淺談智慧能源管理系統(tǒng)在綠色建筑中的設計與實現
李茫茫
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對低能耗的綠色建筑，提出了一種智慧能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)關鍵的核心產品采用非常先進的綠色建筑的能源管理技術，實時監(jiān)測各弱電子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并將數據匯集到中心數據庫，系統(tǒng)自動分析各設備的能耗、能效情況并給出合理建議，從而進一步對設備進行優(yōu)化，以實現整個弱電系統(tǒng)信息資源的合理共享與分配，確保建筑內所有設備處于節(jié)能的運行狀態(tài)。該系統(tǒng)側重于整體的節(jié)能運行，其運行管理模式及系統(tǒng)控制策略易于理解和應用。
關鍵詞：能源管理；能耗采集；能耗分析；用能監(jiān)測
一、引言
綠色建筑是指節(jié)約資源、保護環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用使用空間，與自然和諧共處的建筑。建筑能源管理系統(tǒng)以綠色建筑為核心，在保障高舒適的同時，堅持以“低碳”為原則，打造低能耗、高舒適的綠色建筑。
關鍵的核心產品采用非常先進的綠色建筑的能源管理技術，實時監(jiān)測各弱電子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并將數據匯集到中心數據庫，系統(tǒng)自動分析各設備的能耗、能效情況并給出合理建議，從而進一步對設備進行優(yōu)化，以實現整個弱電系統(tǒng)信息資源的合理共享與分配，確保建筑內所有設備處于節(jié)能的運行狀態(tài)。側重于系統(tǒng)整體的節(jié)能運行，其運行管理模式及系統(tǒng)控制策略易于理解和應用。
二、系統(tǒng)結構
建筑能源管理系統(tǒng)是一整套的能源管理的解決方案，提供從硬件到軟件的設備和技術措施。硬件方面，支持國內外大多數通訊采集儀表（支持OPC、Modbus、TCP/IP等協(xié)議）；軟件方面，包括數據采集、實時數據、歷史數據、能源管理分析數據、系統(tǒng)管理、數據展示、分析、控制等多個層面功能。
1.硬件層
硬件層一般采用多功能智能儀表，實時動態(tài)采集數據并上傳到數據層，二者之間通過采集軟件連接；
2.數據傳輸層
將底層數據通過各種協(xié)議和規(guī)約上傳匯總到能源管理系統(tǒng)，交由系統(tǒng)進行處理和分析；
3.數據層
包括實時數據庫、歷史數據庫、能源管理數據庫，是整個系統(tǒng)的核心基礎；
4.數據處理層
對海量數據進行存儲和預處理，為分析和決策做好準備；
5.系統(tǒng)應用層
包含3D展示、實時監(jiān)測、集中控制、動態(tài)分析等，是整個系統(tǒng)的核心和關鍵；
6.系統(tǒng)管理層
包含基礎信息的配置和管理，以及整個軟件的配置。
三、系統(tǒng)各功能設計
1.建筑基礎信息配置
可自由的在系統(tǒng)中配置所管轄的建筑信息，包括向系統(tǒng)中添加建筑、配置建筑的樓層及支路信息；配置樓層及房間用戶信息，能源收費及價格信息等等。當管轄建筑增加或減少時，可以快速方便的自行配置。
2.能耗數據實時監(jiān)測
主要是對各儀表進行實時監(jiān)測，當發(fā)生故障時，通過監(jiān)測畫面，可及時找出出現故障的儀表，方便用戶及時跟蹤處理現場情況，主要內容包括如下：
（1）網絡通訊狀態(tài)監(jiān)測
對整個樓宇的網絡通訊進行實時監(jiān)測，當發(fā)現網絡通訊異常時，可及時有針對性地對通訊異常的網絡進行維護。
（2）各儀表通訊狀態(tài)
對每個儀表通訊狀態(tài)進行監(jiān)測，發(fā)現沒通訊上及通訊中斷情況進行及時的報警及高亮顯示，方便用戶有針對性地維護，而不用人為的每個都去檢查一遍。
（3）參數實時監(jiān)測
對各儀表采集量進行實時監(jiān)測，用戶可隨時判斷各個采集點的失壓、失流和采不上數據的點，方便及時發(fā)現及時處理。
（4）供水管網監(jiān)測
對各供水采集儀表進行監(jiān)測，可查看各儀表的實時流量、累積流量等，當儀表有故障時，可及時發(fā)現和處理。
3.建筑分類能耗分析
系統(tǒng)在完成數據處理與上傳的同時，將建筑能耗進行分類分析，該部分功能符合114號文的定義，即將建筑能耗分類為如下六類：
（1）耗電量；
（2）耗水量；
（3）耗氣量（天然氣量或者煤氣量）；
（4）集中供熱耗熱量；
（5）集中供冷耗冷量；
（6）其它能源應用量（如集中熱水供應量、煤、油、可再生能源等）。
可選擇樓層，查看該樓層多有燈具的開啟狀況、照度、功率等。可手動控制燈具的開關、照度強弱，并可根據預設方案或人體感應技術自動控制燈具開關和照度，從而達到節(jié)能的目的。
4.建筑分項能耗分析
（1）照明插座用電
為建筑物主要功能區(qū)域的照明、插座等室內設備用電。主要包括照明和插座用電、走廊和應急照明用電、室外景觀照明用電。
（2）空調用電
主要包括冷熱站用電、空調末端用電。
（3）動力用電
主要包括電梯用電、水泵用電、通風機用電。
（4）特殊用電
主要包括信息中心、洗衣房、廚房餐廳、游泳池、健身房或者其它特殊用電。
建筑總能耗為建筑各分類能耗（除水耗量外）所折算的標準煤量之和。
總用電量＝∑各變壓器總表直接計量值；
分類能耗量＝∑各分類能耗計量表的直接計量值；
分項用電量＝∑各分項用電計量表的直接計量值；
單位建筑面積用電量＝總用電量/總建筑面積；
單位空調面積用電量＝總用電量/總空調面積。
5.能耗同比、環(huán)比分析
統(tǒng)計建筑或片區(qū)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。
6.能耗數據分析
通過對建筑的能耗數據統(tǒng)計、分析，結合模型建筑物能耗對比，確定建筑物能耗對比，確定建筑物的能耗狀況和設備能耗效率，從而提供建筑物能源管理優(yōu)化措施。能耗數據分析模塊是能耗管理軟件的精髓所在，目前市場上各家軟件的算法不盡相同，其效果還需市場驗證。然而，以模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制技術的發(fā)展將推動能源管理水平。
7.能耗指標統(tǒng)計
以圖表形式展現以下能耗指標：建筑總能耗、總用電量、單位建筑面積用電量、單位空調面積用電量、單位建筑面積分類能耗量、單位空調面積分類能耗量、單位建筑面積分項能耗量、單位空調面積分項能耗量；并顯示同類建筑的各項指標平均值，使用戶對建筑的用能情況一目了然。
8.能源消耗分析
包含能耗構成分析和能耗趨勢分析，能耗構成分析采用餅狀圖的形式展現指定時間段內各類能耗所占總能耗的百分比情況；能耗趨勢分析采用折線圖的形式展現指定時間段內指定能源的消耗趨勢情況。
（1）能耗報表管理
自動生成所需要的數據（日/月/季度/年）報表、定期階段報表和事件報表，并能以用戶所需要的格式和方式保存、導出或打印。報表的類型、內容和格式可由用戶動態(tài)調整。
（2）能耗報表分析
系統(tǒng)可提取各類能耗數據進行自動分析，確立標桿值并對各監(jiān)控點的能耗情況進行能耗水平判定，對能耗改善提出一套完整的診斷流程，并提供能耗分析報告，幫助用戶進行節(jié)能措施及設備改造。
（3）人工數據上傳
針對尚未安裝自動采集儀的支路或無法使用數據采集儀進行自動采集的能源消耗（例如汽油、煤等），提供人工數據上傳及審核的功能，避免數據缺失導致的各類問題。
（4）數據備份管理
用戶手動或系統(tǒng)自動備份保存各項數據；當發(fā)生特殊情況導致數據丟失時，可自動導入備份數據進行數據恢復，避免特殊情況出現數據丟失導致的各項損失。
（5）報警設置
用戶可根據不同樓層、不同支路、不同設備的用能需求，分時間段設置不同的報警策略，當發(fā)生不合理的能源消耗時，系統(tǒng)按照所設置的報警方式對用戶進行提醒，避免設備故障或人為原因造成的能源浪費；在一段時間后，用戶也可通過歷史報警記錄，分析當前的節(jié)能策略是否需要進行修改，確保能源和資金的合理使用。
（6）系統(tǒng)管理
用戶通過此模塊對系統(tǒng)的底層設置進行管理。例如：可通過此模塊對能耗指標進行配置管理；對生產報表的要求和樣式進行配置管理；對系統(tǒng)用戶進行權限的配置管理；查看系統(tǒng)運行的日志等等。
四、系統(tǒng)特點
1.人機交互技術
基于人機交互的界面設計，采用WEB的展現方式，同時系統(tǒng)支持個性化需求，用戶可根據自己的喜好配置不同的展現形式，滿足不同人群的需求。
2.多終端訪問
滿足多種不同終端，即個人電腦、手機、Ipad等不同的終端訪問，支持多種主流瀏覽器。
3.多樣化的數據分析
數據呈現豐富，功能配置靈活。采用數據層層挖掘技術，發(fā)現數據價值。
4.設備運行管理
關注設備的運行管理，通過監(jiān)測找出設備運行異常狀況，進而優(yōu)化設備，提高設備性能，延長設備使用壽命。
5.分布式海量存儲技術
分布式海量存儲技術，能夠快速處理大數據量，并具有強大的系統(tǒng)兼容性、開放性和擴展性。
系統(tǒng)能夠與光伏發(fā)電系統(tǒng)、暖通空調系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、地熱采暖系統(tǒng)、樓宇自控系統(tǒng)等第三方系統(tǒng)對接，只需登錄我們的系統(tǒng)就可以滿足所有的需求。并且系統(tǒng)提供二次開發(fā)手冊、驅動開發(fā)、Web接口，保證系統(tǒng)的開放性和擴展性。
五、安科瑞企業(yè)能源管理平臺
1.平臺概述
安科瑞企業(yè)能源管理平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業(yè)的生產、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數據化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進行能耗統(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數據和支持。
2.應用場所
鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業(yè)、木材、化學原料以及機電設備、電器產品、工器具制造等。
3.平臺結構
4.平臺主要功能
（1）首頁
首頁通過展示企業(yè)各類能耗總量、折標值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗占比、區(qū)域能源消耗對比,并三維展示企業(yè)重要工藝或設備的能源消耗動態(tài)，可直觀了解企業(yè)當前用能。
（2）運行監(jiān)控
能源管理系統(tǒng)的動態(tài)顯示對企業(yè)使用的各種能源（電、水、蒸汽）進行實時監(jiān)控，并提供從概貌到具體的動態(tài)圖形顯示，并提供區(qū)域數據監(jiān)控，在工廠平面圖或者某個車間的平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據。
系統(tǒng)提供對能源管理系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)視功能，實現對能源系統(tǒng)運行過程中關鍵的用能狀態(tài)參數的變化趨勢、耗能設備的運行狀態(tài)以及系統(tǒng)運行報警事件進行實時監(jiān)視，確保整個能源供給、轉換和消耗過程的安全、可靠和穩(wěn)定。系統(tǒng)提供圖形化工具，不僅可以組態(tài)出數字化的監(jiān)控界面，還具有實時趨勢顯示。
● 變配電系統(tǒng)的電氣主接線圖展示，實現對全電量參數以及開關斷路器狀態(tài)的實時監(jiān)視，如電壓、電流、頻率、功率、功率因數、三相不平衡度、諧波等參數。
● 水、燃氣、壓縮空氣等系統(tǒng)各分支管道分布示意圖以及流量、壓力、溫度等參數狀態(tài)的實時監(jiān)視；
● 用能設備系統(tǒng)（如壓機等)的運行狀態(tài)以及用能參數的實時監(jiān)視；
● 過壓、過流、欠壓等保護信號報警、系統(tǒng)通信中斷、電量、非電量參數越限、能耗超標預警等實時事件報警監(jiān)視。
● 工藝流程圖展示關注工藝各設備運行參量以及能耗情況。
（3）變壓器監(jiān)控
展示各變壓器負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規(guī)劃。通過各種運行參數狀態(tài)下用電效能的對比，測算變壓器損耗，找出變壓器較好經濟運行區(qū)間。根據變壓器經濟運行區(qū)間，調整負載，從而降低變壓器損耗，節(jié)約電量。
（4）用能統(tǒng)計
系統(tǒng)支持為企業(yè)不同的計量監(jiān)測對象，提供快速查詢顯示日、周、月、季、年的企業(yè)用能情況同比環(huán)比、產品單耗、產品折標對比、能耗排名等。數據通過棒圖，餅圖，直方圖等形式，實現對系統(tǒng)中耗電量、耗水量、耗氣量等能耗數據的統(tǒng)計分析。大到整個企業(yè)，小到單個設備或車間，通過對這些區(qū)域的計量節(jié)點能耗數據查詢分析，實現整個企業(yè)能耗數據的統(tǒng)計分析，滿足用戶實現對任意時段內區(qū)域、車間、工藝和設備類型等的能耗數據查詢要求。通過對比不同區(qū)域等的能耗數據情況，了解不同對象區(qū)域等的能耗規(guī)律，自動對這些對象進行能耗排名，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。
（5）分項用能
系統(tǒng)提供對企業(yè)分項用能的分項統(tǒng)計。根據分項，用柱狀圖以及餅圖，展示各分項用能情況，直觀，清晰。通過用能趨勢，及時掌握企業(yè)分項用能趨勢情況。對于分項用能異常，能即時發(fā)現，調整策略，改善用能，節(jié)約能源。
（6）產品/產值單耗
系統(tǒng)可以與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，導入產品產量。對不能導入的數據提供人工錄入功能。通過系統(tǒng)采集的能耗數據，結合產品產量，計算產品單耗，生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析。以便企業(yè)能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。
（7）用能成本分析
系統(tǒng)支持為企業(yè)整體以及車間等各個需要單獨進行能耗考核的對象提供各種能源消耗的總費用成本的統(tǒng)計對比功能。可提供電、水、氣等各種能源類型在統(tǒng)計周期中的消耗量以及對應的費用數據，并且可以將各種能源的費用進行百分比占比統(tǒng)計和對比，以了解整個企業(yè)能源費用成本的詳細分布情況。同時支持對單位成本費用進行分析。用戶可選擇多個考核區(qū)域進行耗能成本的對比分析，為用戶建立有效的績效獎懲機制和日常管理提供真實、可靠的數據依據。
（8）用能成本預測分析
系統(tǒng)支持為企業(yè)以及需要單獨考核計量的區(qū)域提供能源成本預算管理功能，允許用戶錄入能源成本的詳細預算計劃，通過對比能源實際費用和預算費用進行預算執(zhí)行管理，可以直觀的了解到每月或者每年能源成本是否超出預算，方便用戶及時的進行預算的調整和干預。此外，系統(tǒng)還支持按照指定的預測算法進行能源成本的成本預測，根據歷史的預算執(zhí)行情況和實際耗能的數據預測后續(xù)的幾個月的能源成本費用，幫助用戶進行有效的成本計劃管理。
（9）績效分析
對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區(qū)域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、指定時段績效統(tǒng)計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內部能效水平和節(jié)能潛力。
（10）能耗預測
通過對企業(yè)車間、生產工藝、生產設備等的能耗使用情況進行分析，建立能耗計算模型，根據人工智能算法對數據和模型進行修正，對未來企業(yè)能耗趨勢進行預測分析，為節(jié)能提供有效的決策依據。
（11）運行監(jiān)測
系統(tǒng)的設備運行監(jiān)測功能專門針對耗能設備提供管理，主要包括設備運行狀態(tài)及關鍵參數監(jiān)視、設備臺賬管理、設備能耗統(tǒng)計分析以及設備維護管理。通過對設備工作狀態(tài)參數以及工況參數的實時采集和監(jiān)視可及時判斷設備的運行工況是否正常；設備能耗統(tǒng)計分析可提供針對設備對象的實時耗能量以及歷史耗能趨勢的分析和對比；設備臺賬管理以及維護管理可建立設備基本信息檔案，可快速實現對于設備各種特性參數的查詢和統(tǒng)計分類，對設備及其主要零配件的檢修、更換歷史記錄進行信息化管理，并可提供設備計劃檢修到期提醒以及逾期檢修告警等功能，便于為每一個重要設備建立經濟運行檔案，確保設備的安全、穩(wěn)定、經濟運行。
（12）能源平衡及損耗分析
能源平衡及損耗統(tǒng)計分析主要為企業(yè)的電、水、氣等能源在轉換、運輸、使用過程中的各個環(huán)節(jié)提供能量平衡分析，及時的發(fā)現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。通過分別統(tǒng)計重要用能環(huán)節(jié)的能源供給量和能源消耗量并計算兩者之間的差值損耗量，來評估各環(huán)節(jié)的用能損耗程度。比如對用水系統(tǒng)的干管計量和各個車間支管的計量消耗量之和進行損耗分析，有利于及時發(fā)現是否存在水管漏水或者違規(guī)用水的情況；對用電系統(tǒng)的低壓進線計量和各饋線回路的計量消耗量之和進行損耗分析，來評估判斷是否存在違規(guī)用電、竊電等異常用電現場，幫助用戶發(fā)現并糾正能源使用過程中的能源浪費問題，降低能源綜合運行成本。
（13）節(jié)能分析
節(jié)能分析主要是為企業(yè)在實施節(jié)能措施后，具體節(jié)能效果的分析，通過錄入節(jié)能措施，對比分析實施節(jié)能措施前與實施節(jié)能措施后的用能情況，以此來評判節(jié)能措施的實施效果，為企業(yè)節(jié)能提供幫助，提高經濟效益。
（14）分析報告
系統(tǒng)提供的用戶分析報告主要是為企業(yè)的中、高層管理人員提供有關企業(yè)的能耗數據統(tǒng)計結果匯總和分析結論展示，注重整體能耗狀況和變化趨勢的說明。一般包括企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況，用能趨勢排名，能耗排名，綜合能耗排名等。通過豐富多樣的圖形化組件組態(tài)成為一份用戶分析報告，讓用戶了解系統(tǒng)的運行情況，方便用戶發(fā)現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。
（15）事件記錄
事件報警分析主要是為系統(tǒng)的異常運行狀態(tài)或故障原因診斷分析提供依據和分析手段。系統(tǒng)運行過程中所產生的各種報警時間均會被自動記錄和存儲，通過對事件的發(fā)生時間、范圍對象、事件的類型、事件的等級以及事件描述關鍵字搜索查詢，即可快速的實現對目標事件的查詢和分類。
（16）自定義報表
用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生成各種報表，從各種能耗數據及費用比較，到電力峰谷平報表；從碳排放報告到系統(tǒng)能耗評估，從能耗指標到能耗預算等等，使用者無需繁瑣的編輯，只需要簡單操作就能生成精美的報表。
（17）移動端支持
APP支持Android、iOS操作系統(tǒng)，方便用戶按能源分類、區(qū)域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業(yè)能源消耗、效率分析、同環(huán)比分析、能耗折標、用能預測、運行監(jiān)視、異常報警等。
六、結語
該系統(tǒng)在實時監(jiān)測各弱電子系統(tǒng)的能耗、能效和運行參數，通過相同設備能效指標對比，及時發(fā)現低能效設備，進而對設備進行優(yōu)化，提高設備性能；通過對設備運行參數監(jiān)測，及時發(fā)現設備故障，減少對設備的影響，延長設備壽命，讓所有設備節(jié)能的運行。對所有設備集中管控，在“時間”維度上避免浪費，實現在不該用能時段不用能，在該用能時段合理用能，讓所有設備協(xié)調工作，實現資源利用。
