既有居住建筑供暖能效监测系统的设计与实现

姚庆梅，郭亚，张永 坚，刘兆 峰，聂 昌 龙

（1.山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南250101；2.山东省智能建筑技术重点实验室，山东 济南 250101）

既有居住建筑供暖能效监测系统的设计与实现

姚庆梅1，2，郭亚1，2，张永 坚1，2，刘兆 峰1，2，聂 昌 龙1，2

（1.山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南250101；2.山东省智能建筑技术重点实验室，山东 济南 250101）

北方既有居住建筑的冬季供暖是我国建筑能耗的主要构成部分，也是现阶段建筑节能工作的重点。文章基于我国既有供暖居住建筑节能改造缺乏能效监测的现状，围绕改造后的建筑大多不配备计量监测系统，无法得到真实可靠的原始数据，不能对供暖系统能效进行综合考量等问题，通过对国内既有居住建筑节能改造的适宜性技术进行研究，对目前采用的几种热计量方法进行对比分析，提出了构建基于温度面积法的既有居住建筑节能改造能效监测系统，并对该监测系统整体结构进行了设计，完成了主要设备的安装调试，在实验室搭建了该系统的运行环境，对采集的数据进行初步分析，验证了系统的可行性和实际效果，实现了数据的采集、处理、储存、上传等功能，满足节能运转的设计要求。

建筑节能；热计量；温度面积法；能效监测系统；数据采集

0 引言

随着我国建筑业的飞速发展，每年新建建筑面积高达 18～20亿m2，建筑产生的能耗占总能耗的比例越来越大，已占全国能耗消耗总量的 29%，其中供暖能耗达到56%左右，建筑能耗增长的速度大大超过能源生产增长的速度［1］。为了降低建筑能耗，催生了建筑节能改造在我国的迅速发展。结合我国建筑节能改造的实际情况和特点，当前节能改造工作的重心放在北方既有建筑的冬季供暖，北方供暖区既有建筑节能改造是指对北方供暖区的既有建筑室内供暖系统热计量及温度调控、建筑围护结构和热源及管网热平衡等实施节能改造的活动［2］。

山东省人民政府在《关于大力推进绿色建筑行动的实施意见》中提出新建建筑的目标是，到 2015年累计建成绿色建筑 5000万m2以上，当年 20%以上的城镇新建建筑达到绿色建筑标准。“十三五”期间，全面执行居住建筑节能75%、公共建筑节能65%的建筑节能设计标准［3］。长期以来，北方既有建筑供热系统节能工作的重点是通过增强建筑物围护结构的保温性能来降低围护结构的耗热量，缺乏对供暖系统能效的综合考量。然而，随着既有建筑数量的不断增加，研究发现供暖系统的高耗热量除了跟围护结构热工特性有关，还与供暖系统运行能效低、系统维护管理差等一系列问题有关［4－6］。所以，解决供暖能耗问题的核心内容，就是对既有供暖居住建筑进行能效监测，有效地获取实际测量数据，提高系统运行能效。其监测内容一般包括热源或热交换站管道热量、总电量，循环水泵的耗电量（单独计量），楼栋热力入口处管道的热量，以及用户房间内的温度和小区室外环境温度，如图 1所示。文章主要研究适用于监测用户房间内温度和热量的能效监测系统。

图1 能效监测内容示意图

1 既有居住建筑供暖能效监测的现状和热计量方法

1.1 能效监测的现状和必要性

在国家政策的支持下，既有居住建筑节能改造的项目越来越多，但是，问题也随之而来。从目前来看，项目单位和政府部门对于节能改造项目单个的情况并不了解，也不清楚改造后是否能够节能，又能节约多少能源，并且项目的投资回收期、室内舒适度等问题也没有准确的答案。为切实推进北方地区既有供暖居住建筑节能改造工作并确保节能效果，在既有居住建筑节能改造方面政策好、资金足、市场广阔、问题多的背景下，建立既有居住建筑供暖能效监测系统是非常必要的。它可以有效的获取实际测量数据，便于项目的运行管理，为后续节能改造技术领域的理论研究提供有力支撑。

1.2 热计量方法现状

建筑供暖能效监测系统所采用的热计量方法在我国经历了起步、全面推广和技术信息化三个阶段。从最初在我国进行热计量的试点研究，到目前我国已经有40余座城市应用了热计量及温控装置，可见我国近年来确实加快了供热计量方法的应用与推广。在“十三五”期间，我国将进一步加快既有供暖居住建筑供热计量方法及节能改造的脚步，以推动我国供热系统节能技术应用的实施。

目前，我国热计量方法主要采取户用热量表法、散热器热分配法、流量温度法、通断时间面积法和温度面积法［7］。

1.3 热计量主要方法

（1）户用热量表法

户用热量表法是由国外研究开发，我国最早引进的供热计量方法之一，其基本原理是对每户用热量进行独立结算计量，计算出每户用热量占全部用户的比例，按此比例分摊楼栋热量表总供热量。该方法计量的是系统供热量，直观、容易理解，主要应用于按户分环的室内供暖系统，但不适用我国大部分北方地区既有供暖居住建筑内的垂直单管串联系统 ［8］。

（2）散热器热分配法

散热器热分配法属于热计量分配计量方式，其工作原理是利用热分配表分摊计量各户供热量，根据以上数据测算出各户用热比例，按此比例分摊楼栋热量表总供热量，主要有蒸发式、电子式及电子远传式三种热分配计法。该方法安装简单、方便、灵活性强，适用于既有居住建筑供暖系统的热计量改造及新建的供暖系统。

（3）流量温度法

流量温度法属于热计量分配计量方式，其工作原理是根据分户的独立系统与热力入口的流量之比保持不变的原理，测出每个热用户的流量比例系数和各分支供回水温差，通过单元热能仪表、无线信号接收器等装置，对楼栋总供热量按户分摊。该方法非常适合既有居住建筑垂直单管顺流式系统和分户水平独立成环系统的热计量改造。

（4）通断时间面积法

通断时间面积法是一种多个用户共用一个热量表，各个用户之间根据供暖面积及管道导通率确定热能分摊值的热能计量方式［9］，管道导通率通过安装在入户供水管的通断控制阀来实现。其工作原理是根据热用户供暖系统通水时间的长短，来分摊建筑的总供热量。通断时间面积法不但可以完成热量分配，而且可以实现温控功能。但该方法测量的是分摊总热量，并不是各个房间内的供热量，无法保证室内耗热量与实际温度的一致性，只适用于按户分环、室内阻力不变的供暖系统。

（5）温度面积法

温度面积法属于热计量分配计量方式，其基本原理是在楼栋用户中安装温度传感器，通过测量房间温度、楼栋供热量，并根据各户的建筑面积进行热量分摊。该方法可以有效降低用户耗热损失带来的影响，保证用户室内耗热量与室温的一致性，可以准确的测量室内平均温度，应用简便、结果直观，适用于所有既有居住建筑的供暖系统。

1.4 热计量方法对比分析

5种热计量方法原理和应用范围不同，受到自身特点和调节方式的影响，表 1对计量技术进行了对比分析。

表1 五种热计量方法的对比分析表

1.5 既有建筑供暖系统热计量方法确定

通过对上述几种热计量方法的分析和对比，我们发现温度面积法适用于任何既有建筑的供暖系统，对户内供暖系统的改造影响较小；当采用温度面积法热计量装置时，该热计量装置测得的室温可作为测评依据。而采用其他四种计量方法时，还要应用在线温度测试仪或温度自记仪监测房间温度。因此，基于温度面积法的热计量方法更适合北方既有供暖居住建筑室温和热量的监测。

2 能效监测系统的设计与实现

2.1 系统总体结构设计

基于温度面积法的建筑供暖能效监测系统整体结构分为数据采集层和数据传输层，如图 2所示。

图2 系统整体结构框图

（1）数据采集层主要由温度传感器、楼栋热量表、数据采集器等部分组成，其中温度传感器安装于热用户房间内，采集用户室内温度；热量表安装于建筑物热力入口处，计量建筑物总供热量。数据采集器通过 RS-485总线与现场计量设备连接，如果现场计量设备与数据采集器距离较远，可增加信号中继器进行连接［10］。

（2）数据传输层数据中心接受数据采集器采集的原始数据，采集器支持无线传输，通过 Internet上传至数据中心，数据采集器每隔15 min向上级数据中心上传一次数据，且具有自诊断和断点续传功能，从而保证数据的连续和完整。

2.2 系统数据采集

该系统数据采集内容包括基本信息和监测指标，其监测指标数据种类为温度和热量两种，具体采集方法如下：

（1）温度采集

采用贴壁式温度传感器，其优点是便于供暖季节过后用户的拆卸；每个楼栋内的测温住户不应少于9户，每个测温住户的室温测点不应少于1个。测温住户的分布应包括建筑物的两边、中间、顶层和底层等典型位置，且应选择正常供暖住户；室温测量间隔不应超过30 min；每日应采集室内日平均温度、楼栋日平均温度、小区日平均温度和室外日平均温度。其中室外日平均温度应通过当地气象部门获得。

（2）热量采集

将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计安装在流体入口，读取显示热量值，计算日供热量。

2.3 系统硬件结构设计

数据采集模块是该监测系统的重要组成部分，也是现场计量装置和数据中心信息传输的桥梁。该系统采集模块硬件结构框图，如图3所示。

其硬件电路具有以下特点：

（1）由电源模块（220 VAC转12 VDC）、MBUS驱动模块、GPRS数据传输及存储模块、壳体等部件组成；

（2）采用高性能的 ARM处理器，其接口丰富，技术资料齐全，技术可靠性高；

（3）通讯接口丰富，数据采集点多，兼容性好，配有 RS-485总线通讯接口，GPRS通信 接口、Internet通信接口，可同时采集多块计量设备中的数据；

（4）GPRS数据传输提供了数据采集器和服务器之间的远程通信，通过 Internet建立数据采集器与服务器的联系，并可以根据服务器提供的表地址码向M－BUS驱动模块发送抄表指令，并把抄表数据反馈到服务器［11］；

（5）该电路内置RTC可以赋予抄表数据时间标。

图3 采集模块硬件结构框图

2.4 系统软件结构设计

2.4.1 软件方案设计

系统监测软件是实现整个系统功能的又一个核心部分，其设计工作主要包括：数据采集、数据储存、数据处理、数据展示和故障诊断等功能模块的设计。文章采用Visual Studio 2010作为开发工具来完成该软件的设计［12－13］，完成无线网络原始数据的接收和处理两个部分，该软件采用 C＃语言进行编程，软件功能结构如图4所示。

图4 软件功能结构图

2.4.2 数据库设计

系统采用 SQL server嵌入式数据库。SQL server是一款轻型数据库，响应时间短，并且具备可以为大量用户保持高速运行的职能［14］。它专为嵌入式系统而设计，在嵌入式设备中，只需要几百kB的内存就够了。它能够支持 Windows／Linux／Unix等主流的操作系统，同时支持 C语言，有ODBC接口。采用嵌入式数据库 SQL server，可方便的存储大量的能耗数据，并实现分项数据的处理、统计等功能。本设计将实时数据按要求存入数据库中，其中包括换热站流量、换热站总电量、栋表流量、室内外温度等，工作人员可从数据库中查询历史数据表并打印。

2.5 系统实现的功能

根据监测需求该系统要实现的功能有：数据上传功能、数据存储功能、数据处理功能、数据展示功能和故障诊断功能。

（1）数据上传功能

①计量装置和数据采集器之间通过 RS-485通信接口，Modbus、DL／T 645—1997协议，采用主从结构的半双工通信方式。其中，主机为数据采集器，从机为计量装置，从机在主机的请求命令下应答。

②数据采集器与数据中心之间利用 GPRS无线传输模块，内嵌TCP／IP协议栈和 GPRS技术，自动和服务器建立网络连接，将逐时、逐日采集到的原始数据发送至数据中心［15］。

（2）数据存储功能

数据中心计算机存储处理的数据，存储历史数据保存时间大于3年。

（3）数据处理功能

根据远传数据包格式，使用 XML格式进行数据打包，通过计量装置量程两端的最大、最小值对数据的有效性进行验证。

（4）数据展示功能

将处理、分析后的数据以图表的形式在计算机上进行展示，以便更直观地了解系统能效监测情况。

（5）故障诊断功能

为了保证系统运行的稳定性，提高系统的运行效率，具备故障诊断功能不失为一种有效的手段。该系统中，数据采集器故障诊断功能包括三个部分。首先，当数据采集器向计量设备下发 3次请求命令无应答时，数据采集器即可判断计量装置或通讯线路故障，同时将故障信息上报数据中心；其次，数据采集器监测到与数据中心的 TCP连接断开时，重新连接3次后无应答，即可判断连接数据中心的通讯线路故障［16］；最后，数据采集器中故障自检，在数据采集器中设计故障自检电路，主要检测 RS-485通信接口、Internet网络接口、自身电源接口的运行信息，当接口发生故障时通过继电器报警输出接口外接报警设备。

2.6 系统应用测试

在实验室中搭建既有居住建筑供暖能效监测系统运行环境，用上位机代替数据中心服务器［17］，接受和显示来自数据采集模块上传的数据；现场监测层采用温度传感器和流量传感器对相关的节能评估参数进行采集。

系统调试后进行监测，系统运行正常，数据采集实时准确，上传稳定，存储位置正确，在上位机显示运行界面及数据显示如图5所示。

图5 运行界面图

数据查询界面主要用于工作人员查询记录的数据信息，包括时间、换热站热量、换热站总电量、水泵电量、楼栋表热量和室内、外温度等数据。

3 结语

文章首先对目前国内节能改造使用的几种热计量方法方法进行了研究，通过对比分析找到适合北方既有居住建筑能效监测的热计量分配系统——温度面积法。文章方法适用于所有既有居住建筑的供暖系统，具有计量精度高，可准确测量室内平均温度等特点，能更加精确、可靠地获取建筑能效监测数据。通过对该热计量监测系统的设计，完成主要设备的安装调试，确定实现的功能；在实验室环境中，运用技术手段实现了数据的采集、处理、存储和上传等功能。经过现场设备一段时间的运行，对采集的数据进行初步分析，节能效果明显，证明基于温度面积法的能效监测系统设计满足节能设计要求，为我国在供暖地区大规模推广节能改造技术提供基础数据支撑和经验储备。

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Existing residential building heating energy efficiency monitoring system design and implementation

Yao Qingmei1，2，Guo Ya1，2，Zhang Yongjian1，2，et al.
（1.School of Information＆Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Intelligent Buildings Technology，Jinan 250101，China）

The winter heating of the existing residential buildings in the north is the main part of building energy consumption in our country，and the key point of building energy conservation.The present situation of energy-saving renovation project of existing heating residential buildings in the north of China is most of the reconstructed buildings are not equipped with metering and monitoring systems and lack of comprehensive consideration of the energy efficiency of heating systems.In this paper，the energy efficiency monitoring system of existing residential building based on temperature area method is proposed，and the whole structure of the monitoring system is designed to realize the data collection and processing.The energy efficiency of residential building is analyzed，stored，uploaded and other functions，setting up the monitoring system of the laboratory environment，and the collected data were analyzed.The feasibility and practical effect of the system were verified，and the results show that the system could meet the requirements of energy saving design.

building energy efficiency；heat metering；temperature area method；energy efficiency monitoring system；data acquisition

TU832

A

1673－7644（2016）05－0471－06

2016－09－10

山东省建设厅资助项目（2010－K9－53）；山东省建设厅资助项目（2013－HT－01）

姚庆梅（1958－），女，教授，学士，主要从事建筑能耗监测与节能控制等方面的研究.E-mail：yaoqingmei＠sdjzu.edu.cn