公共建筑能耗监测系统的设计方案探讨

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  摘要:针对我国在公建能耗监测系统方面的研究方面存在着可靠性不够高低、灵活性较低的情况,从监测系统系统的使用成本、传输速率、实时性等特点出发,考虑了公建能耗监测系统的标准性、准确性、开放性、扩展性、可比性、安全性、稳定性,提出了相应的设计方案。
  关键词:公共建筑:建筑能耗:监测系统
  随着我国经济建设的快速发展,公共建筑的能源消耗已经占据了社会能源消耗中相当大的比重。如果大力开发和推广应用先进的建筑节能技术,可以使我国公共建筑和居住建筑节能50%以上。现代建筑与智能技术的结合是建筑科技水平创新发展和综合效益优化提高的最好表现,现代建筑的发展,要从可持续发展的战略高度出发,注重促进生态平衡,保护环境。在合理利用资源和节约能源的背景下,国家积极构建建筑能耗监测平台,陆续发布了《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设技术导则》,《“十二五”节能减排综合性工作方案的通知》等,以指导和规范我国的建筑能耗数据采集工作。因此,公共建筑能耗监测系统的深入研究对构建标准化、通用性平台将具有深远意义。
  1能耗监测系统的需求分析
  尽管我国在公建能耗监测系统方面的研究已经获得了长足的发展,但还存在着可靠性不够高低、灵活性较低等不足。此外,监测系统还需考虑系统的使用成本、传输速率、实时性等特点。在综合考虑当前公建能耗监测的缺点以及具体的使用需求的基础上,对本公建能耗监测系统提出如下几个要求:标准性、准确性、开放性、扩展性、可比性、安全性、稳定性。
  2能耗监测系统的技术方案
  按照系统的需求分析,公建能耗监测系统需满足“远程监测”这一最基本的要求,因此需开发一个监测软件,在远程监测中心便可获取各能耗分项数据,并能对获取的数据进行处理以及管理。此外,系统还需开发一个数据采集器,用于控制安装在建筑物中的各个智能表具,并且远程监测中心可通过数据采集器来间接控制各个表具。为能准确计量各能耗分项数据,需要采用可支持远传的智能表具,远传表具可与数据采集器的进行通信传输能耗数据。由于目前国内的智能表具开发技术较为成熟,本系统不再对其进行重复开发,直接选用市场可以购买到的智能(水、电、气)表。综上所述,本公共建筑能耗监测系统由能耗监测系统、数据采集器、智能(水、电、气)表组成。智能表具采用现成产品,所以本系统需要重点开发的是能耗监测系统和数据采集器。
  2.1下位机通讯方案
  下层通信是指数据采集器与智能表具之间的通信。目前,可用于下层通信的方式有LonWorks技术、蓝牙技术、红外技术、M-Bus技术、ZigBee技术、RS-485技术等。红外技术、蓝牙技术以及ZigBee技术都属于无线通信技术,适用于低速短距离传输少量数据。LonWorks技术、M-BUS技术、RS-485技术都属于总线通信技术。LonWorks总线技术又成为Lon总线,Lon总线具有大量优点,如传输速率高、布线简单、总线介质选择余地大、通信可靠等。但是Lon总线采用的协议复杂,不够灵活,而且Lon总线不便于管理,其采用的不是常规的主从结构。最后,Lon总线需要使用专用的神经元芯片,使用成本较高。所以在本系统的下层通信中采用Lon总线不太合适。RS-485總线是目前国内应用范围最为广泛的总线之一,在远传基表中也一直作为主流通信技术,市场上存在着大量的RS-485接口智能表具,RS-485总线的设计初衷是应用于少节点、短距离的工业自动化数据采集系统中,Rs485总线的设备容量较少,理论上可带128个设备,基本可以满足单幢建筑物的通信要求。此外,RS-485的通讯速率受通讯距离的影响,当通讯距离为100米以上时,通讯速率大约为1200bps左右,所以在应用过程中应该注意这一点。考虑到目前RS 485智能表具的使用更为广泛,在实际使用中也更容易采购,所以本系统采用RS-485总线通信方式。
  2.2上位机通讯方案
  末端计量仪表采集到的数据信息经RS-485串口汇集到数据采集器,经过校验、错误及异常处理、数据打包解包、数据加密解密、数据重传处理等多个模块的处理,形成可以在IP网上传递的分组,然后通过能耗监测专用以太网传输至远端的数据采集服务器。为避免接入后对原网络产生安全影响,我们采用专用网络。对于分布于建筑物部分楼层的数据集中采集器和中央控制单元,我们采用了已有的网络,将数据传输到数据中心服务器,服务器需要同能耗监测系统的网络对接,需要申请网内IP地址,以便管理人员集中管理,提高管理效率。
  2.3系统基础软件方案
  能耗监测软件系统包括两大部分,见表1:第一是能耗监测基础软件系统:主要是操作系统、病毒防护软件、数据库软件等。这是能耗监测系统运行的最基础软件。第二是能耗监测系统软件系统:主要是由数据采集子系统、数据处理子系统、数据上报子系统、数据接收子系统、消息管理子系统、数据分析展示子系统、服务子系统、维护子系统等。这是能耗监测软件的子系统组成。
  根据本系统的设计要求对现有能耗监测系统中应用的基础软件进行分析:
  方案一:选择Linux操作系统和系统自带的病毒防护软件,使用MYSQL数据库。此方案的免费的操作系统不影响数据中心的稳定,并在国内有大量的应用,优点为节省成本。
  方案二:选择Windows Server 2003中文标准版操作系统,使用国内知名的病毒防护软件,并使用SQLServer2005数据库。此方案的选择成本较高。
  最终,本系统选择方案一,原因包括:Linux操作系统支持多用户接口和网络安全性很高,系统稳定、实用、免费。MYSQL数据库开源,应用范围小安全性高,并且功能实用,速度快。Linux操作系统与MYSQL的结合,可在保证系统稳定安全性的情况下,使基础软件的效果达到最好的性价比。
  2.4WIFI通讯网络方案   在下位机系统中,使用的是RS-485总线进行传输,在上位机系统中使用的TCP/IP进行数据的采集工作。中间承载RS-485总线与TCP/IP的通讯网络使用的如图1所示的WIFI通讯方案。
  Wifi网络对下承接RS485总线送入网络中的采集到的数据,对上通过TPC/IP协议连接服务器,将数据传送至服务器中。在对下层的数据通信中,由于Wifi模块不支持对RS485总线的直接连接,所以需要设计包含wifi模块的专用RS485TCP/IP的模块来完成任务。在对上层的数据通信中,可使用的途径有两类,一是将信息接入到Internet中;二是将整个的数据采集网络与Internet网络隔离。第一种方法的优点是可以借助目前铺设广泛的Internet网络完成数据传输工作,但是接入Internet网络对数据的安全性要求很高;第二种方法的优点是数据传输过程中的安全性好,但是网络架设复杂,硬件成本更高。综合考虑下,本课题使用的第一种方法,为了保证安全性,在TCP/IP的传输过程中增加一个数据的简单加密环节。
  RS485-TCP/IP模块包含了一个微处理器完成对RS485总线的收发、对传输数据的加解密、以及对包含于其中的wifi模块的操作,通过接入到Internet网络,构成了上位机与下位机之间的通讯网络。
  3能耗监测系统的总体结构设计
  3.1总体框架
  本公共建筑能耗监测系统数据中心,可以将公共建筑能耗数据传输到省级能耗数据中心,并且在公共建筑能耗监测平台以下接入各个单体建筑。单体建筑的能耗数据通过网络上传到能耗数据中心,再上传到省级能耗数据中心,并且供能耗监测单位做出能耗决策。由管理软件、服务器、局域网、数据采集器、计量表具等组成。系统具备能耗数据的实时采集、远程传输、数据储存、数据上传、指标分析、分类展示等功能。图2为系统的整体网络构架。
  数据采集器接收从底层设备远传计量表具(水、电、气)上传的能耗数据和环境指标,按照相关规定将需要的数据打包上传给上位机,数据传输为基于TCP/IP协议的网络通信方式,利用MYSQL数据库搭建的建筑能耗监测平台可以对建筑能耗指标进行实时存储和动态分析。
  3.2数据处理过程
  由数据采集系统、传输系统、数据中心传输系统等部分组成了能耗数据传输整个系统。本公共建筑能耗监测系统的数据采集系统,通过数据采集器采集计量仪表的数据。数据采集器进行数据解析、数据验证等计算处理,再通过数据传输系统将数据传送至数据中心。建筑能耗监测系统的采集系统构架如图3所示。
  各类单体建筑的能耗数据从计量仪表传输至数据采集器,采集器将处理后的数据按统一字符串格式,按照建设部《国家机关办公建筑及大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据传输技术导则》,通过局域网传送至数据中心的服务器。
  3.2建筑电能分项计量模型
  标准建筑电能分项计量模型为分项计量工作提供了统一的比较标准,为各个建筑的横向对比提供最大的可行性。在标准建筑电能分项计量模型的基础上,根据实际建设情况,建立符合各类标准建筑的电能分项计量模型,如图4。标准建筑电能分项计量模型示意图,如表2所示。
  模型的体系结构、节点划分完全按照终端用能设备的不同功能用途进行划分。能耗模型覆盖建筑中所有的常见用能设备,每个设备都能够在能耗模型中的某个末端节点中找到。通过横向比较,不同建筑的分项能耗指标,能够得到清晰的结论。
  4能耗数据的采集对象及指标
  4.1建筑基本情况数据采集指标
  5结束语
  本系统整合多种数据,方便人员控制,不仅提高了公共建筑节能的智能化水平,增强了大型公共建筑的网络化节能控制方式,而且将公共建筑按楼宇、楼层、房间实现能耗在线的综合管理。对用户能源利用效率、消耗水平、能源经济与环境效果进行监测、诊断,是一套集建筑能耗监测和能耗管理于一体的综合能效管理系统。
  根据建筑的使用功能和用能特点,将国家机关办公建筑和大型公共建筑分为8类。
  (1)办公建筑;
  (2)商场建筑;
  (3)宾馆饭店建筑;
  (4)文化教育建筑;
  (5)醫疗卫生建筑;
  (6)体育建筑;
  (7)综合建筑;
  (8)其它建筑。
  其它建筑指除上述7种建筑类型外的国家机关办公建筑和大型公共建筑。
  建筑基本情况数据采集指标根据建筑规模、建筑功能、建筑用能特点划分为基本项和附加项。
  基本项为建筑规模和建筑功能等基本情况的数据,8类建筑对象的基本项均包括建筑名称、建筑地址、建设年代、建筑层数、建筑功能、建筑总面积、空调面积、采暖面积、建筑空调系统形式、建筑采暖系统形式、建筑体型系数、建筑结构形式、建筑外墙材料形式、建筑外墙保温形式、建筑外窗类型、建筑玻璃类型、窗框材料类型、经济指标(电价、水价、气价、热价)、填表日期、能耗监测工程验收日期。
  附加项为区分建筑用能特点情况的建筑基本情况数据,8类建筑对象的附加项分别包括:
  (1)办公建筑:办公人员人数。
  (2)商场建筑:商场日均客流量、运营时间。
  (3)宾馆饭店建筑:宾馆星级(饭店档次)、宾馆入住率、宾馆床位数量。宾馆饭店档次见《酒家酒店分等定级规定》(GB/T 13391-2000)的相关规定。
  (4)文化教育建筑:影剧院建筑和展览馆建筑的参观人数、学校学生人数等
  (5)医疗卫生建筑:医院等级、医院类别(专科医院或综合医院)、就诊人数、床位数。
  (6)体育建筑:体育馆建筑客流量或上座率。
  (7)综合建筑:综合建筑中不同建筑功能区中区分建筑用能特点情况的建筑基本情况数据。   (8)其它建筑:其它建筑中区分建筑用能特点情况的建筑基本情况数据。
  5.1能耗数据采集指标
  根据建筑用能类别,分类能耗数据采集指标为6项,包括.
  (1)电量;
  (2)水耗量;
  (3)燃气量(天然气量或煤气量);
  (4)集中供热耗热量;
  (5)集中供冷耗冷量;
  (6)其它能源应用量,如集中热水供应量、煤、油、可再生能源等。
  分类能耗中,电量应分为4项分项,包括照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电。电量的4项分项是必分项,各分项可根据建筑用能系统的实际情况灵活细分为一级子项和二级子项,是选分项。其它分类能耗不应分项。
  (1)照明插座用电。照明插座用电是指建筑物主要功能区域的照明、插座等室内设備用电的总称。照明插座用电包括照明和插座用电、走廊和应急照明用电、室外景观照明用电,共3个子项。
  (2)空调用电。空调用电是为建筑物提供空调、采暖服务的设备用电的统称。空调用电包括冷热站用电、空调末端用电,共2个子项。
  (3)动力用电。动力用电是集中提供各种动力服务(包括电梯、非空调区域通风、生活热水、自来水加压、排污等)的设备(不包括空调采暖系统设备)用电的统称。动力用电包括电梯用电、水泵用电、通风机用电,共3个子项。
  (4)特殊用电。特殊区域用电是指不属于建筑物常规功能的用电设备的耗电量,特殊用电的特点是能耗密度高、占总电耗比重大的用电区域及设备。特殊用电包括信息中心、洗衣房、厨房餐厅、游泳池、健身房或其它特殊用电
  6结束语
  本文在对建筑能耗监测系统的需求进行详细分析,并综合考虑当前公共建筑能耗监测系统的的缺点以及具体的使用需求的基础上,对本公建能耗监测系统提出标准性、准确性、开放性、扩展性、可比性、安全性及稳定性几个要求。经过比对选取了Linux操作系统、MYSQL数据库作为本系统的基础软件。Linux操作系统与MYSQL的结合,可以在保证系统稳定安全性的情况下,使基础软件的效果达到最好的性价比。本章还对整个能耗监测系统的总体框架进行设计,底层设备远传计量表具(水、电、气)上传的能耗数据和指标通过RS485总线,按照相关规定将需要的数据打包上传给数据采集器,数据传输为基于TCP/IP协议的网络通信方式,利用MYSQL数据库搭建的建筑能耗监测平台可以对建筑能耗指标进行实时存储和动态分析。
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