某办公建筑的建筑能耗管理系统设计及分析

摘要：本文针对某大型办公建筑项目，将建筑群内部的所有能耗数据和参数，传输至建筑能耗管理平台，由能耗管理平台进行数据统计、分析和处理后，反馈至建筑设备监控系统和智能照明控制系统，实现项目的能源精细化管理和智能化控制功能，在保证建筑舒适性的条件下，提高建筑能源利用效率，降低项目用能费用，助力项目达标绿色建筑三星标准。

关键词：绿色节能；数据采集；能耗监测；节能运行

目前我国拥有数百亿平方米的建筑，总体量稳居世界前列，但目前我国的绿色建筑比例只有约0.05 , 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。我国能源消费总量己跃居世界前列，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，智能化专项设计己经普及。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，总建筑面枳约 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己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

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

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 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。

2.4.2 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，至多支持4路下行RS-485总线回路，每个回路可接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 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 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 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B A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。

5 安科瑞Acrel-5000建筑能耗分析系统

Acrel-5000建筑能耗分析系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。用户可按照国家有关规定实施能源计算，分析现状，查找问题，挖掘节能潜力，提出切实可行的节能措施，并向县级以上管理节能工作的部门报送能源计算报告。

6 应用场所

适用于公共建筑、集团公司、工业园区、大型物业、学校、医院、企业等不同行业的能耗监测与管理的系统设计、施工和运行维护。

7 系统组网图

8 系统功能

8.1系统概况

平台运行状态，当月能耗折算、地图导航，各能耗逐时、逐月曲线，当日，当月能耗同比分析滚动显示。

8.2 用能概况

对建筑、部门、区域、支路、分类分项等用能进行对比，支持当日逐时趋势、当月逐日趋势曲线、分时段能耗统计对比、总能耗 同环比对比。

8.3 用能统计

对建筑、区域、分项、支路等结构按日、月、年报表的形式统计对分类能源用能进行统计，支持报表数据导出EXCEL，支持选择建筑数据进行生成柱状图。

8.4 复费率统计

复费率报表按日、月、年统计对单栋建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析。支持数据导出到EXCEL。

8.5 同比分析

对建筑、分项、区域、支路等用能按日、月、年以图形和报表结合的方式进行用能数据同比分析。

8.6 能源流向图

能源流向图展示单栋建筑自己设定时段内各类能源从源头到末端的的能源流向，支持按原始值和折标值查看。

8.7 夜间能耗分析

夜间能耗以表格、曲线、饼图等形式对选择支路分类能源在自己设定时段工作时间与非工作时间用能统计对比，支持导出报表。

8.8 设备管理

设备管理包括，设备类型、设备台账、维保记录等功能。辅助用户合理管理设备，确保设备的运行。

8.9 用户报告

用户报告针对选定的建筑自动统计各能源的月使用的同环比趋势，并提供简单的能耗分析结果，针对用电提供单独的复费率用能分析，报告可编辑。

9 系统硬件配置

应用场景	型号	图 片	保护功能
建筑能耗管理系统	Acrel-5000		采用泛在物联、云计算、大数据、移动通讯智能传感等技术手段可为用户提供能源数据采集、统计分析、能效分析、用能预警、设备管理等服务，平台可以广泛应用于多种领域。
智能网关	Anet-1E2S1		采用嵌入式硬件计算机平台，具有多个下行通信接口及一个或者多个上行网络接口，作为信息采集系统中采集终端与平台系统间的桥梁，能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总，并使用相应的规约转发现场设备的数据给平台系统。
高压重要回路或低压进线柜 配电变压器	APM810		具有全电量测量，电能统计，电能质量分析及网络通讯等功能，主要用于对电网供电质量的综合监控诊断及电能管理。该系列仪表采用了模块化设计，当客户需要增加开关量输入输出，vwin 量输入输出，SD卡记录，以太网通讯时，只需在背部插入对应模块即可。
	APM520		三相全电量测量，2-63 次谐波，不平衡度，支持付费率，越限告警，SOE,4-20mA输出。
低压联络柜、出线柜	AEM96		三相多功能电能表，均集成三相电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上 24 时、上 31日以及上 12 月的电能数据统 计。具有 63 次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和继电器输出可实现“遥信” 和“遥控”功能并具备告警输出，可广泛应用于多种控制系统SCADA 系统和能源管理系统中。
动力柜	ACR120EL		测量所有的常用电力参数，如三相电流、电压，有功、无功功率，电度，谐波等，并具备完善的通信联网功能，非常适合于实时电力监控系统。
	DTSD1352		DIN35mm 导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和电力行业标准DL/T614-2007 对电能表的各项技术要求并且具有电能脉冲输出功能;可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。
	AEW100		三相全电量测量，剩余电流、2-63 次谐波支持付费率，量值、电缆温度，可选 2G/4G通讯。
照明箱	DTSD1352		DIN35mm 导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和电力行业标准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，并且具有电能脉冲输出功能;可用 RS485通讯接口与上位机实现数据交换。
	DDSD1352		DDSD1352单相电子式电能表主要用于计量低压网络的单相有功电能，同时可测量电压、电流、功率等电量，具有红外通讯功能，并可选配 RS485通讯功能，方便用户进行用电监测、集抄和管理。可灵活安装于配电箱内，实现对不同区域和不同负荷的分项电能计量，统计和分析。
	DDS1352		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，正反向电能计量，红外及RS485 通讯，电流规格10(60)A，有功电能精度1级。无功精度2级。尺寸:1P
	ADW300/4G		计量低压网络的三相有功电能，具有 RS485通讯和470MHz无线通讯功能，方便用户进行用电监测、集抄和管理。可灵活安装于配电箱内，实现对不同区域和不同负荷的分项电能计量，统计和分析。
	ARCM300T-Z-4G		三相全电量测量，剩余电流、2-63 次谐波，支持付费率，量值、电缆温度，可选 2G/4G 通讯。
给水管道	水表		计量流经给水管道用水的体积总量，适用于单向水流，采用电子直读技术，通过RS485总线直接输出表盘数据。

10 结论

总而言之，将大数据应用到公共建筑能耗监测系统中能够大大提高系统的工作效率．一方面，随着监测系统的建设，越来越多的数据开始被记录下来，如何充分利用这些数据正是每一个从业人员都面临的问题；另一方面，将大数据引用到监测系统中，不仅能够充分对监测系统本身的数据进行挖掘利用，还能够利用到外部数据来提升监测系统的水平，从而建立起一个科学完备的公共建筑能耗监测体系。

参考文献

[1]高享.某办公建筑的建筑能耗管理系统设计及分析[J].电子技术与软件工程,2021:2.

[2]张徐.智慧楼宇实践[M].北京:人民邮电出版社,2020.

[3]张子慧.建筑设备管理系统[M].北京:人民交通出版社,2009.

[4]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.

审核编辑 黄宇