淺談建筑能耗監測系統的現狀及應用分析

摘要:建筑能耗分項計量和能源管理系統可實現能耗數據的采集、匯總、分析、顯示等功能，但在利用數據分析結果指導決策實現節能減排目標方面仍存在不足。分析了如何在能源管理的基礎上進步深入研究，并借鑒外經驗實現基于需求的能效管理。
關鍵詞:節能；分項計量；能源管理；能效管理

0 引言
       我是個能源消耗大，人口眾多，能源相對缺乏，人均能源占有量僅為世界平均水平的40%，而建筑能耗已占到社會總能耗的40%左右。但能源效率目僅為33%，比發達家落后20a，能耗強度大大高于發達家及世界平均水平，約為美的3倍，日本的7.2倍。
       為實現到2020年單位內生產總值CO2排放量比2005年下降40%～50%的目標，提高能源利用效率已成為我在未來經濟發展中的個緊迫問題。

1 我建筑能耗監測系統現狀
       在建筑能耗管理方面的技術措施常有分項計量系統、能源管理系統(Energy Management System，EMS)、能效管理系統(Energy Efficiency Management System，EEMS)，這些系統在功能和發展階段上存在差異。
       能耗分項計量系統源自住房和城鄉建設部2008年6月頒布的《家機關辦公建筑及大型公共建筑樓宇分項計量設計安裝技術導則》等五個技術導則中的相關要求。2008年10月1日，我正式實施了頒布的《公共機構節能條例》，其中明確指出:“公共機構應當實行能源消費計量制度，區分用能種類，用能系統，實行能源消費分戶、分類、分項計量，并對能源消耗狀況實行監測，及時發現、糾正用能浪費現象。”之后，各省、市、自治區陸續頒布針對建筑用能監測系統的規范標準，眾多企業紛紛開始研發并實施能耗分項計量系統，越來越多的公共建筑、機關建筑開始應用能耗分項計量系統。分項計量系統在于通過對建筑安裝分類和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸等手段及時采集能耗數據，進行在線監測。
       EMS是在實現能耗分項計量的基礎上，對建筑的電力、燃氣、水等各分類能耗數據進行匯總、分析。了解建筑能耗狀況，為節能降耗提供直觀科學的依據，為企業查找能耗，促進企業管理水平的進步提高及運營成本的進步降低，使能源使用更加合理，控制浪費，達到節能減排、降低能耗的目的。
       EEMS應用智能化集成系統技術，在EMS基礎上，通過對電耗、氣耗、水耗、材耗、環境因素、使用人的舒適度、成本等數據進行匯總分析，掌握建筑設施的實時運行狀態，及時發現問題、調整設備參數；根據數據積累的統計值，比對找出設備(設施)運行異常、資源消耗的異常，并預測未來的能耗需求，化控制策略，改進運行狀況，提升建筑物的整體能效。
       本文將根據近期對上海市十幢大型公共建筑所做的調研，具體分析建筑能耗監測系統目發揮的作用及存在的不足。

2 建筑能耗監測系統實例分析
2.1 分項計量系統
       上海市針對建筑能耗陸續頒布了《大型公共建筑能耗監測系統工程技術規范》、《公共建筑用能監測工程技術規范》和《機關辦公建筑用能監測系統工程技術規范》等規范性文件，并且建成了市級和區級兩級建筑能耗監測平臺，實現了對全市幾百幢大型公共建筑和機關辦公建筑能耗的集中監測。
       近期調研的10幢大型公共建筑均按照上海市《公共建筑用能監測工程技術規范》的要求設置了用能監測系統，實現了對水、電、燃氣等用能情況的分項實時監測。
       分項計量系統所采用的能源架構如圖1所示。

圖1 分項計量系統基本能源架構

       其中能源按照水、電、燃氣進行分類；水主要記錄大樓用水總量；電耗分為照明插座、空調系統、動力系統、特殊用電等四大類，每類又分為若干個子項進行計量；燃氣消耗主要記錄廚房餐廳用氣和冷熱源用氣。
2.2 EMS
       EMS是在分項計量系統的基礎上，對建筑能耗數據進行匯總分析，了解掌握建筑能耗水平、耗能設備及系統、分析用能異常原因，為節能減排、降低能耗提供條件。
       目，已經應用EMS的建筑大致可分為兩類:
       (1)以統計公共建筑的實時和歷史能耗為目的，旨在制定不同類型的公共建筑用能基準，為制定建筑用能政策作指導，同時據此可以做宏觀分析和調控。
       (2)以棟或者幾棟具體建筑物為目標，旨在了解掌握該建筑內設備和系統能耗情況，從而化用能設備的運行，為建筑物節能改造提供依據和策略。此類建筑大多以商業建筑、酒店為主。
       EMS可以實現如下功能:
       (1)實現能耗概覽、能效對標、能耗分項統計、能效、設備能耗追蹤分析、能耗報警、能耗報告、報表等常規功能。
       (2)能源費用占比分析，直觀顯示建筑水、電、燃氣等能源消耗比例。
       (3)電量分項能耗分析。根據耗電用途不同，可以逐月、逐年顯示動力、空調、照明插座、特殊用電的消耗比例。
       (4)用能情況的同比、環比分析。統計建筑整體或區域能耗的時用量、日用量和年用量，以曲線圖、柱狀圖等不同方式顯示，支持報表輸出。
       圖2所示的大樓由于采用冷熱雙效直燃溴化鋰主機供冷及供暖，因此近三年耗電情況都比較平穩，夏季耗電略高于冬季及過渡季耗電。

圖2 某大樓近三年逐月能耗分析

       圖3所示的大樓辦公區域采用變頻多聯機空調系統，某租戶租用了15F、16F、20F三個樓層，通過EMS可以清楚地了解6～10月該客戶的空調用電情況，其中夏季7、8月的耗電量明顯高于其余三個月。

圖3 某租戶近期逐月逐層空調耗電量分析

       圖4則對入住大樓的不同租戶同期單位面積能耗進行評比，尋找節能潛力大的客戶。

圖4 某大樓內不同租戶間近三月單位面積能耗對比

       圖5選取某園區內兩幢相似辦公樓24h用電進行比較，非工作時間段內用電負荷基本平穩，但6#樓在6:00左右用電出現個尖峰值，需查明原因；工作時間段內用電負荷逐漸增加并于中午后升至高值；午休時間段內負荷逐漸降低并在13:00左右降至低值；下午上班后負荷逐漸升高，達到頂點后逐漸降低。

圖5 某園區內2幢樓24h辦公用電分析

       由上面的分析可知:通過對逐時用電負荷的分析，可以發現異常點，并掌握客戶用電規律，可以在樓際間進行對比，方便了能源管理。
       圖6記錄了某大樓11月6日15:00到11月7日15:00間24h內的逐時用水量，包括大樓內的3個員工餐廳、2個員工浴室、衛生間及空調用水等。由圖可知工作時間內用水量較大，24:00之后用水量逐漸降低，在5:00～6:00間用水量達到小值。由圖6還發現，用水量小值并非為0，而理論上應該沒有用水點，因此需要進步查實是否存在漏水點，從而減少浪費，降低能耗。

圖6某大樓24h用水情況分析

2.3 EEMS
       EEMS以能源管理和節能決策為目標，實時采集與能耗相關的數據和信息，通過分析、控制和管理等各種手段，化使用能源和消除能源浪費，用更少的能源投入提供同等的能源服務。
       從內行業的現狀來看，這是把傳統的建筑設備監控系統、建筑設備集成管理系統、能耗分項監測系統、EMS的基本功能合而為，是個以能源管理為中心的管控體化大系統，可實現的功能如圖7所示。

圖7 能效管理系統可實現的功能

       EEMS實施的目的就是通過智能化系統集成來實現對即有系統能源消耗的節約與改善，是個不斷循環改進的過程，應當遵循圖8所示的工作流程。

圖8 能效管理實施流程

       圖9所示為某機關辦公建筑某日24h的能耗數據，按照圖8所示工作流程進行數據測量、收集、評估、分析、整改、再測量、再評估、再分析、再整改不斷循環，取得了較好的節能效果，提高了能效。對原始數據進行評估分析，采取了定的控制措施，圖9證實按照圖8的循環過程不斷改進可降低能耗、提高能源使用效率。

圖9 某機關辦公樓能耗運行數據

       能效管理工作的在于根據歷史能耗數據建立未來能耗需求模型，實現基于需求響應的化控制和管理。
       日本很早就開始了對能效管理平臺的研究，2012年橫濱市建立了綜合能效管理平臺。基于需求的能效管理平臺實現了以下功能:
       (1)統計分析歷史能耗數據，以30min為周期建立能耗與天氣的模型，預測未來的能源需求量。
       (2)根據當日天氣變化調整上述需求量預測值，建立能耗需求模型。
       (3)以30min為周期，實時采集當日能源使用數據。如果出現與預測模型偏離的情況，則通過與樓宇自動化系統、智能照明系統的聯動控制進行干預，以期將實際消耗量控制在預測范圍內。
       (4)在需要采取措施進行節電的時間段內，可以通過電子郵件或者短信方式向用戶或者租戶發出“節電請求”，在“節電請求”期間采取的措施有減少公共區域照明開啟數量；夏季將公共區域空調設定溫度升高1～2℃，冬季將公共區域空調設定溫度降低1～2℃，從而減少空調系統耗電；加大綠色能源的供應量；提高“節電請求”期間電費單價，促使用戶自覺節約用電。
       (5)在大型開發區、高科技園區內項目應用EEMS對園區能源使用進行整體調配，解決供需矛盾。尤其當園區內建有燃氣分布式發電、太陽能、風能等新能源時，根據EEMS的預測需求量，合理制定新能源系統的運行策略，發揮新能源系統的作用，實現需求響應的控制。
       通過上述分析可知，EEMS功能更加全，在能源管理的基礎上，集成眾多已有的監控平臺所建立的綜合信息平臺，來實現既監又控的目的；EEMS基于歷史數據掌握能源使用規律，并指導決策，化運行；EEMS在歷史數據基礎上建立控制模型，實現基于需求的科學管理；EEMS的工作流程是個循環的閉環過程，需要不斷分析、調整、檢驗、再分析、再調整、再檢驗，實現降低能耗、提高能效的目標；EEMS需要更加專業的運營維護人員參與到整個分析、決策、控制、檢驗過程中，以期更加有效地發揮能效管理平臺的作用。
3 安科瑞能耗監控系統介紹
       Acrel-5000能耗在線監測系統是用戶端能源管理分析系統，在電能管理系統的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節約能源，為用戶進步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶可按照家有關規定實施能源審計，分析現狀，查找問題，挖掘節能潛力，提出切實可行的節能措施，并向縣級以上人民管理節能工作的部門報送能源審計報告。
3.1平臺結構
       Acrel-5000能耗在線監測系統以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，根據現場實際情況采用現場總線、光纖環網或無線通訊中的種或多種結合的組網方式，為大型公共建筑的實時數據采集及遠程管理與控制提供了基礎平臺，它可以和檢測設備構成任意復雜的監控系統。開放性、網絡化、單元化、組態化的采用面向對象的分層、分級、分布式智能體化結構。建立如下層次結構：

3.2平臺功能
       (1)系統可按使用年份統計建筑物各分類能耗——電、水、氣、集中供熱、集中供冷以及其它能源消耗量，自動折算成相應的標準煤消耗量，從而反映建筑物當年各分類能耗用能和綜合能耗。系統以餅圖形式展示建筑4大用電分項能耗的占比情況。系統以曲線圖形展現各類能耗的消耗的消耗趨勢，便于業主方實時直觀掌握能源消耗情況。
       (2)系統可以根據分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當日和當月的用能峰值。顯示當日用能、當月用能、當年用能與昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。以條形顯示過去48小時、31天、12個月、3年的能耗情況。右上角顯示過去15分鐘曲線（電表顯示功率曲線，流量表顯示流速曲線）。
       (3)系統依據建筑物能源消耗的分布情況進行能耗計量點的選取和設置，使得能耗監測系統可以覆蓋整個建筑物。系統使用者可通過相關界面調取該建筑物各能耗節點的能耗統計報表，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計量誤差。
       (4)系統依據住建部分類分項能耗數據采集導則，將建筑物耗電分為照明插座、空調、動力和特殊用電進行計量裝置選型和設置，并按用能區域或功能區域等劃分并進行統計，以報表和同、環比棒圖形式展現該區域的能源消耗。
       (5)系統可針對能源消耗量大的設備或區域進行準確定位，便于管理層制定節能績效考核制度，推動節能降耗的有效執行。為用能設備建立運行記錄檔案，長時間跟蹤記錄設備運行過程中的能效分析評估結果，結合設備維護保養記錄，為設備的運行維護提供依據。
       (6)系統提供分級權限管理功能，對具備權限用戶提供開放的信息維護接口，用戶可自行對建筑和系統監測范圍內計量點的信息進行增、刪、改和查詢，建筑物信息包括建筑類型、建設年代、建筑面積、建筑物人員數量等。系統還對無法自動采集的計量信息提供手動錄入功能，便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。
3.3數據上傳
       安科瑞能耗在線監測系統按照用能單位能耗在線監測系統技術規范定義的系統平臺接口協議規范的要求，將用能企業的基礎信息、計量器具信息、用能數據及能效數據上傳至省級或家平臺，上傳數據經過HTTPS協議加密傳輸。如果數據傳輸失敗或超時（網絡故障），將重發數據，直至接收成功反饋消息。
3.4能源計量表具選型

4 結語

       隨著市場應用范圍的不斷擴大，分項計量系統和EMS發展已經比較成熟。分項計量系統的建設基于完善的規范標準，隨著IT技術的不斷發展，EMS的數據分析越來越精細、圖表展示越來越豐富、建筑模型越來越逼真，但是對于數據分析結果的應用還不盡如人意。例如，能耗分析的結果無法直接參與決策，無法根據歷史能耗數據的分析預測今后的能耗情況。

       日本資源廳從2011年開始推進大廈EMS集成業務，利用云服務進行跨區域能源管理。截至2013年2月15日，已有接近2700棟大樓安裝了大廈EMS，并且針對住宅建筑、辦公及商業建筑、園區、工廠等開發有完善的解決方案。在這方面，我還有定的差距，相信隨著能耗監測平臺的不斷應用和普及，功能更加完善的能效管理平臺也將得到廣泛應用。

【參考文獻】
[1]王坐中.建筑能耗監測系統的應用分析[J].現代建筑電氣 
[2]王弘成，李鑫.能耗分項計量管理系統的應用[J].智能建筑與城市信息，2013(3):12-14．
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版

作者簡介：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發與應用