冯梦雪
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：结合某清洁能源大楼项目,介绍了能源管理系统建设,通过集中能源管理平台对大楼用水、用电、空调能耗等进行分项、分区、分户的计量、监控和管理,实现用能监测、能耗统计、能耗分析、能源审计、能效公示、节能管理和数据上传、节能控制等。
关键词：绿色建筑；能源管理系统；集中能源管理平台；能量计量装置；节能
0 引 言
绿色建筑是指在全寿命期内,节约能源(节能、节地、节水、节材)、保护环境、减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间,并与自然和谐共生的建筑。
在建筑物的全年能耗中,照明插座、空调、电力等用电能耗是基本稳定的,其中空调能耗占据大部分,占建筑总能耗的40%～60%;其次照明能耗,照明灯能耗占建筑总能耗的8%～10%,插座能耗占建筑总能耗的15%～20%。
1 项目概况
武汉某清洁能源大楼项目总建筑面积为2.59万多m2,主体建筑地上13层,地下2层,建筑基底面积为1935.51 m2,建筑高度为53.70m,使用功能为科研楼,属于一类高层建筑,大楼设计达到绿色建筑2星标准。大楼设外墙外保温系统、地源热泵空调系统、太阳能集电系统、风力发电系统、雨水回用系统、能源管理系统等绿色建筑措施。
大楼外立面图如图1所示。
该大楼所在地武汉市属亚热带湿润季风气候,四季分明,夏季炎热且持续时间长,年平均气温为16.8 ℃,极端高温为41.3 ℃;冬季气温较低,极端低温为-18.1 ℃。年平均无霜期为245 d,年均降水量为1 220 mm,年均雾日数为28.3 d,年均相对湿度约为80%,全年主导风向东北,夏季主导风向东南,年平均风速2.7 m/s。
2 能源管理系统功能要求
(1) 实时监视:通过计算机采集并显示各点位的用水、用电、用能等计量数据。
(2) 故障显示:如果现场发生报警或者故障,系统可以通过多种方式(如语音、图形闪烁、GSM短消息等)将当前状况和故障原因通知值班人员,并且帮助维修人员快速排除故障。
(3) 数据库存储功能:系统可对各种报警、故障以及操作进行记录,通过标准ODBC接口存储到各种通用数据库中,并通过系统数据库提供各种数据报表、曲线分析、事件记录和设备维护信息等方面的完善管理功能。
(4) 能耗综合分析功能:对能耗情况进行总体的图形分析,以曲线、饼图、柱图相结合的方式直观显示总能耗以及各类型用水、用电、用空调等能耗情况。其中,曲线图主要描绘的是总体能耗情况;饼图提供动力、空调、照明、特殊等分项能耗占总能耗的比例情况;柱图对比几个月的某分项能耗使用情况。
(5) 能耗比例分配功能:能耗比例分配是方案中动力、空调、照明、特殊等各用水、用电、用空调等类型能耗各占总能耗的比例分析。采用饼图来显示各类型能耗的百分比,并配以柱图来直观对比各用水、用电、用空调等类型的能耗消耗量。在点击饼图时,能在鼠标指定位置显示该类型的能耗。
(6) 能耗对比功能:能耗对比分析主要是对多个不同区域、部门的一段时间内总能耗情况进行对比分析,让用户对各自能耗情况有比较直观的了解。总能耗的对比采用曲线图来进行。
(7) 能耗环比分析功能:主要对能耗分析,可以按年、月、日来分析能耗情况。当点击对应柱图时,可逐级按时间放大显示。
(8) 分类能源数据分析功能:以柱图、曲线的形式对动力、空调、照明、特殊负荷等各用水、用电、用空调等类型的能耗情况进行分析,可直观显示一段时间内各用电类型的能耗情况。设置冷热源能效、输配系统能效以及能源利用率等数据,当各能耗数据超出设定值时报警,并对各能耗水平和能耗结构进行分析,提出合理建议。
(9) 部门能耗趋势分析功能:主要利用系统平台软件中的曲面分析工具来分析总能耗使用情况,可以自由按时间进行缩放。
(10) 智能报表功能:系统可生成不同部门能耗报表、不同部门的能耗消耗对比报表等,并具有年、月、周、日等多种选择,进行能源成本核算和管理,还具备Excel导出功能,方便用户将数据备份、打印。
(11) 削峰降费管理功能:从有功功率角度,展现当日实时负荷趋势,可连接系统内部限额配置及历史查询帮助,展现能源使用限额、本月负荷(负荷产生的名称、时间)、(峰、谷、平)时段需量(MD)和电量、预警/超限次数,达到减少成本的目的;从功率因数角度,展现当日实时功率因数趋势,可连接系统内部限额配置和历史查询,衡量电气设备效率高低,帮助减少电费支出。
(12) 重点耗能设备功能:全方面了解设备运行及耗能情况,方便用户进行设备的维修保养,同时建立设备解决方案库,帮用户节约查找解决方案的时间。
(13) 能耗指标定额管理功能:建立定额管理制度,管理者可根据建筑用能情况,对大楼进行用能计划,并可逐级分摊至户级用户,并可对用能考核情况进行相应的奖惩制度,并配合公众服务平台把考核情况进行公布,加强使用者节能意识。
(14) 信息发布功能:系统提供基于B/S的数据访问功能,用户可直接通过IE浏览器查看能源管理系统的分析结果。
(15) 节能控制功能:通过手动直接控制、定时控制、按需控制,并配合大楼相关数据的分析联合,实现大楼的节能控制管理。系统具有手动直接控制、定时自动控制、按需自动控制等控制模式。可根据使用情况,远程控制开启和关闭低压用电设备,节省线路上的电损;在设备非用电时或有偷电漏电时,关闭不需要通电的低压用电设备。
(16) 报警和预报警功能:系统可根据正常运行状态,设置超限报警功能,各回路、用电点的电能参数出现超过设定值时或其他工艺设备超限运行时间时,系统能够发出声音报警,并自动记录时间、站号、回路名称。
(17) 运营平台功能:针对节能平台的运行及有效利用,相应建筑基本信息、能耗数据、相关数据的配置等由运营平台管理人员进行管理。
3 能量计量装置
(1) 对单相用电负荷,如220 V供电的小房间照明箱、新风机、风机盘管、交流充电桩等,在层照明配电箱、层空调配电箱、充电桩配电箱内设置单相导轨式仪表,其具有电流测量、电压测量、功率测量(含有功功率、无功功率、视在功率、功率因数)、电能测量(含有功电能、无功电能)、频率测量等功能,电流误差精度0.2级,电压误差精度0.2级,功率、电能测量精度1.0级。
(2) 对三相小的(回路开关电流≤100 A)用电负荷,如380 V供电的房间照明箱、公共照明、实验动力、电梯、空调多联机室外机、直流充电桩、能量输配系统的风机水泵等,在层照明配电箱、层公共照明配电箱、层动力配电箱、层空调配电箱、充电桩配电箱、地源热泵机房配电箱、电梯配电箱等箱内设置三相导轨式仪表,其具有电流测量(含三相电流)、电压测量(含各线电压、各相电压)、功率测量(含有功功率、无功功率、视在功率、功率因数)、电能测量(含有功电能、无功电能)、频率测量等功能,电流误差精度0.2级,电压误差精度0.2级,功率、电能测量精度0.5级。
(3) 对三相用电负荷,如照明插座、电梯、水泵、实验电力、特殊用电、空调冷热源、能量输配系统等用电能耗,在层照明配电箱、层动力配电箱、层空调配电箱、充电桩配电箱、地源热泵机房配电箱、变配电房低压柜/高压柜等内设置三相智能型仪表,其具有电流测量(含三相电流、中性极电流、三相电流的不平衡度)、电压测量(含各线电压、线电压的不平衡度、各相电压、相电压的不平衡度)、功率测量(含有功功率、无功功率、功率因数)、电能测量(含有功电能、无功电能)、频率测量等功能,电流误差精度0.2级,电压误差精度0.2级,功率、电能测量精度0.5级。
(4) 用水计量。大楼用水包括空调系统用水、室内消防用水、办公生活用水、商业用水等,由给水排水专业按照使用用途、管理单元、付费单元来分区、分项、分户设置用水计量装置。通过设置总表和分表,能方便找到水损点、滴水水龙头,降低漏损率。网络水表由给水排水专业选型,要求是液晶显示型(显示用水量、阀门状态、设置报警水量等),防水型带RS-485接口远程通信功能(采用四线制传输,一组二芯线为电源线、另一组二芯线为通信总线),满足通信规约CJ/T 188《户用计量仪表数据传输技术条件》和DL/T 645《多功能电能表通讯规约》的要求。水表准确度等级为1级(水表计量满足GB/T 778.1—2007《封闭满管道中水流量的测量 饮用冷水水表和热水水表》和JJG 162—2009《水表计量检定规程》)。
(5) 空调用能计量。该项目空调冷热源设计为:1F～3F采用地源热泵中央空调系统,末端采用风机盘管加新风,地源热泵主机房设置在-2F;4F～13F采用变频多联机中央空调系统,末端采用四出风嵌入式多联室内机加新风系统,室外机放置于屋顶平台。其中,变频多联机中央空调系统采用电能计量的智能仪表;地源热泵中央空调系统在地源热泵主机房设置冷量、热量计量装置和地下温度监测装置。由暖通空调专业按照使用用途、管理单元、付费单元,分区、分户设置能量(冷量和热量)计量装置。在空调总供、回水管上安装一套能量表,对整个空调系统冷量计量;在1F的供、回水支干管上安装一套能量表,计量1F空调用量;在2F的供、回水支干管上安装一套能量表,计量2F空调用量;在3F的供、回水支干管上安装一套能量表,计量3F空调用量。通过设置总表和分表,能方便找到能量损耗点。网络能量表由暖通空调专业选型。空调计费原理:系统通过采集每用能量表的流量和进出水的温差,计算出用户消耗的能量值,并可以通过数据接口读取使用能量数值,通过数据采集器传送到上位计算机中,在上位计算机的计费软件中系统对热交换系统中载能介质(液体水)的出口温度T1、入口温度T2及瞬时流量q进行实时测量,并按照热力学能量计算公式,对系统消耗的冷量或热量值进行计算。当T1>T2时对冷量进行计算,而当T1<T2时对热量进行计算,并将冷量和热量保存。网络能量表要求是液晶显示型(显示冷水制冷温度、流量、冷量测量,热水供热温度、流量、热量测量,换热器温度、流量、热量测量,冷冻机出水温度、流量、冷量测量,以及温差、流速、报警、工作时间等),防护等级IP68,带RS-485接口远程通信功能(采用四线制传输,一组二芯线为电源线,另一组二芯线为通信总线),满足通信规约标准CJ/T 188《户用计量仪表数据传输技术条件》和CJ 128—2007《热能表》、JJG 225—2001《热能表国家计量检定规程》的要求,能量表测量精度:线性度优于0.5%,重复性精度优于0.2%,流量优于±1%,热量优于±2%非接触式测量。
4 能源管理系统建设
(1) 系统组成:集中能源管理平台、能量计量装置、通信转接器、通信适配器、信号中继器等。
(2) 系统建设采用标准的ModBus-RTU协议,所有能量计量装置通过一根RVSP-4×1.5屏蔽双绞线进行RS-485接口连接,一条线路可以同时连接32台通信型能量计量装置,通信距离为1200 m(当距离过长时,通过加装中继器延长通信距离)。前端仪表数据经信号中继器(网络供电、信号中继作用)至区域管理器,再经信号转换器至计量主机,进行综合数据处理和分析。
(3) 系统设置通信转接器6-I/O,可以提高用户现场接线效率和可靠性,有6个RS-485通信接口,可扩展5个通信设备;配有通信线接地端子,可直接安装在标准35mm导轨上;多个通信转接器间可互联进行扩展。通信转接器6-I/O、信号中继器安装于楼层强电井内配电箱柜旁,安装高度为1.4 m。智能开关安装在配电箱柜内,通信适配器安装于计量主机旁。
(4) 系统设置通信适配器,可以与采用标准的ModBus-RTU协议接口的通信型智能产品连接,实现不同协议的转换,使通信型智能产品能在DeviceNet、Profibus-DP、CAN现场总线上或以太网TCP/IP网络上实现遥信功能。
能源管理系统如图2所示。
能源管理监控配电箱计量如图3所示。
能源管理监控用水计量如图4所示。
5 安科瑞能耗监控系统介绍
Acrel-5000能耗在线监测系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。用户可按照国家有关规定实施能源审计，分析现状，查找问题，挖掘节能潜力，提出切实可行的节能措施，并向县级以上人民政府管理节能工作的部门报送能源审计报告。
5.1平台结构
Acrel-5000能耗在线监测系统以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，根据现场实际情况采用现场总线、光纤环网或无线通讯中的一种或多种结合的组网方式，为大型公共建筑的实时数据采集及远程管理与控制提供了基础平台，它可以和检测设备构成任意复杂的监控系统。开放性、网络化、单元化、组态化的采用面向对象的分层、分级、分布式智能一体化结构。建立如下层次结构：
5.2 平台功能
（1）系统可按使用年份统计建筑物各分类能耗——电、水、气、集中供热、集中供冷以及其它能源消耗量，自动折算成相应的标准煤消耗量，从而反映建筑物当年各分类能耗用能和综合能耗。系统以饼图形式展示建筑4大用电分项能耗的占比情况。系统以曲线图形展现各类能耗的消耗的消耗趋势，便于业主方实时直观掌握能源消耗情况。
（2）系统可以根据分类能耗的支路名称查询用能情况，显示当日和当月的用能峰值。显示当日用能、当月用能、当年用能与昨日同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比较情况。以条形显示过去48小时、31天、12个月、3年的能耗情况。右上角显示过去15分钟曲线（电表显示功率曲线，流量表显示流速曲线）。
（3）系统依据建筑物能源消耗的分布情况进行能耗计量点的选取和设置，使得能耗监测系统可以覆盖整个建筑物。系统使用者可通过相关界面调取该建筑物各能耗节点的能耗统计报表，减少用能的“跑、冒、滴、漏”和计量误差。
（4）系统依据住建部分类分项能耗数据采集导则，将建筑物耗电分为照明插座、空调、动力和特殊用电进行计量装置选型和设置，并按用能区域或功能区域等划分并进行统计，以报表和同、环比棒图形式展现该区域的能源消耗。
（5）系统可针对能源消耗量大的设备或区域进行准确定位，便于管理层制定节能绩效考核制度，推动节能降耗的有效执行。为用能重点设备建立运行记录档案，长期跟踪记录设备运行过程中的能效分析评估结果，结合设备维护保养记录，为设备的运行维护提供依据。
（6）系统提供分级权限管理功能，对具备权限用户提供开放的信息维护接口，用户可自行对建筑和系统监测范围内计量点的信息进行增、删、改和查询，建筑物信息包括建筑类型、建设年代、建筑面积、建筑物人员数量等。系统还对无法自动采集的计量信息提供手动录入功能，便于使用者掌握建筑物总体能耗情况。
5.3 数据上传
安科瑞能耗在线监测系统按照重点用能单位能耗在线监测系统技术规范定义的系统平台接口协议规范的要求，将用能企业的基础信息、计量器具信息、用能数据及能效数据上传至省级或国家平台，上传数据经过HTTPS协议加密传输。如果数据传输失败或超时（网络故障），将重发数据，直至接收成功反馈消息。
5.4 能源计量表具选型
5.5通讯网关参数
6 结 语
建设能源管理系统能给绿色建筑提供建筑能源消耗的分项分级精细化管理,通过对能耗使用的对比分析,降低水损、线损、管损、铜损等不正常的损耗,加强运营管理,提高使用者主动节能意识,使绿色建筑的用能指标下降,达到节能的目的。
【参考文献】
[1]武汉市绿色建筑设计基本规定:WJG 122—2014[S]
[2]黄磊.某绿色建筑的能源管理系统建设[J]现代建筑电气
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
作者简介：冯梦雪，女，本科，现就职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为能源管理系统。邮箱: 2881780375@qq.com； 手机：18702115251（微信同号）；QQ：2881780375