淺談基于多能源的大型智慧園區(qū)綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用
李茫茫
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：大型智慧園區(qū)已經(jīng)成為多種能源消耗的重要區(qū)域，為了探索適用于大型智慧園區(qū)的綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)，建立了綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)整體框架，提出了綜合能耗網(wǎng)絡(luò)、能耗關(guān)系集合、能耗均衡度等概念，并以某大型智慧園區(qū)
為例對綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)的采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，為大型智慧園區(qū)綜合能耗評估分析提供一種新的模式。
關(guān)鍵詞:智慧園區(qū)；系統(tǒng)框架；多能源；能耗；監(jiān)測；采集網(wǎng)絡(luò)
1前言
進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，然而經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展伴隨著能源供應(yīng)日趨緊張。經(jīng)過十幾年高能耗推動(dòng)的發(fā)展時(shí)期，能源供需失衡日益嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)已嚴(yán)重制約著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。2012年8月6日，國務(wù)院以國發(fā)〔2012〕40號(hào)印發(fā)《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》將“節(jié)能改造工程、合同能源管理工程”列為“十二五”節(jié)能減排工作，并提出“建筑節(jié)能——形成600萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能能力。綠色照明——形成2100萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能能力。”的節(jié)能目標(biāo)。預(yù)計(jì)到2020年，我國城市生活人口將達(dá)到總?cè)丝跀?shù)的56%以上，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。目前，建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的3大“耗能大戶”，其中建筑能耗約占全社會(huì)能耗的三分之一。在建筑能耗中，共性問題是能耗總量大、增長速度快、能耗指標(biāo)高、終端用能設(shè)備總體能效水平低等。大型智慧園區(qū)作為高能耗建筑的集中區(qū)域，亟需合理有效的綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)對其綜合能耗情況進(jìn)行掌握，這對支持我國社會(huì)健康可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。
2大型智慧園區(qū)中綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用
維持大型智慧園區(qū)正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要電、水、冷熱等多種能源消耗，各種能源消耗具有消耗范圍廣、消耗時(shí)間不規(guī)律、消耗量大等特點(diǎn)。其中，大型智慧園區(qū)中的用電消耗主要包括：中央空調(diào)、照明、電梯、給排水、電加熱負(fù)載，變壓器和其他混合負(fù)載等，用水消耗主要包括生活用水、空調(diào)用水、景觀用水、綠化用水，用冷熱消耗主要為建筑內(nèi)部供冷和供熱調(diào)節(jié)。大型智慧園區(qū)中的綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)以園區(qū)內(nèi)各用能設(shè)備運(yùn)行和能耗特征為基礎(chǔ)條件，依據(jù)各類用能設(shè)備運(yùn)行中所采集的反映其能源傳輸、變換與消耗的特征，采用能效協(xié)調(diào)控制策略實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化使用。系統(tǒng)將建筑內(nèi)各用能系統(tǒng)的能耗信息予以采集、顯示、分析、診斷，并在滿足用戶舒適度的前提下能對各系統(tǒng)進(jìn)行控制和優(yōu)化管理，有效加強(qiáng)建筑能耗統(tǒng)計(jì)分析和能效管理的系統(tǒng)性、科學(xué)性，提高終端能源利用效率，減少能源支出成本。
綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)針對園區(qū)內(nèi)各建筑用電、用水及冷/熱量等進(jìn)行能效綜合管理，包括建筑能耗綜合管理系統(tǒng)和水電冷熱表采集系統(tǒng)。水電冷熱表采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對園區(qū)各建筑各類用能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與上傳；建筑能耗綜合管理系統(tǒng)接收水電冷熱表采集系統(tǒng)上傳的用能數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對園區(qū)各建筑各類用能數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算及應(yīng)用，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，將分析展現(xiàn)的結(jié)果通過園區(qū)局域網(wǎng)進(jìn)行訪問。
3主要研究內(nèi)容
3.1綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)框架
如圖1所示，綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)框架包括功能應(yīng)用層、邏輯處理層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)源五層架構(gòu)。其中，功能應(yīng)用層包括能源監(jiān)測、能效分析、能效診斷、輔助決策以及檔案維護(hù)、系統(tǒng)管理等用戶功能，通過多維度、可視化的系統(tǒng)功能界面實(shí)現(xiàn)與用戶的信息互動(dòng)；邏輯處理層通過建立能耗評估模型，并利用數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、多維分析等手段對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為功能應(yīng)用層提供直接的數(shù)據(jù)支持；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層利用主流結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，提高邏輯處理層的處理性能；數(shù)據(jù)采集層利用終端采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)對智能電表、智能水表和智能冷熱計(jì)量表等遠(yuǎn)傳終端的數(shù)據(jù)源采集，為整個(gè)綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
圖一
3.2相關(guān)定義
綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有多源性和層次性，為了更好的描述綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程，本文做出以下相關(guān)定義：
能耗網(wǎng)絡(luò)：能耗網(wǎng)絡(luò)是以各種能源監(jiān)測點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，其表示形式G為：
G=<C,V>
其中，C表示能耗網(wǎng)絡(luò)中的能耗節(jié)點(diǎn)，V表示能耗值，Cijk表示第i種能耗中等級為j的第k個(gè)能耗節(jié)點(diǎn)，Vijk表示能耗節(jié)點(diǎn)Cijk的值。能耗網(wǎng)絡(luò)能夠很好的反應(yīng)出實(shí)際中復(fù)雜的能耗節(jié)點(diǎn)關(guān)系，建立能耗網(wǎng)絡(luò)對實(shí)現(xiàn)各種能耗的監(jiān)測分析具有重要的作用。
能耗關(guān)系集合：能耗關(guān)系集合表示在能耗網(wǎng)絡(luò)中有直接等級關(guān)系的節(jié)點(diǎn)集合，其表示形式為：
其中，SetCijk-Father表示節(jié)點(diǎn)Cijk的關(guān)系父集，SetCijk-Son表示節(jié)點(diǎn)Cijk的關(guān)系子集，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，用Cij+10表示節(jié)點(diǎn)Cijk的關(guān)系子集中未包含而Vijk中包含的能耗量。
能耗指數(shù)：能耗指數(shù)可以反應(yīng)出能耗網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗量在該節(jié)點(diǎn)所在等級中所占的比例，若節(jié)點(diǎn)Cij+1l表示節(jié)點(diǎn)Cijk關(guān)系子集SetCijk-Son中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，則能耗指數(shù)P的計(jì)算式為：
其中，VCij+1l表示節(jié)點(diǎn)Cij+1l的能耗值，Cij+1m∈SetCijk-SonVCij+1m表示節(jié)點(diǎn)Cijk關(guān)系子集中所有節(jié)點(diǎn)能耗值之和。
定義四 能耗均衡度 能耗均衡度反應(yīng)出能耗網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)等級中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗是否均衡，其計(jì)算式E為：
其中，PCij+1l表示節(jié)點(diǎn)Cijk關(guān)系子集中各節(jié)點(diǎn)能耗指數(shù)的平均值。顯然，能耗均衡度越小，說明節(jié)點(diǎn)Cijk關(guān)系子集中的各節(jié)點(diǎn)的能耗量越接近，反之亦然。
4 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)需要海量且數(shù)據(jù)支撐，因此監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)尤其重要。本小節(jié)以某大型智慧園區(qū)為例詳細(xì)描述監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則及實(shí)現(xiàn)方式。
4.1 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則
4.1.1 主干線路優(yōu)先
首先，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足主干線路優(yōu)先的原則，智慧園區(qū)主干線路的監(jiān)測數(shù)據(jù)往往直觀的展示了園區(qū)整體的能耗情況，能夠?yàn)閺膱@區(qū)整體上進(jìn)行能耗分析提供直接的數(shù)據(jù)支持。
4.1.2 重要區(qū)域優(yōu)先
其次，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足重要區(qū)域優(yōu)先的原則，所謂重要區(qū)域直接影響智慧園區(qū)正常運(yùn)行的區(qū)域，例如智慧園區(qū)變配電站的用電監(jiān)測、供水站的用水監(jiān)測等。
4.1.3 經(jīng)濟(jì)性原則
根據(jù)實(shí)際情況，對于不重要且可以通過計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)，可以盡量不安裝或少安裝表計(jì)，以便節(jié)省實(shí)施費(fèi)用。需要匯總的數(shù)據(jù)如果可以通過分表計(jì)計(jì)算得到，就無需再安裝總表計(jì)，
例如：如果分表的數(shù)據(jù)可通過已經(jīng)安裝的總表和其他分表計(jì)算得到，也無需安裝表計(jì)。
4.1.4 節(jié)能潛力大優(yōu)先
能耗監(jiān)測的目的是進(jìn)行節(jié)能，因此應(yīng)著重選取高耗能、節(jié)能潛力較大的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。高耗能設(shè)備一般是指耗能量大、在用數(shù)量多、節(jié)能潛力較大的中央空調(diào)、各種泵類以及鍋爐、換熱壓力容器、電梯、起重機(jī)械等特種設(shè)備。
4.2 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖 2 所示。
圖2
5安科瑞能耗監(jiān)控系統(tǒng)介紹
Acrel-5000能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)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(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國家有關(guān)規(guī)定實(shí)施能源審計(jì)，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實(shí)可行的節(jié)能措施，并向縣級以上人民政府管理節(jié)能工作的部門報(bào)送能源審計(jì)報(bào)告。
5.1平臺(tái)結(jié)構(gòu)
Acrel-5000能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、測控單元為基本工具，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采用現(xiàn)場總線、光纖環(huán)網(wǎng)或無線通訊中的一種或多種結(jié)合的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，它可以和檢測設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。開放性、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的采用面向?qū)ο蟮姆謱印⒎旨墶⒎植际街悄芤惑w化結(jié)構(gòu)。建立如下層次結(jié)構(gòu)：
5.2平臺(tái)功能
(1)系統(tǒng)可按使用年份統(tǒng)計(jì)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(dòng)折算成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，從而反映建筑物當(dāng)年各分類能耗用能和綜合能耗。系統(tǒng)以餅圖形式展示建筑4大用電分項(xiàng)能耗的占比情況。系統(tǒng)以曲線圖形展現(xiàn)各類能耗的消耗的消耗趨勢，便于業(yè)主方實(shí)時(shí)直觀掌握能源消耗情況。
(2)系統(tǒng)可以根據(jù)分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當(dāng)日和當(dāng)月的用能峰值。顯示當(dāng)日用能、當(dāng)月用能、當(dāng)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(shí)、31天、12個(gè)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(tǒng)依據(jù)建筑物能源消耗的分布情況進(jìn)行能耗計(jì)量點(diǎn)的選取和設(shè)置，使得能耗監(jiān)測系統(tǒng)可以覆蓋整個(gè)建筑物。系統(tǒng)使用者可通過相關(guān)界面調(diào)取該建筑物各能耗節(jié)點(diǎn)的能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計(jì)量誤差。
(4)系統(tǒng)依據(jù)住建部分類分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集導(dǎo)則，將建筑物耗電分為照明插座、空調(diào)、動(dòng)力和特殊用電進(jìn)行計(jì)量裝置選型和設(shè)置，并按用能區(qū)域或功能區(qū)域等劃分并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以報(bào)表和同、環(huán)比棒圖形式展現(xiàn)該區(qū)域的能源消耗。
(5)系統(tǒng)可針對能源消耗量大的設(shè)備或區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確定位，便于管理層制定節(jié)能績效考核制度，推動(dòng)節(jié)能降耗的有效執(zhí)行。為用能重要設(shè)備建立運(yùn)行記錄檔案，長期跟蹤記錄設(shè)備運(yùn)行過程中的能效分析評估結(jié)果，結(jié)合設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)記錄，為設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。
(6)系統(tǒng)提供分級權(quán)限管理功能，對具備權(quán)限用戶提供開放的信息維護(hù)接口，用戶可自行對建筑和系統(tǒng)監(jiān)測范圍內(nèi)計(jì)量點(diǎn)的信息進(jìn)行增、刪、改和查詢，建筑物信息包括建筑類型、建設(shè)年代、建筑面積、建筑物人員數(shù)量等。系統(tǒng)還對無法自動(dòng)采集的計(jì)量信息提供手動(dòng)錄入功能，便于使用者掌握建筑物總體能耗情況。
5.3數(shù)據(jù)上傳
安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)按照重要用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范定義的系統(tǒng)平臺(tái)接口協(xié)議規(guī)范的要求，將用能企業(yè)的基礎(chǔ)信息、計(jì)量器具信息、用能數(shù)據(jù)及能效數(shù)據(jù)上傳至省級或國家平臺(tái)，上傳數(shù)據(jù)經(jīng)過HTTPS協(xié)議加密傳輸。如果數(shù)據(jù)傳輸失敗或超時(shí)（網(wǎng)絡(luò)故障），將重發(fā)數(shù)據(jù)，直至接收成功反饋消息。
5.4能源計(jì)量表具選型
6 未來工作展望
本文結(jié)合目前大型智慧園區(qū)中多種能源消耗量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，建立了綜合能耗監(jiān)測系統(tǒng)框架，并在能耗網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了能耗關(guān)系集合、能耗指數(shù)、能耗均衡度等相關(guān)概念，提出了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則并以某大型智慧園區(qū)為例詳細(xì)闡述了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。未來的主要研究包括以實(shí)際數(shù)據(jù)為支撐，進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)，探索影響大型智慧園區(qū)能耗水平的主要因素，建立綜合能耗評估機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對大型智慧園區(qū)各種能耗水平進(jìn)行客觀的評估。
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