化设计，得出节能改造方案。

（5）落实节能方案，改造用能设备，管理用能习惯，通过智能化控制系统全面实现建筑节能目标。

3）系统功能

（1）能耗数据实时监测，系统数据采集器定时采集各监测点的仪表参数并上传至建筑能耗分析管理数据库，用户可通过Web 方式实时监测能耗情况。

（2）公共建筑信息管理，提供标准的手工信息录入界面，可对各栋监测建筑的基本信息、采集器信息和表计信息等进行整理和录入，并提供公共建筑信息的实时在线Web 展示功能。

（3）能耗数据分析，可对分类分项能耗数据进行统计分析，将各项采集数据和统计数据的数值、趋势和分布情况，运用直观图形和对应表格等方式的数据图表来展示。

（4）能耗数据展示，提供动态展示各种能耗数据分析图表，包括曲线图、折线图、散点图、柱状图、面积图、饼图等多种图表形式。

3.2 能源综合利用优化系统方案

1）方案概述

能源综合利用优化系统解决方案在大量历史数据基础上，对能源的生产、存储、混合、输送和使用各环节进行集中的管理与控制，为大型建筑建立一套与能耗监测管理系统集成的能源综合利用优化模型，实现能源供需动态与静态平衡，得出各种能源介质优化改造方案，使大型建筑能源的合理利用达到新的高度，实现清洁能源的最优化利用和系统能效最大化。

2）方案价值

（1）合理搭配建筑冷热源设备，提高能源消耗中占有重要比重的建筑冷热源能耗利用率。

（2）能够很好地缓解目前建筑冷热源设备的低效率运行和不合理配置的局面，最大程度的高效利用能源。

（3）可随时发现建筑中突然出现的用能问题，而且可捕捉到人工难以察觉的能耗问题，从而提醒运营管理人员及时处理，改善用能效率。

3）系统功能

（1）冷热源优化。根据目标建筑的实际情况，输入建筑设备信息、能耗监测信息、当地能源价格及地源热泵相关费用，系统依据所输入的参数智能分析并选择适合该建筑的最佳经济性的冷热源优化方案。

（2）建筑用能优化。重点能耗分析，通过对园区的暖通空调、照明、动力、特殊用电等的分项计量，找出能耗占比最高的几项内容，列为该建筑的重点节能方向，制定节能降耗指标，调动物业管理及业主单位的节能意识；待机能耗分析，冷水机组等大型设备在待机时依然会耗能，这在没有分项计量系统情况下也很容易被物业人员所忽略。通过能耗管理系统的建设，可以及早定位这类待机损耗；节能效果评估分析，以月、季、年为单位对建筑节能效果进行量化评估，对各种节能技术和产品进行统一、公平的评价，对建筑的节能效果进行一个综合的评定，从而促使建筑管理者向更好的方向努力，形成良性循环。

4 应用案例

建筑能耗管理一体化解决方案已经广泛应用于大中型建筑楼宇的节能改造，如工矿企业、高校、医院、商场、经济综合体、国家机关办公楼和大型公建的节能改造工程中，节能效果非常显著，一般可节能10 到30 个百分点。

下面以经济综合体应用为例，即以某市百货集团连锁商场节能改造工程为例简要介绍该建筑能耗管理一体化解决方案的应用及节能效果。

某市百货集团连锁商场节能改造项目，通过建立某市百货智慧能源管理系统，将该集团下的所有百货商场统一纳入该百货智慧能源管理系统中集中管理，并以百货集团连锁商场内部网络作为中心网络，建立了智能建筑供配电系统、建筑光伏发电一体化系统、建筑能耗监测管理系统、能源综合利用优化系统的四位一体的经济综合体建筑能耗管理一体化系统。

图3 应用案例示意图1

图4 应用案例示意图2

5 结论

建筑能耗管理一体化解决方案系以准确详实的能源数据作为能效分析、统计、诊断的基础，丰富多源的智能化控制作为节能增效的手段，以强大的集成系统软件作为能源优化管理的平台，以降低能源消耗、提高能源利用效率为目的，利用系统的思想和过程方法，在明确目标、职责、程序和资源要求的基础上，进行全面策划、实施、检查和改进，以高效节能产品、实用节能技术和方法以及最佳管理实践为基础，减少能源消耗，提高能源利用效率，通过能源管理实现目标建筑或建筑群的可持续运营。建筑能耗管理一体化解决方案现已广泛应用于大型公共建筑、高能耗工矿企业、高等院校、医院、经济综合体、绿色建筑、可再生能源建筑等的能源管理，助力用户实现建筑的绿色节能，提高管理效率，降低运营成本。