某办公建筑的建筑能耗管理系统设计及分析

2021-09-23高享

电子技术与软件工程 2021年12期

高享

（湖南省建筑科学研究院有限责任公司湖南省长沙市 410004）

目前我国拥有数百亿平方米的建筑，总体量稳居世界第一，但目前我国的绿色建筑比例只有约5%，建筑的运行能耗总体偏高，目前我国建筑的运行能耗约占全社会总能耗的1/3。我国能源消费总量已跃居世界第一位，是能源资源相对短缺的国家又是能源利用率低下的国家，需求和供应的矛盾突出。因此，非常有必要广泛应用建筑能耗管理系统，监测建筑运行的能源消耗，促进建筑的持续节能运行，这有助于我国转变经济发展方式，实现经济增长模式由粗放型向集约型转变，由高碳排放向低碳排放转变。

1 现代建筑能耗管理系统设计存在的问题

1.1 重复建设问题

在现代大型建筑的设计工作中，智能化专项设计已经普及。智能化专项设计单位会提供一套建筑能耗管理系统施工图用于指导施工；与此同时，电气专业出于通过施工图审查的目的，也会提供一套建筑能耗管理系统的施工图。两套建筑能耗管理系统的施工图，一起付诸实施后，产生了重复建设的问题，有形地增加建设单位的资金投入。

1.2 计量粗放的问题

水、暖、电专业的能耗计量仪表的设置，一般以集中设置为主。智能化设计人员如果机械地按照水、暖、电专业提供的仪表的位置和数量进行能耗数据采集，就无法进行精细化能源管理，也很难为建筑节能运行提供合理的管理策略。

2 本项目建筑能耗管理系统设计

2.1 项目概况

本项目位于湖南省长沙市，总建筑面积约9.6万平米。项目包括三栋单体，其中A栋公寓楼地上16层、地下2层；B栋办公楼地上20层、地下2层；C栋办公楼地上21层、地下2层。

本项目为建筑面积超过1万平方米以上的新建公共建筑，根据《长沙市民用建筑节能和绿色建筑管理办法》长政办发〔2017〕53号文要求，本项目应安装能耗监测数据采集系统，且应与建筑主体工程同步设计、同步施工、同步验收，所采集的建筑能耗数据应能稳定上传至长沙市建筑能耗监测平台。

2.2 设计思路

传统的能耗管理系统，一般只要求满足能耗监测和能耗数据上传的功能，系统流程如图1所示。

这种能耗管理模式是一种用于满足国家和地方政策规范的开环管理模式，只知道建筑消耗了多少能源，不能为建筑运行管理提供有针对性的节能管理策略。

考虑到本项目存在公寓、外租办公和自用办公等多种业态的实际情况，采用传统的开环式能耗管理系统已经不能满足物业管理要求。因此，设计方考虑将能耗计量、能耗监测、能耗收费、节能运行、节能展示等功能融合为一个整体，分别面向本项目的A栋公寓租户、B栋办公楼租户、裙楼商业租户和物业运营管理单位等多类用户提供服务，形成一套闭环的管理系统。系统流程如图2所示。

2.3 系统架构

本项目建筑能耗管理系统采用B/S架构，B/S架构允许授权用户通过各类网络终端（计算机、手机或PAD）通过互联网访问和管理项目的能耗管理系统。

2.4 系统结构

本系统分为五个层次，自下而上分别是数据感知层、数据采集层、网络传输层、系统服务层和系统展示层。系统层次结构如图3所示。

2.4.1 第一层：数据感知层

数据感知层由各种数字能耗计量仪表组成，如：空调能量表、数字流量表、数字电表、燃气表等，计量末端设备的耗能量。

本项目由水暖电专业根据规范要求和物业管理要求设置能耗计量仪表，智能化专业对各专业仪表的设置提供优化建议。

图1：开环能耗管理系统流程图

图2：闭环能耗管理系统流程图

图3：建筑能耗管理系统结构图

2.4.2 第二层：数据采集层

数据采集层由能耗数据采集器和数据采集链路组成，能耗数据采集器对数字电能表、数字燃气表、数字流量表、空调能量表等设备进行能耗数据采集、数据过滤与存储，并通过信息网络系统，将能耗数据上传到能耗管理服务器。数据采集链路指传输数据的方式，如：RS-485总线、M-BUS总线以及无线等方式。

本项目数据采集器安装在各楼层弱电间，采集各类仪表的能耗数据。系统采用RS-485总线制传输，采用的能耗数据采集器，最多支持4路下行RS-485总线回路，每个回路最多接32个数字仪表。为了保证总线回路的通信速率，提高通信链路的稳定性，设计按照不超过500米距离的要求设计总线回路。

2.4.3 第三层：网络传输层

网络传输层包括数据采集器上行的综合布线链路、信息网络设备以及相关协议。综合布线链路包括各类光纤、双绞线等材料；信息网络设备包括交换机、路由器等设备；主要协议包括TCP/IP协议和UDP协议。

考虑到办公楼拟建的局域网资源和降低通讯成本的因素，本项目能耗管理系统采用外网综合布线系统传输，外网综合布线采用单模光纤+非屏蔽6类线解决方案。能耗管理系统接入到外网信息网络进行数据交换和处理，以便将能耗数据上传至长沙市能耗监测管理平台，借助办公楼外网网络，并在此基础上构建增值服务。

2.4.4 第四层：系统服务层

系统服务层由能耗管理服务器和能耗管理软件组成，负责对项目能耗数据进行汇总、统计、分析、计算、处理和存储。实现能耗计量收费、能耗分析、能耗查询、能耗预警和管理优化等功能。

2.4.5 第五层：系统展示层

用户可通过多种方式访问建筑能耗管理系统，本项目要求支持用户可通过手机、PAD、计算机客户端等方式访问，实时掌握建筑的能耗动态。同时通过IBMS平台和信息发布系统打通，支持在本项目的LED大屏进行展示。

2.5 主要功能设计

2.5.1 电能耗计量监测功能

电能耗计量监测采用电表采集电能的数据，在需要计量收费和监测的区域设计安装电表。

总用电量计量：在每台变压器低压干线处安装数字电能表，对总的用电量进行计量。

分户计量：在A栋公寓、B栋办公楼裙楼商业和食堂等末端用户设置数字电表进行分户计量。

分层计量：C栋办公楼为自用办公为主，在楼层普通照明配电箱、楼层公共照明配电箱和楼层空调配电箱设置数字电表进行分层计量。

分类分项计量监测如下：

照明、插座系统电耗（照明和插座用电、走廊和应急照明用电、室外景观照明用电）。

空调系统电耗（空调机房用电、空调末端用电）。

动力系统电耗（电梯用电、水泵用电、通风机用电）。

特殊电耗（弱电机房、消防控制室、厨房餐厅等其他特殊用电）。

2.5.2 水能耗计量监测功能

水能耗计量监测采用水表采集水能的数据，在需要计量收费和监测的区域设计安装水表。

根据项目对水表计量收费和监测的要求，需要计量监测的区域如下：

总用水量：在园区给水干管设置数字流量表计量。

餐厅厨房用水：在餐厅厨房给水管设置数字流量表计量。

洗手间用水：在楼层洗手间给水管设置数字流量表计量。

分户计量：在A栋公寓、B栋办公楼裙楼商业和食堂等末端用户设置数字流量表进行分户计量。

空调系统用水：在空调系统给水管设置数字流量表计量。

2.5.3 空调能耗计量监测功能

（1）集中计量：供回水管上安装能量表，计量使用的冷热量

（2）末端计量：每户的风机盘管安装智能温控器，计量风机盘管使用的当量时间

2.5.4 能耗KPI功能

能耗KPI：本项目C栋办公楼为业主自持，各个部门分楼层、分区域独立办公。能耗管理系统分析能耗情况，将能源消耗分摊到各个部门、个人，实现能耗考核，促进管理方面的主动节能。

2.5.5 节能管控功能

能耗管理系统可有效的监控内各个单位的能耗状况，避免非正常上班时间的能耗浪费，节约能源，给使用单位提供能源控制、管理方面的决策依据。

用户可以制定能耗节约策略，例如当空调的热量消耗达到预设值后，通过楼宇自控接口，监测风机盘管和BA设备的运行状态，减小送风量和提高或降低送风/回风温度。当设备终端的能源累积量达到系统设定的值时，系统可以自动对风机盘管发送关机命令，并且关闭盘管的控制面板远程控制。

3 专业间配合

3.1 和电气专业配合

智能化专业在项目设计前和电气专业就避免能耗管理系统重复建设的问题进行协商，明确由电气专业根据物业管理要求设置带远传接口的数字化电表，由智能化专业负责电表的数据采集的布线和能耗管理系统的系统设计，确保整个项目只有一套能耗管理系统和平台。

3.2 和给排水专业配合

由给排水专业根据物业管理要求设置带远传接口的数字化流量表，由智能化专业负责流量表的数据采集的布线和能耗管理系统的系统设计。

3.3 和暖通专业配合

由暖通专业根据物业管理要求设置带远传接口的数字化空调能量表，由智能化专业负责空调能量表的数据采集的布线和能耗管理系统的系统设计。

3.4 和绿建专业配合

根据《绿色建筑评价标准》GB/T50378要求，绿建三星级标准建筑应满足该标准的所有控制项要求，并且绿建总得分不低于80分。智能化专业在项目设计前和绿建专业就控制项和得分项进行协商，由智能化专业设计能耗管理系统，系统的功能需要满足和能耗监测、计量和节能措施等方面的控制项和得分项的要求，助力绿建三星级标准达标。

4 系统设计的发展趋势

目前能耗管理系统组网以有线传输为主，具有稳定性高的优点，但也存在扩展不便的缺点。由于能耗管理系统在传输过程中产生的流量较小，对网络带宽要求不高，延时要求也不高，采用无线传输不仅可以满足能耗管理系统的组网需求，还具备扩展灵活的优势。随着物联网技术和5G通信的快速普及，利用无线传输会越来越广泛地应用于能耗管理系统。