智慧建筑能源管理系统方案v.docx

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智慧建筑能源管理系统方案v

智慧建筑能源管理

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方

案

修订记录

日期

版本

描述

作者

2015-04-25

1.0

初稿完成

1、概述

随着社会的发展，大型建筑在逐年增加，其能耗也在不断增大，能源与发展的矛盾日益突出。

未来几年内写字楼、公寓、饭店、会展中心等大型公共建筑会大幅度增加，而我国约90%以上的大型公共建筑是典型的能耗大户。

建筑行业的能耗消耗种类较为单一，大致分为5类，电能、水能、燃气、集中供热、集中供冷。

根据中国建筑能耗信息网提供的资料显示，就电能消耗分析，大型建筑的能耗比重约为空调能耗40%，公共与办公照明能耗47%，一般动力能耗2.9%，其他用电能耗10.1%。

而在大型商场中的照明能耗占40%左右，电梯能耗占10%左右，空调系统的能耗则是占到了50%左右。

在提倡节能减排的当今，做好节能工作不仅对实现“十二五”建筑节能目标具有重大意义，更是为高耗能建筑进一步节能提供准备条件。

2、能耗现状分析

2.1能源流失

不同的建筑类型关注能耗的变化所有不同，比如：

酒店类型关注客房入住率与能源消耗的变化关系；大型超市关注空调使用率的变化、单位面积能耗值以及照明范围等多个指标；公司、写字楼关注空调末端使用率、不同功能的照明分类等等。

大型商业中心关注不仅关注各类能源消耗的情况，同时对于中央空调、水泵等重点设备的运行和效率也更为关注。

一栋大楼的能源消耗如下图几个方面所显示：

2.2能耗构成比重

2.3能源管理中的问题

A能源数据采集没有完全自动化

能源管理及节能是基于大数据分析，数据的实时、准确采集是系统关键一步，建设一套功能强大，易实施，免布线，工作稳定可靠，易于维护的系统级数据采集、控制mesh网络对智慧能效管理系统至关重要。

B统计分析困难复杂

能源管理及节能是基于大数据分析，各种能耗数据统计分析困难复杂，需要专业的系统支撑；

C能源使用计划及预测困难

D能源管理缺乏系统支撑

E缺乏有效的监控和调度

目前节能一般通过职员的主动性或公司的一些硬性制度来规范，对于一些公共区域，难于实施，缺乏有效的系统从全局来监控和调度。

综合起来，大型建筑普遍面临着环境的日趋舒适，能耗却在快速增加的情况。

在目前楼宇自动化系统中，基本可以完成进行各个系统的分散监视、控制和管理。

但缺少对各种能耗数据的统计、分析，并且结合建筑的建筑面积、内部的功能区域划分、运转时间等客观数据，对整体的能耗进行统计分析并准确评价建筑的节能效果和发展趋势。

另外，从设备管理角度来看，大型建筑的空调设备不仅仅消耗单一的能源，对于能源的转化，单纯的设备监测就不能够综合评估设备的运行效率和帮助挖掘节能潜力。

面对上述的这些问题，有必要通过一个专用的能源系统，将大型建筑、商场、学校、公共建筑等各能源数据进行集中统一的分析，并将分析结果整体展现出来。

这不同于以往的楼宇自动化或其他的设备运行自动化系统。

3、系统架构

智慧建筑能源管理系统可以获取能源消耗监控点能耗数据，对能源供应、分配和消耗进行监测，实时掌握能源消耗状况，了解能耗结构，计算和分析各种设备能耗标准，监控各个运营环节的能耗异常情况，评估各项节能设备和措施的相关影响，并通过WEB把各种能耗日报报表、各种能耗数据曲线以及整体能耗情况发布给相关管理和运营人员，分享能源信息化带来的成果，完成对企业能源系统的监控及电力负荷耗能状态的监测和管理。

为进一步的节能工程提供坚实的数据支撑。

系统采用分层分布式结构，方便用户的管理和维护工作。

系统采用专用的能源监控和管理软件。

服务器+工作站模式便于工程部门进行日常维护管理，并且支持局域网或Internet访问。

本着技术上理性应用，系统上务实设计的思路从系统结构、技术措施、设备性能、系统管理、技术支持及维修能力等方面综合评估、选型，确保系统运行的可靠性和稳定性，达到最大最优的效果。

方案采用如下的设计思路，从本方案的提出设计、开发、实施、调整、维护试运行，直到系统的最后运行，可以帮助管理者实时的反映建筑整体能源运行的现状及趋势，从日常耗能的环节本身发现能源问题，通过对建筑内不同功能区域的耗能特点的分析，建立“数据采集-集中数据-数据分析处理-提供各类对比考核方法–帮助完成整个管理流程”的能源管理流程,将建筑物或建筑群内的变配电、照明、电梯、空调、供热、给排水等能源使用状况及节能管理实行集中监测、管理和分散控制的建筑物管理和控制系统,逐渐提升大型建筑能源利用的综合性能源管理系统。

4、建筑能源管理解决方案

4.1分类分项计量

数据是能源管理分析的基础，对于每一类建筑，需要采集的数据指标分为建筑基本情况数据和能耗数据采集指标两大类。

能源管理系统的分析基础来自于建筑内的各种能耗数据的采集，依据建筑物的不同功能区域和系统设计，针对能源管理系统的分析需要进行选择性的数据采集，采集依据下表中的分类标准。

能耗数据采集指标包括各分类能耗和分项能耗的逐时、逐日、逐月和逐年数据，以及各类相关能耗指标。

各分类能耗、分项能耗以及相关能耗指标的具体内容见下表。

除此之外，建筑基本情况数据包括建筑名称、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、建筑空调系统形式等表征建筑规模、建筑功能、建筑用能特点的参数。

此类数据通过系统录入或导入获得。

对应于能耗类型，需要按以下能耗类型指标进行分类采集：

分类能耗

1电

2水（生活冷水、中水）

3天然气

4空调热水（供热量）

5空调冷水（供冷量）

对应于电能能耗分项采集：

分项能耗

1商业用电（照明、插座）

2空调用电（换热站用电、空调机房用电、新风盘管用电）

3公共照明用电（室内公共照明、应急照明、室外景观照明）

4一般动力用电（电梯用电、给排水泵用电、通风机用电）

5其它用电（信息中心）

系统考核的能耗指标

能耗指标

1建筑总能耗量（折算标准煤量）

2分类能耗量

3单位建筑面积能耗量（折算标准煤量）

4单位建筑面积分类能耗量

5单位空调面积能耗量量（折算标准煤量）（只空调相关分类能耗）

6单位空调面积分类能耗量（只空调相关分类能耗）

7其它指标（功率、流量、压力、温度、效率等）

4.1.1用电能耗采集

可分为配电室总采集部分和区域用电采集部分，通过2部分的电能流向可以发现电能损耗。

在二级区域计量处采用分项计量，如下图：

A．一级总计量配电室进出线（变配电监测）

采集对象：

10kV/0.4kV变配电室所有进出线回路。

采集信号类型：

模拟量：

I--电流、U--电压、P--有功功率、Q--无功功率、PF--功率因数、E--电能量。

状态量：

断路器状态、故障信号等。

采集方法：

通过能源网关+高精度三相电能总表直接采集数据。

B．二级区域用电计量

采集对象：

建筑内部所有功能区域和动力机房的配电柜/箱、进户配电箱。

采集信号类型：

单相电能表、三相电能表。

采集分项类型：

照明、插座、换热站用电、空调机房用电、新风盘管用电、室内公共照明、应急照明、室外景观照明、电梯、给排水泵、通风机、信息中心。

采集方法：

通过无线mesh网络远程采集系统采集数据。

4.1.2用水能耗采集

用水能耗采集可分为生活冷水系统、中水系统2部分计量分析，对排水系统和消防系统不进行计量分析。

A．一级总表计量

采集对象：

生活冷水给水机房、中水给水机房。

采集信号类型：

累计耗水量。

采集方法：

通过远传计量系统数据交换，或者通过能源网关直接采集数据。

B．二级区域用水计量

采集对象：

所有用水功能区域。

采集信号类型：

累计耗水量。

采集分类类型：

生活冷水、中水。

采集系统：

通过远传计量系统数据交换，或者通过能源采集器直接采集数据。

4.1.3空调能量采集

对于中央空调的能量进行采集，即空调冷水和空调热水，分别对冷热源入口计量、出口和分区能量计量。

A．一级总表计量

采集对象：

能源中心入户主管道（冷水和热水）、换热站换热总出口和分支管道（冷水和热水）

采集信号类型：

冷能量、热能量

采集系统：

通过远传计量系统数据交换，或者通过能源采集器直接采集数据。

B．二级区域能量计量

采集对象：

区域内部分功能区域。

采集信号类型：

冷量能量、热量能量。

采集系统：

通过远传计量系统数据交换，或者通过能源采集器直接采集数据。

5、系统应用

5.1系统功能

系统具备实时监控功能和多种的数据分析功能，通过对数据的多维属性定义和分析，反映能源管理系统各子系统（包括电能子系统、用水子系统、空调子系统、重点设备子系统）中的能耗数据。

为用户提供交互式的、面向对象的、方便灵活的、易于掌握的、多样化的组态工具，多种的编程手段和实用函数，可以灵活方便扩展组态软件的功能。

用户能很方便的对图形、曲线、报表、报文进行在线生成、修改。

5.1.1能耗数据采集

系统对水、电、燃气、冷/热源和设备的电能消耗进行实时自动采集计量、保存和归类，代替繁重的人工记录。

经过分析计算能耗数据可以以各种形式（表格、坐标曲线、饼图、柱状图等）加以直观地展示。

5.1.2能耗管理

系统按照能耗类型的不同分别进行管理，对其分类分项计量的数据进行统计计算，对实时数据、历史数据进行横向纵向分析对比，并且可以根据底层设备的自动化程度实现远方控制。

A．电能管理+配电监控

对高低压配电室的配电回路进行电能质量监测及配电监控，对二、三级回路进行电力测量，建设监测网络。

对用电量进行统计对比，实时监控配电系统。

进行模拟电费的计算，优化设备的运行方式，降低维护成本，减少电能消耗成本，提高电气系统运行管理效率。

对配电系统运行进行全过程和全方位管理。

B．水能管理

对供给的生活冷水系统、中水系统、热水系统进行系统计量分析，按规范要求对各系统机房用水、设备补水及其他需要计量的用水点等亦应设置表单独计量（本系统不计量排水系统、消防系统水量）。

水能计量部位均采用远传水表或超声波流量计，纳入能源控制中心检测范畴。

C．燃气管理

对建筑内部的燃气系统进行计量，计量部位均采用远传流量计或超声波流量计，纳入能源控制中心检测范畴。

5.1.3设备管理

对设备进行重点能耗监测，依据实际运行参数和耗电系数、单位面积电负荷等计算出单位时间的用电负荷，得到设备的负荷变化特征，作为设备诊断和运行效率分析的依据，发现节能空间，从管理方式上实现节能的可能性。

A．空调分析

对入户冷热源，温度、流量进行监测，结合环境温度综合分析，直观展示环境温度曲线、体现空调系统效率，帮助加强空调系统的运行管理，出具节能诊断，改善并促进空调系统优化运行。

B．照明

系统对照明系统进行分项计量，照明分为室内照明、室内公共照明、室外景观照明、应急照明四项。

在工作时间段、非工作时间段、景观时间段、应急时间段等多种不同的照明启动时间内，分析计算出各项所占比例、单位面积照明电耗等。

帮助查找管理漏洞，发现节能空间。

同时在现有照明系统上加装节能控制设备，对于纯照明负载为例，

直接节能：

可达30％以上。

间接节能：

智能调控装置高稳定的最佳照明电压，能够延长电光源寿命2～4倍，减少照明运行、维护成本30%～50%。

可实现对灯具的智能化集中调控管理。

C．电梯

系统对建筑内部的电梯实际运行所消耗的电能、运行参数的监测，多角度的分析在建筑内的特定工作时间段（一天内商场内的客流高峰期tm、一周内的客流高峰期twm等）内所耗的电能，相同功能区域内同种类电梯（扶梯和直梯）所耗电能，单位面积电梯电耗、每台电梯运行累计时间、次数等。

通过对电梯的设备管理，可以帮助发现节能空间，制定更为优化的电梯运行策略，节约电梯运行成本。

同时可在系统中进行电梯基本信息的管理，如电梯的厂家、层站、载重、速度等有关技术参数，电梯故障信息，维保人员姓名、呼机号码、电话等维护信息。

D．水泵

系统对于建筑内部（以中央空调系统冷冻站、冷水泵和冷却水泵、生活冷热水泵为主）的各类水泵进行耗电量的计量监测、工作效率的综合计算。

分别对工作时间内配合水泵在变频运行的同时，根据系统分析的结果在适当的工况点调整运行水泵的数量，使水泵始终保证在高效率区域运行。

同时可在系统中进行水泵基本信息的管理，如水泵的类型、厂家、功率、转速、流量、扬程等有关技术参数信息。

5.1.4能耗综合查询

对能耗进行统计和分析。

按时、日、月、年不同时段，或不同区域，或不同的能源类别，或不同类型的耗能设备对能耗数据进行统计。

分析能耗总量、单位面积能耗量及人均耗能量，标准煤转换，以及历史趋势，同期对比能源数据等之后，自动生成实时曲线、历史曲线、预测曲线、实时报表、历史报表、日/月报表等资料，为节能管理提供依据，为技术节能提供数据分析，并预测能耗趋势。

5.1.5能耗数据补录

对一些暂时未实现自动化采集的设备，且这些设备无法通过已接入自动化采集设备换算出来的，要求人工补录，以保证数据的完整性和统计数据的准确性。

同时对建筑面积、功能区域划分、人员情况、运转时间等客观数据实现录入或导入。

5.1.6能源审计

系统主要按照以下3中评价指标对于企业的能耗情况进行分析，根据企业的发展情况进行半年或一年期的审计工作。

A单位服务量能耗指标：

如每平米照明能耗，或人均生活热水能耗，人均用电，每平米用电；

B反映系统效率的无量纲指标：

如冷水机组COP，冷冻水泵输送系数WTFCH，空调风机输送系数ATF等；

C反映使用者节能意识和管理水平的不同时段动态指标：

如“非工作时段能耗比”，如照明、办公电器等分项能耗的夜间/工作时段比，周末/工作日比等；还包括空调系统的COP或输送系数全年变化特征等。

通过这些指标对企业进行能源审计，帮助发现节能空间并为节能工作提供整改建议。

5.1.7决策支持

提供故障查询、专家节能诊断和节能方案。

系统借助能源预测分析算法，结合企业的能耗结构、业务特点，对能源消耗作出预测，以曲线方式直观展现。

为企业管理者和决策者提供了能源决策、能源分配和能源平衡的支持。

系统配备了专家建议数据库，可根据用户能耗情况和能耗指标，自动生成专家建议报告，综合反映用户的节能意识和管理水平。

5.2能源监管平台

能源监管平台采用主流的B/S架构，集数据的采集抽取、过滤清洗、业务转换、分析挖掘和直观展现等功能为一体，可实现用户业务分析人员、管理人员和决策人员对能源监管的各种需求，为企业管理者和决策者提供能源决策、分配和平衡的支持。

1）系统实现能源消耗逐日、月、季、年统计、管理和分析的功能，并以曲线、棒图、饼图等方式进行显示。

实现各能源总耗占建筑总能耗的百分比；同一设备不同时间段的能耗对比分析；同一时间段不同设备的能耗对比分析；重点设备能耗按月、季、年时间段的峰谷值对比，建筑总能耗年趋势曲线、棒图（按月统计）。

2）具备数据分析和过滤功能，可以分时、分类、有选择的抽取数据，采用当今最新的数据分析技术，如价值树分析、对标分析、联想分析等，对能耗数据进行过滤，只抽取其中有用的数据。

3）具备自由数据钻取功能，实现对同一问题从不同角度进行全面的分析。

4）软件功能展现通过系统具备专门的Web门户展现和管理平台，支持基本的Web开发功能和嵌入任意的Web页，并集成网络报表、智能图表和仪表盘、自由查询、快速索引和自动报告等专业化的展现方法。

5）能效考核帮助建立企业能耗的考核制度，以能耗总量和各部门、建筑物的单位能耗等统计数据，引入KPI指标计算方法作为能耗考核依据。

6）系统人性化管理，在远程通过Internet直接进行编辑管理，不受地域限制。

当

系统出现报警，发邮件或短信通知管理人员，使管理者的决策更加及时准确，提高系统的应用价值。

7）决策与支持：

分析运行数据，提出优化方案。

电能子系统的决策与支持；用水子系统的决策与支持；空调子系统的决策与支持；重点设备子系统的决策与支持。

5.3能源监测系统

能源监测系统实现了各类能源数据的分散采集和集中管理，帮助企业提高配电、水循环、热力等系统的自动化管理水平，以减少故障和简化日常维护工作。

同时将能耗数据提供给能源监管平台进行统计分析。

5.3.1供配电管理子系统

1）实时监控：

对变配电室进行实时监控，实现高低压进出线、母联开关的运行状态、电力参数查询、故障报警等功能。

2）分项计量：

客观准确地反应系统能源消耗状况，为制定有效的节能措施提供数据基础。

依据用电环节的不同，详细分解出商业用电、动力用电、空调用电等，做到分项计量、综合对比分析的目的。

3）数据采集周期、方式、参数等可由用户在线定义，实时数据采样为秒级，历史EMS能源管理系统

数据存储要求最小间隔1分钟，分辨率1分钟。

4）第三方通讯：

电能子系统提供了与直流屏、变压器、发电机组、应急电源、模拟屏、楼宇自控系统或其它自动化系统的通讯功能。

5）历史数据：

系统可根据用户需求，对遥测数据进行实时记录，记录时间超过两年以上。

历史数据可以通过曲线方式和数据表格方式直观地显示，用户可方便对选择欲查看回路的历史数据。

6）报警及事件管理：

当出现开关事故变位、遥测越限、保护动作或其他报警信号时，系统发出音响提示，并自动弹出报警画面。

报警需操作员确认后方可复位。

报警系统记录入监控数据库。

7）电能管理：

对关键回路的电流和功率变化进行监控，实现故障的及时修正和预测、设备的运行调配管理。

8）系统自诊断和自恢复：

能在线诊断系统软件和硬件，发生故障时，能自动在屏幕上显示故障单元、故障部位及故障性质，单个元件的故障不得引起整套装置的误动，也不影响其它装置和监控系统的运行。

5.3.2水能管理子系统

1）分项计量：

客观准确地反应系统能源消耗状况，为制定有效的节能措施提供数据基础。

依据用水环节的不同，分解出生活冷热水、中水系统，做到分项计量、综合对比分析的目的。

2）数据采集周期、方式、参数等可由用户在线定义，实时数据采样为秒级，历史数据存储要求最小间隔1分钟，分辨率1分钟。

3）历史数据：

系统可根据用户需求，对遥测数据进行实时记录，记录时间超过两年以上。

历史数据可以通过曲线方式和数据表格方式直观地显示，用户可方便对选择欲查看回路的历史数据。

4）报警及事件管理：

当出现用水量越限或其他报警信号时，系统发出音响提示，EMS能源管理系统

并自动弹出报警画面。

报警需操作员确认后方可复位。

报警系统记录入监控数据库。

5）系统自诊断和自恢复：

能在线诊断系统软件和硬件，发生故障时，能自动在屏幕上显示故障单元、故障部位及故障性质，单个元件的故障不得引起整套装置的误动，也不影响其它装置和监控系统的运行。

5.3.3电能质量

系统嵌入电能质量专用监控软件。

对建筑内的电能质量进行全面的监测和分析。

利用全新的现场谐波畸变诊断工具，加快谐波抑制的诊断过程，优化解决方案的成本，预测已运行系统的技术风险。

根据GB/T14549《电能质量—公用电网谐波》的要求，对各种非线性负荷注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。

通过对谐波的监测和分析，确保设备运行的可靠性。

6、无线Mesh自组网网络

6.1无线Mesh自组网网络组成

本智慧建筑能源管理系统采用无线mesh自组网网络，实现以能源网关为中心，以无线能源采集器、无线智能电表为骨干节点，利用无线和有线完美结合；有线部分采用RS485或MBus总线将多台计量表计连接到无线采集器。

无线网络部分采用433/470MHz无线传输网将多台无线能源采集器连接到能源网关。

能源网关使用GPRS/CDMA连接到数据中心。

6.2无线Mesh自组网网络特点

无线Mesh自组网网络适应各种复杂、多变的现场环境，已在各种复杂环境和低功耗组网方案中成功使用；

它拥有如下特质：

网状网络：

超稳定mesh网状网络，节点拥有30以上邻居数据及信息，具有自我路由修复能力；

自动组网：

无线节点由能源网关发启智能组网，无需现场进行设置，自动增补入网，无需人工干预；

多跳路由：

免现场设置，全智能自动路由、中继单网支持1024个节点；

跳频技术：

多信道自动跳频通信，解决单频工作时同一频段的干扰，解决各子网间的互相干扰；

网络自维护：

新增、减少、更换节点网络自动维护，现场环境发生变化导致网络变化；

响应速度：

通讯速率为10000bps或以上；极高的系统响应速度；支持大数据量的传输；节点特殊数据的主动上传；

6.3支持测量仪表

要求支持下列测量仪表：

电表；

水表；

燃气表；

冷表/热表；

以及其它支持RS485/MBus总线通信接口的测量仪表；

6.4数据采集硬件设备组成

无线能源采集器：

负责将RS485或MBus通信接口数据发送给“能源网关”，同时接收来自“能源网关”的采集和控制指令。

能源网关：

负责将仪表输出的数据汇总，并且将数据打包，最后发送到数据中心。

6.5数据采集硬件性能参数

测量仪表：

采用符合国家相关计量标准要求的仪表，必须具有唯一

或可设置地址码，仪表使用RS485通信接口，传输速率不低于9600BPS；

433/470MHz无线mesh自组网网络传输距离：

不低于150米（室内），1000米（室外）；

仪表数据最大收集频率：

30秒钟（表头读数传输到能源网关）。

7、系统主要硬件配置

7.1能源网关

能源网关是整个采集系统的枢纽设备，能源网关下行通道利用载波/微功率无线自组网技术与采集器通信，并根据主站的要求获取表计的读数、传输各种系统的控制命令等，上行通道采用GPRS、3G、以太网等方式，与主站系统的前置机相连，接受主站下发的命令，再通过下行通道，发送给燃气表控制单元。

◆主要的组成部分由：

AT91SAM9G25核心模块，电源模块，载波/微功率无线自组网模块，GPRS/CDMA模块，LCD显示模块、外设等接口。

◆参数设置功能：

可通过远程GPRS、CDMA、以太网通道、本地红外、RS232、微功率无线或者LCD设置初始参数：

包括集中器通信参数以及抄表参数等。

◆储存容量：

CPU:

ARM9AT91SAM9G25，LCD:

160*160工业级点阵液晶，存储容量满足本技术条件的所有功能要求。

标配128MBFLASH存储单元。

◆数据采集、处理：

支持实时召测功能或根据设定的抄读间隔自动采集各燃气表的气量、月冻结气量、日冻结气量。

气量数据保存时带有时标。

集中器应能根据设置的事件属性，将事件按重要事件和一般事件分类记录。

事件包括集中器参数变更、抄表失败、集中器停/上电、时钟超差等。

◆数据补抄、报警功能：

具有补抄功能，集中器对在规定的抄读间隔时间内未抄到数据的燃气表向主站发送报警信息。

◆抄表功能：

可远程或本地设置和查询抄表方案，如采集周期、抄表时间、采集数据项等。

◆远程升级功能：

支持主站对集中器进行远程在线软件下载升级，并支持断点续传方式。

◆停电数据保存：

电源瞬时及长时间断电时，设备具有数据保持措施，数据至少保持十年以上；电源恢复时，保存数据不丢失，内部时钟正常运行。

新一代使用微功率无线Mesh自组网通信的能源网关，符合国家电网相关标准。

综合了先进的微功率无线通信技术、移动通信技术、32位RISC嵌入式硬件平台、实时LINUX嵌入式操作系统等。

本集中器具备远程抄表、远程升级、主动上报等功能。

具有功能强大、操作简单、运行稳定、维护方便、可靠性高、存储容量大、开放性好、