绿色建筑能源管理系统的开发与应用

孙鸿昌，张绿原，单悦，于福奎

（1.山东大卫国际建筑设计有限公司机电设计院，山东济南250101；2.山东济南浪潮电子信息产业集团股份有限公司国家863高性能实验室，山东济南250101；3.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206）

绿色建筑能源管理系统的开发与应用

孙鸿昌1，张绿原2，单悦3，于福奎1

（1.山东大卫国际建筑设计有限公司机电设计院，山东济南250101；2.山东济南浪潮电子信息产业集团股份有限公司国家863高性能实验室，山东济南250101；3.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206）

在当前建设节约型社会，降低建筑能耗，实现绿色低能耗建筑，解决建筑高能耗问题的背景下，文章围绕绿色建筑能源管理系统的开发与应用，通过对建筑能耗的分析，从能源管理系统的总体设计、智能控制器设计、数据及通信服务器设计、管理系统软件设计方面，以物联网形态，对绿色建筑能源管理系统进行了开发设计与应用，将能源管理系统总体设计为应用层、数据层、网络层、设备层，并将建筑内各子系统集成到一个平台上，对各系统和设备的能耗进行统计和节能数据的综合分析，为实现更优控制提供了条件，从而提高了系统的通用性；构建了系统的Web应用，并以中央空调系统为例进行了设计与实现，通过对设备的监控管理和节能优化控制，最终达到节能的目的。

绿色建筑；能源管理系统设计；智能控制器

0 引言

能源和环境目前是当今世界所有国家都普遍关注的重要问题。而建筑能耗占据了社会总能耗的30%左右，预计至2020年将达到40%［1］。早期由于缺乏相关规范和标准的束缚，且缺乏节能建筑和绿色建筑的认识，使得我国早期建筑大部分为高能耗建筑。相近环境下，同样的室内舒适度我国的单位面积建筑能耗大约是发达国家的2～3倍。因此，要建设节约型社会，减少能源消耗，就必须降低建筑能耗。而实现绿色低能耗建筑是解决建筑高能耗问题的重要途径，对节能减排，发展绿色城市具有重要的现实意义［2-4］。

从建筑的规划、设计到建造、使用再到最终拆除，在建筑的全寿命周期内，每个阶段都会消耗能量，其中，建筑在运行过程中的能耗约占建筑生命周期内总能耗的80%，具有很大的节能潜力，而且具有很强的可操作性［5］。

目前的研究主要从两个方面对建筑运行能耗进行优化：（1）针对设备展开 国家推广的机电设备能效标示制度，通过选择更高效率的设备，以提高能效；（2）针对由多个设备组成的系统展开 优化系统能效。针对（1）主要与国家政策、行业规范以及业主的选择有关系，这些对建筑用能设备的效率影响最大，但同时又具有节能方式单一，无法进行更加深层次节能的局限性。而（2）则是通过对建筑内的多个子系统进行节能分析，制定节能控制算法，以软件的方式进行节能控制，此种方式可以通过节能算法的不断升级改进，进一步节约建筑用电设备的能耗。现阶段对建筑内子系统的控制往往只重视方案的可行性、规范性等方面，未能真正实现控制的精细、高效；同时，由于建筑内的各个系统相对独立、设备种类繁多，其所遵从的协议也各不相同，无法实现多系统信息融合，缺少一个对多个系统综合考虑、分析的平台，立足于整个建筑进行能耗分析。

文章以绿色建筑为背景，构建一套能源管理系统，用于对建筑物内的机电设备进行能源管理，着重对建筑内的系统—照明系统、大型机房、空调系统、电梯系统、机电设备末端控制等进行集成，一方面通过对各系统和设备的能耗统计分析，掌握系统和设备的能耗随季节的变化情况，便于设备的维护和运行控制；另一方面在统一的平台上对各系统进行优化控制，在节约人力成本的同时考虑系统间的关系，根据某系统运行状态的变化调整与之关联系统的运行参数，达到节能降耗的目的。

1 绿色建筑能源管理系统设计

1.1 绿色建筑能源管理系统总体设计

绿色建筑能源循环利用管理系统采用B/S的形式，主要由4层结构构成：应用层、数据层、网络层、设备层［6-8］。设备层主要通过控制器对被控设备进行数据采集和执行控制命令，同时驱动设备按既定的节能优化控制算法运行。网络层以通信服务器的形式存在，包括内部通信和外部通信两部分，内部通信是指设备层与上层能源管理系统之间的通信，是信息采集和控制命令下发的通信路径；外部通信是指为能源管理系统预留接口，可以对现有的子系统进行集成，增加其扩展性，该接口采用通用的信息处理方式，适应主流的通信协议，并尽量减少与能源管理系统的耦合，提高系统的稳定性；通信服务器还担负着节能优化控制算法的实现，并对采集到的设备参数进行节能优化运算。数据层主要进行对采集到的设备信息进行处理、显示、存储等操作。应用层以Web服务的形式存在，主要进行人机交互，以数据、图表、画面的形式分析和展示能源管理系统中各设备的节能效果，并可以对设备进行配置，设置其运行参数［9］，如图1所示。

设备层采用一种智能型的控制器，其I/O端口具有可配置性，可以根据现场设备的具体参数信息，选择相应的I/O模式；智能控制器采用GPRS方式进行数据的接收和发送，与通信服务器之间采用TCP/IP协议进行数据通信。

通信服务器主要担负一个承上启下的作用，其内部通信是接收智能控制器采集到的设备信息，并将设备信息处理后，进一步传递给数据服务器，进行数据的优化运算、显示和存储；同时通信服务器接收数据服务器的控制命令，将命令封装成命令数据包，发送给相应的智能控制器，对设备进行节能优化控制。通信服务器的外部通信采用WCF方式进行端口设计，以XML作为通信数据格式，提高系统的跨平台能力。

数据服务器采用SQL Server作为数据库，进行实时数据和历史数据的存储，以多个数据表的形式存在，用于存储用户信息、设备信息、管理信息等，由于系统内设备类型和数量的不确定性，拟采用可变长度的数据类型对设备信息进行存储，保证了数据库的精简。

图1 能源管理系统原理图

应用层采用Web的形式进行展示，分为两个部分：系统管理部分和绿色建筑机电设备能源管理部分。系统管理部分主要进行系统本身的维护操作和对数据的分析管理，功能与数据库中的数据表对应，主要包括对用户、设备、数据等的管理；机电设备能源管理部分主要是将智能控制器采集到的设备信息、节能优化控制的结果等信息存储到数据表中，并显示在Web界面上，并且具有设备控制信息的设置功能，如图2所示。

图2 能源管理系统功能结构图

1.2 绿色建筑能源管理系统的智能控制器设计

智能控制器用于对建筑内的机电设备进行参数检测及控制，由于建筑内的机电设备子系统较多，同样需要测控的设备数量和类型也较多，不同类型的设备需要检测的参数种类不确定，造成了系统集成的困难。针对上述问题，开发一套智能控制器，其智能主要体现在对I/O的控制上，根据现场设备的具体参数信息，通过键盘对端口进行配置，选择端口的信号类型、单位、名称等［10］。

智能控制器主要由ARM处理器、I/O模块、GPRS模块、键盘模块以及一些确保系统正常运行的模块，包括电源模块、时钟模块、故障报警模块、存储模块等部分［11］，如图3所示。

I/O模块是控制器的主要功能，分为模拟量输入（AI）、数字量输入（DI）、模拟量输出（AO）、数字量输出（DO），具体分为6个AI、4个DI、3个AO和3个DO，其中AI作为通用输入接口，通过键盘选择传感器的输出为标准信号0～10 V和4～20mA等，这些参数预设在ARM处理器程序中，根据所要测量的具体参数选择预设的模式，使其具有通用性，使其可以应用于各种被控对象。

智能控制器将采集到的设备数据，通过A/D转换、滤波等处理后，对各端口采集到的数据进行组合，形成一个数据包；通信服务器具有一个固定的外网IP地址，GPRS模块通过AT指令查找这个IP，并向通信服务器请求连接；建立连接后，AT指令对数据包进行封装，将最终数据包发送至通信服务器。数据包的格式如表1所示。

其中，控制器ID由32位的字符串组成，管理系统以该ID进行区分，其地址具有唯一性，ID1表示数据采集的端口号，Value1表示参数值，用4个字节表示浮点类型，校验采用CRC，保证数据的正确性，见表2。

图3 智能控制器功能结构图

表1 数据包格式/Byte

表2 数据包类型

智能控制器的软件程序采用C语言进行编写，利用模块化的编程方法，将程序分为多个模块，包括主程序、GPRS程序、数据发送程序、数据接收程序、I/O初始化程序等，其程序流程图如图4所示。

1.3 绿色建筑能源管理系统的数据及通信服务器设计

1.3.1 数据格式设计

通信服务器主要进行数据的采集、处理，针对智能控制器的特点，根据I/O的数量确定控制器的数据格式，以结构体的形式对其进行封装，该结构体主要用于接收智能控制器采集的设备信息，包括模拟量和数字量，每个模拟量参数都定义为单精度浮点型类型，数字量参数定义为无符号字符。其数据采集结构体的数据格式定义如下：

I_DataStruct结构体内各参数的具体含义见表3。

表3 参数的具体释义

该结构体仅用于接收数据包类型02H的数据（详见表2），在接收之前进行CRC校验，对于产生误码的数据包予以丢弃，将正确的数据存入数据库中，其他数据包类型所必需的结构体与02H类似，在此不再赘述。

系统中有关能源的参数是缓慢变化的，时效要求是秒级，甚至更高，数据服务器采用关系数据库即可满足系统对时间的要求。针对能源管理系统的功能及数据特点，将数据库中的数据表分为系统数据表、实时数据表、历史信息表三种类型。其中，系统数据表主要包括用户信息表、设备信息表、控制命令表等，主要用于存储维护系统以及智能控制器正常运行的信息，需要直接或间接由人工进行录入。下 面以用户信息表和控制命令表为例进行介绍。

图4 绿色建筑能源管理系统程序流程图

用户信息表（UserInfo）主要用于存储用户的身份验证信息和操作权限信息，用户根据用户名和密码对系统进行登录，并根据数据表中对该用户的权限分配在登录成功后显示相应的操作权限，以此体现在实际中不同用户对建筑物内不同功能区域的控制，见表4。

表4 UserInfo数据表结构

控制命令表（CmdInfo）主要用于存储能源管理系统下发的控制命令信息，通信服务器读取该控制命令，并下发至相应的智能控制器，对机电设备进行控制，见表5。

表5 CmdInfo数据表结构

数据库内数据表的种类和数量不限于此，仅介绍了其中代表性的几个数据表，要实现系统的功能，还需要设备信息表（以控制命令表中的CtrID为主键，记录智能控制器的详细信息，包括所控设备的名称、安装位置、安装时间等信息）、设备配置表（新添加的智能控制器在上电后向系统发送数据包，将数据包解析后存储到该表中，包括设备的ID、I/O端口参数、设备添加时间等信息，系统判断设备为新设备后，对设备进行配置，向设备信息表中添加设备的信息）、优化控制信息表（应用层将优化控制算法的参数存储到该表中，通信服务器读取该表参数进行运算，得出优化控制结果，组成控制命令下发至智能控制器，对现场设备进行控制）等等，合理的数据表划分，有助于系统功能的实现，减少系统的耦合，提高系统的稳定性和可操作性。

1.3.2 数据接口设计

能源管理系统的内部通信采用TCP/IP接口来实现，同时也需要与外部系统进行交互，获取现有系统的数据，用于更全面的对机电设备进行分析，同时也避免重复测量造成的浪费。外部接口采用WCF（Windows Communication Foundation）的方式向外提供服务和获取服务，WCF支持SOAP的通信机制，该通信机制基于XML，可以实现系统之间的互操作和跨平台通信。根据能源管理系统的数据特点，对WCF的服务进行细粒度的划分，每一个功能对应一个服务实现［12-14］。WCF契约定义的代码为

1.4 绿色建筑能源管理系统软件设计

系统采用Microsoft.Net Framwork平台来实现，Microsoft Visual Studio 2008是.Net Framwork的集成开发环境，它集成了一套完整的应用程序开发工具集，系统基于该工具集开发一套Web应用程序，VS2008提供了Web应用程序框架，对基础功能进行了封装，使得程序开发非常容易实现，开发人员只需关注具体的功能实现即可，如图5所示。

图5 管理系统功能结构图

其中，用户登录模块是根据UserInfo数据表的结构进行设计，在用户登录时判断其权限，显示相应的功能界面。

实时监控模块包括实时显示机房参数、空调系统参数、电梯系统参数等，并根据实际需求，设置控制要求及参数。

节能优化模块是对各系统的优化控制策略进行的设置，调整不同工况下的运行策略。

报表管理模块是对建筑内各系统的信息根据条件进行报表生成，实现设备信息按天、月、年等统计的功能。

后台管理模块实现了对系统管理，包括对用户的管理、设备的管理、日志的管理等功能。

2 绿色建筑能源管理系统应用

绿色建筑能源管理系统的集成主要是对数据的集成，在统一的平台下根据各系统之间数据信息的相关性，将其他系统对本系统的影响考虑在内，制定节能优化策略，以中央空调系统为例。

2.1 中央空调系统控制流程

在中央空调系统中通过智能控制器采集水箱的温度、送风温度、回风温度、阀门的开度等信息，并对参数进行滤波处理，剔除明显不符合系统运行规律的参数，把参数封装成一个数据包，通过GPRS模块将数据包发送到通信服务器，通信服务器接收设备参数，对设备参数进行压缩存储、节能运算等操作，将结果一方面下发至智能控制器，去控制现场设备，另一方面上传至数据服务器，存储至相应的数据表中，应用层读取数据库中的信息，并显示在界面上；同时用户可以在界面上直接输入参数对现场设备进行自动和手动操作，数据的流通过程同上述设备信息的采集显示过程相反［15-17］。如图6～8所示。

图6 系统数据流向图

2.2 节能优化控制实现

对中央空调系统的节能优化控制主要包括两个方面：（1）对中央空调子系统进行参数设定，使系统在设定的温度、湿度等参数下进行自动调节；（2）结合建筑内的人员检测、节假日等信息进行智能化控制。

绿色建筑能源管理系统对中央空调子系统进行集成，利用智能控制器对空调系统中的温度、湿度、流量、压力、液位等传感器以及继电器信号（检测开关信号）进行数据采集，并显示在空调系统的实时监控界面中，在该界面可设定系统的温度值和湿度值，通过PID运算实现空调机组的变频控制，实现自动运行。

绿色建筑能源管理系统通过设备层实现分区域对建筑物内人员、环境等信息的采集，通过在通信服务器预设的控制逻辑，可以结合现有参数对空调机组进行实时分区域变频控制，对机组进行智能启停，实现系统的智能化控制。

图7 空调系统实时监控界面图

图8 报表管理界面图

3 结语

绿色建筑能源管理系统对绿色建筑内的典型节能控制子系统进行集成，该系统具有物联网的形态，是物联网理论在建筑领域的应用，其将建筑内各子系统的数据集成到一个统一的平台上，对各系统的运行状态进行监控管理和数据分析，综合考虑建筑内的能耗和系统控制，对于从整体上分析建筑的能耗和对设备实现更优控制提供了条件。

随着时间的推移，绿色建筑能源管理系统内数据量会越来越大，如何有效利用这些数据，进行数据挖掘，进一步优化控制策略，需要对管理系统的功能不断完善。如有必要需将该系统迁移到云平台上，将建筑内更多的系统及更多的建筑集成到一个平台上，实现数据的共享以及通过这些数据进行建筑节能分析和控制。

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Development and application of green building energy management system

Sun Hongchang1，Zhang Lvyuan2，Shan Yue3，et al.
（1.Mechanical and Electrical Design Institute，Shandong Dawei International Architecture Design Co.Ltd.，Jinan 250101，China；2.National 863 High Performance Laboratory，Shandong Jinan Langchao Electronic Information Industry Group Co.，Ltd.Jinan 250101，China；3.School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Under the background of economical society，in order to reduce building energy consumption，achieve green low energy consumption building，and solve the problem of high energy consumption，considering the development and application of green building energy management system，this paper analyzes the energy consumption of building，designs and applies the energy management system of green building from the aspects of the overall design of system，intelligent controller design，data server design，communication server design and management system software design in the form of Internetof things.The overall design of the system is thatapplication layer，data layer，network layer and device layer，and the subsystems in the building are integrated into one platform for energy consumption statistics of each system and equipment to carry out comprehensive analysis of energy-saving data，thus improving the versatility of the system.The Web application of the system is constructed.By taking the central air conditioning system as an example，the paper carries on the design and the realization，and through the equipmentmonitoring control and the energy conservation optimization control，achieves the energy conservation goal finally.

green building；design of energymanagement system；intelligent controller

TP391

A

1673-7644（2017）01-0078-08

2017-01-11

山东省重点研发计划（2016GGX103031）

孙鸿昌（1977-），男，研究员，硕士，主要从事绿色建筑能源管理及节能控制等方面的研究.E-mail：sunhongch＠163.com