钟伯成
【摘 要】建筑能耗已占我国社会能耗总量的1/3,研究与开发合适的建筑节能产品势在必行.针对目前建筑节能存在的管控分离问题,基于信息技术设计了一种管控结合的建筑节能管理系统,并给出了建筑节能减排的整体解决方案.刮刮卡制作
【期刊名称】《上海工程技术大学学报》
【年(卷),期】2012(026)003
【总页数】5页(P200-204)
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【关键词】节能减排;建筑能耗;能源管理;网络通信
【作 者】钟伯成
【作者单位】上海工程技术大学 电子电气工程学院,上海201620
【正文语种】中 文
【中图分类】TP319
建筑能耗一般指建筑物在维持运转和使用过程中所消耗的能量，主要包括空调、供水、供暖、电梯、照明以及其他电气设备的能耗.随着社会经济的快速发展，建筑能耗，尤其是大型公共建筑能耗问题倍受各界关注.有关统计数据表明，现在中国建筑能耗在社会能源消费总量中所占的比例已高达1/3，与同等气候条件下的发达国家相比，我国的单位建筑面积能耗要高出2～3倍.如果放任这种状况继续下去，预计到2020年，我国年建筑能耗将达到11亿吨标准煤，为目前建筑能耗的3倍以上［1］.随着国家把合理利用资源，开展节能降耗作为一项重要的基本国策，并在“十二五”规划纲要中明确制定了全社会的节能降耗目标，建筑节能技术的研究与应用日益受到社会的关注，越来越多的建筑采用了节能技术.本文研究了建筑节能技术与产品的发展现状和亟待解决的主要问题，针对目前建筑节能中存在的能耗监控与能源管理自成系统、效率低下等问题，设计了建筑能耗智能监控与管理系统，将监控与管理集成在一个系统中，做到数据共享，管控一体，大大提高了建筑节能的响应速度，减少了数据冗余.系统可对建筑能耗进行动态监测和分析，实现对建筑的精细化管理与控制，达到节能减排的效果.
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1 建筑节能技术的发展
建筑节能在发达国家的研究始于20世纪70年代初的第一次国际能源危机［2］，目前已形成了一套较为完善的从法律政策到技术产品的建筑节能体系.我国的建筑节能研究起步较晚，开始于20世纪90年代初，如今建筑节能技术与产品开发已取得长足的进步.建筑节能技术研究主要分建筑能耗数据采集(建筑能耗监控系统)、建筑能源管理和建筑能耗预测模型与软件等.
1.1 建筑能耗数据采集
建筑能耗数据采集是由建筑各耗能点的测量仪表将建筑日常的水、电、煤和天然气等能耗指标数据实时采集并传输到后台数据库中，是建筑能源管理的基础，这一部分无论是国际、国内标准，还是产品都相对成熟.
国际标准有美国电气电子工程师学会颁布的《IEEE工业与商业设施能源管理推荐实施准则》(IEEE Std 739—1995)［3］，其给出了工业和商业企业系统中各系统和设备能量消耗监控与管理的指导性建议，对于照明、空调、电机等系统分别给出了能效判断和提高能效
的方法;由国际节能效果测量和认证规程委员会颁布的《国际节能效果测量和认证协议》(International Performance Measurement and Verification Protocol，IPMVP)［4］，通过科学合理的测评来确定能源管理项目所产生的节能量.许多北美公用事业公司和节能服务公司已把IPMVP当作业界节能量测量和验证的标准方案.2008年我国住房和城乡建设部正式颁布了一套国家机关办公建筑及大型公共建筑能耗监测系统技术导则，成为我国建筑能耗监测系统的实施标准.其包括5个导则:《分项能耗数据采集技术导则》、《分项能耗数据传输技术导则》、《楼宇分项计量设计安装技术导则》、《数据中心建设与维护技术导则》和《系统建设、验收与运行管理规范》.这5个导则规定了统一的能耗数据分类、分项方法及编码规则，为实现分项能耗数据的实时采集、准确传输、科学处理、有效储存提供支持;规定了能耗监测系统中能耗计量装置、通信控制器和各级数据中心之间的能耗数据传输过程和格式，统一了楼宇分项计量和冷热量计量的方法.
建筑能耗数据采集产品主要由生产智能建筑设备系统的厂商提供的建筑自动化系统(Building Automation System，BAS)完成，采集的主要数据有:各设备的运行状态、能耗，建筑环境参数，建筑所在区域气候条件等.但是由于种种原因，目前国内的BAS系统在建筑中能真正达到建筑节能减排要求的不多，大多数建筑内的BAS系统仅起监视设备运行的作
用，没有发挥节能减排的功能.因此，有必要在BAS系统中嵌入建筑能源管理系统，在进行建筑能耗数据采集与检测的同时，可以对采集的数据进行加工处理，即对建筑能耗数据进行统计分析，建立建筑能耗预测模型，并反馈控制现场设备按最优的能耗模式运行，才能真正发挥BAS系统的作用，实现建筑的节能减排.
1.2 建筑能源管理
建筑能源管理系统是基于建筑自动化系统基础上的一套智能化管理软件.一般具有如下功能:建筑能源统计，进行建筑能源消耗量统计、能源消耗成本统计、能源平衡统计和能源指标完成情况统计;建筑能源分析，即对基础数据进行统计和分析、采用图表等可视化方式展示能源消耗量、能源成本分析结果，为能源管理提供决策依据;建筑节能管理，即实现建筑能源指标计划管理，对不合理耗能点提出改进，通过对采集数据的能耗分析、判断，建立相应的能耗模型，实现降低能源消耗和建筑运行成本等.
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建筑能源管理系统(Building Energy Management System，BEMS)是由建筑管理系统(Building Management System，BMS)发展而来的.早期的BMS没有独立的BEMS管理系统，BEMS的管理功能一般嵌入在BMS中.20世纪70年代世界能源危机后，建筑能耗引起了
广泛的重视，大量节能高效的能源设备陆续投入使用，使得建筑能源设备在建筑物中所占的比例大大增加.同时各种能源管理功能如最优化控制、时间事件触发切换功能等先后在BMS中出现，使得能源管理功能逐渐加强并逐渐形成独立的系统，即BEMS.
1.3 建筑能耗预测模型与软件
建筑能耗预测就是根据采集到的建筑能耗的历史数据，依据建筑运转与能源使用的特性建立预测模型，推算出未来特定时间或者特定时刻的建筑能耗.预测的结果可以为科学合理地规划建筑用能指标，实现建筑节能减排目标提供依据.显然，准确预测建筑能耗的关键是建立合适的预测模型，这也是目前国内外学者关注的焦点.主要的方法有:神经网络预测法、时间序列预测法、遗传预测法、灰理论预测法、回归分析预测法等.随着建筑功能日趋复杂，预测数据量日益庞大，使建筑能耗模拟软件的研究与开发成为建筑能耗预测的另一个热点.发达国家从20世纪70年代就投入大量人力、物力，开发出多个建筑能耗模拟预测和优化软件，并将其作为推广建筑节能的最有效技术措施.目前世界上比较流行的建筑全能耗分析软件主要有:DOE-2，BLAST，EnergyPlus，COMIS，ESP-r，eQUEST，Dest和 TRNSYS等［5］，大量的研究表明，采用计算机软件进行建筑能耗预测是一种快速有效的预测方法［6－8］.
从上面的分析不难看出，由于进行建筑能耗数据采集和监控的建筑自动化系统(BAS)，与实现建筑能耗分析、预测和管理的系统各自独立，自成体系，使得建筑能耗监控与管理各自为政，导致建筑节能系统难以达到预期的效果.因此，本文设计了一个将建筑能耗监控与管理相结合的建筑能耗智能监控与管理系统.
2 建筑能耗监控管理系统结构设计
建筑能耗监控管理系统采用3层架构，即由现场监控层、网络通信层和管理层等3层构成，如图1所示.现场监控层由各种能耗计量装置和控制执行装置组成，实现各种能耗数据的采集和设备能耗控制;网络通信层完成建筑现场能耗计量装置和控制执行装置与上面管理层的数据交换;管理层主要完成能耗数据的动态监测、分析处理和能耗预测与反馈控制等工作.
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图1 系统3层架构示意图Fig.1 Schematic diagram of three-laryer system structure
2.1 现场监控层
现场监控层是建筑内各用能设备的能耗数据采集以及执行节能控制的执行者，主要由各种具有能耗数据采集与执行控制的智能仪表装置组成，包括智能电量采集器、电接点压力表
、智能远传水表、超声波冷/热量表、远传差压压力变送器、转炉煤气流量计、智能远传气表等.现场智能计量与控制仪表通过现场总线(如LonWorks等)与通信控制器连接，采用多种通信协议，将建筑分项、分类能耗数据远传并存入管理层的能耗数据库.这些数据还可以通过管理层的通信服务器或无线网关远传至上级部门或管理者的移动设备上.能耗计量与能耗控制装置还可以接收管理层的反馈控制命令，控制设备能耗.
2.2 网络通信层
建筑能耗监控管理系统的数据通信网络包括两部分:
1)现场计量与控制装置和通信控制器之间的数据传输，在现场监控层中实现.
2)网络通信层指通信控制器与管理层的数据传输.网络通信层对现场能耗计量设备上传的数据信息进行数据编码与格式变换并向管理层传送，同时传达管理层对现场控制设备的各种反馈控制命令.
