摘要：目前全世界建筑物能源消耗占全社會(huì)能源消耗總量的40%，是工業(yè)能耗的1.5倍，要想實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)，減少建筑物能耗是最為關(guān)鍵的因素。本文對(duì)我國(guó)建筑物耗能現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)要分析，同時(shí)對(duì)基于力控軟件平臺(tái)的建筑物耗能管理系統(tǒng)平臺(tái)做了詳盡介紹。
1 引言
2009年世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會(huì)發(fā)布一份名為《行業(yè)轉(zhuǎn)型：建筑物能源效率》的報(bào)告認(rèn)為，到2050年，使建筑物的能源使用量減少60%是實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)的關(guān)鍵。通過大規(guī)模運(yùn)用節(jié)能技術(shù)，到2050年建筑物可節(jié)約的能源總量相當(dāng)于全球運(yùn)輸業(yè)目前所使用的能源總量。
2 現(xiàn)狀
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)的城市生活人口數(shù)量將達(dá)到總?cè)丝跀?shù)量的一半以上。相應(yīng)的建筑物和配套設(shè)施也將成倍增加，因此建筑能耗的大幅增加將不可避免。
目前建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國(guó)三大“耗能大戶”。我國(guó)每年竣工建筑面積約為20億m2,其中公共建筑約有4億m2。2萬m2以上的大型公共建筑面積占城鎮(zhèn)建筑面積的比例不到4%，但是能耗卻占到建筑能耗的20%以上，其中單位面積耗電量更是普通民宅的10到15倍。在公共建筑（特別是大型商場(chǎng)、高檔旅館酒店、高檔辦公樓等）的全年能耗中，大約50%~60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)，20%~30%用于照明。根據(jù)測(cè)算，如果不采取有力措施，到2020年中國(guó)建筑能耗是現(xiàn)在的3倍以上。因此，做好大型公共建筑的節(jié)能管理工作，對(duì)實(shí)現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排規(guī)劃目標(biāo)具有重要意義。
3 BAS系統(tǒng)（Building Automation System）
智能建筑的能耗管理主要是由建筑設(shè)備管理系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）來實(shí)現(xiàn)的。BAS系統(tǒng)可以對(duì)建筑物或建筑群內(nèi)的電力、照明、空調(diào)、給排水、消防、運(yùn)輸、保安、車庫(kù)管理等設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)化的管理，從而達(dá)到節(jié)能的目的。根據(jù)國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)，建筑設(shè)備管理系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）可為新的辦公大樓節(jié)能20%左右。
樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)通過對(duì)建筑（群）的各種設(shè)備實(shí)施綜合自動(dòng)化監(jiān)控與管理，為業(yè)主和用戶提供安全、舒適、便捷高效的工作與生活環(huán)境，并使整個(gè)系統(tǒng)和其中的各種涉別處在最佳的工作狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的現(xiàn)代化、信息化和智能化。
4 建筑物節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
建筑按能耗可以分為居住建筑和公用建筑兩種。其中公用建筑：包含辦公建筑、商業(yè)建筑、旅游建筑、科教文衛(wèi)建筑、通信建筑，以及交通運(yùn)輸用房等。對(duì)于大型公共建筑按照如上分類，通過對(duì)用電設(shè)備的分項(xiàng)計(jì)量統(tǒng)計(jì)各種設(shè)備和各類建筑的耗電量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自控技術(shù)、通過現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集器把能耗實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和收集、并以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式和封裝傳送到遠(yuǎn)程的通訊服務(wù)器，從而為外部環(huán)境信息快速分類、統(tǒng)計(jì)、分析，為能耗分析決策層的決策提供必要的依據(jù)。把水、電、氣等原料消耗、能源消耗量和采集器、計(jì)量器的設(shè)備狀態(tài)等科學(xué)地分類，提供給管理層數(shù)據(jù)庫(kù)，從而減少人為干預(yù)，提高管理層數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)確性。
建筑物節(jié)能系統(tǒng)主要采用分層分布式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可分為三層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。網(wǎng)絡(luò)通信層、站控管理層。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖
4.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要由能耗實(shí)體設(shè)備構(gòu)成，包括空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)、用水測(cè)量系統(tǒng)、動(dòng)力配電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等設(shè)備。該層主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場(chǎng)總線連接的分布式I/O控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端，向數(shù)據(jù)中心上傳存儲(chǔ)的建筑能耗數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)x表?yè)?dān)負(fù)著最基層的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，其監(jiān)測(cè)的能耗數(shù)據(jù)必須完整、準(zhǔn)確并實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)中心。圖2所示為能耗實(shí)體構(gòu)成示意圖。
圖2 能耗實(shí)體構(gòu)成示意圖
4.2 網(wǎng)絡(luò)通信層
考慮到整個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備眾多，接口形式多種多樣，通信協(xié)議不盡相同，如果將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)直接匯總到站控管理層的數(shù)據(jù)中心會(huì)遇到諸多不便。因此我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)通信層配備了力控?cái)?shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，該產(chǎn)品擁有高性能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，具有多種通訊采集和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)約庫(kù)。可以實(shí)現(xiàn)采集多個(gè)不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集中匯總、分類和預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)功能。
本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)經(jīng)過采集網(wǎng)關(guān)之后，經(jīng)過交換機(jī)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的OPC方式向站控管理層匯總。力控pFieldComm系列工業(yè)通訊網(wǎng)關(guān)采用高性能的嵌入式計(jì)算平臺(tái)，服務(wù)內(nèi)核軟件可運(yùn)行于桌面操作系統(tǒng)或嵌入式操作系統(tǒng)中，是一個(gè)脫離于具體硬件設(shè)備接口的通訊服務(wù)平臺(tái)。該系統(tǒng)擁有高性能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（原型為Unix下標(biāo)準(zhǔn)C開發(fā)），具有多種通訊采集和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)約庫(kù)?？梢詫?shí)現(xiàn)采集多個(gè)不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集中匯總、分類和預(yù)處理，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)中異種協(xié)議的轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)過程，異種協(xié)議容易接入并可轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（如OPC方式）與其它系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。
該設(shè)備支持對(duì)多個(gè)上級(jí)調(diào)度平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與上傳，可作為分布式數(shù)據(jù)采集裝置、工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)、電力通訊服務(wù)器或通訊前置機(jī)等使用。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)互聯(lián)子系統(tǒng)之間的物理級(jí)安全隔離，同時(shí)結(jié)合了軟件和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、遠(yuǎn)程組態(tài)技術(shù)，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定、易于使用和維護(hù)。
4.3 站控管理層
站控管理層是人機(jī)交互的直接窗口，直接面對(duì)能耗監(jiān)控中心的工作人員，也是整個(gè)系統(tǒng)的最核心部分。
系統(tǒng)平臺(tái)軟件配備新一代力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl產(chǎn)品，可以構(gòu)成先進(jìn)的、分布式冗余、容錯(cuò)架構(gòu)。產(chǎn)品采用分布式組件設(shè)計(jì)，保證了軟件的可“伸縮性”非常強(qiáng)，適應(yīng)了“e”時(shí)代的要求，同時(shí)ForceControl具備強(qiáng)大穩(wěn)定的數(shù)據(jù)內(nèi)核，內(nèi)置的軟件自診斷功能方便構(gòu)造穩(wěn)定的監(jiān)控系統(tǒng)，使大型SCADA調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的安全性得到了充分的保障。監(jiān)控平臺(tái)具有良好的人機(jī)交互界面，對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)信息計(jì)算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況。
為了便于日后的數(shù)據(jù)匯總分析，以及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，單獨(dú)配備力控pSpace實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)平臺(tái)，并且搭建關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)儲(chǔ)。力控企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)pSpace是一個(gè)高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性強(qiáng)、跨網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開放式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。產(chǎn)品為完全的分布式結(jié)構(gòu)，可任意組建應(yīng)用模式，支持C/S和B/S應(yīng)用。可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)，靈活的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)可滿足各種需求。
5 建筑物節(jié)能系統(tǒng)功能介紹
5.1 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示
數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包括各個(gè)能耗實(shí)體的運(yùn)行數(shù)據(jù)，環(huán)境參數(shù)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。能耗監(jiān)控中心的工作人員可隨時(shí)了解整個(gè)建筑的用電量、用水量等能耗數(shù)據(jù)，并且及時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)畫面了解各設(shè)備工作狀態(tài)。圖3所示為空調(diào)系統(tǒng)能耗示意圖，圖4所示為總能耗示意圖。
圖3 空調(diào)系統(tǒng)能耗示意圖
圖4 總能耗示意圖
5.2 數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)
力控軟件平臺(tái)根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，可通過曲線、餅圖、棒圖等形式，對(duì)建筑物的分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)。工作人員可查看某時(shí)間段內(nèi)的分類或分項(xiàng)數(shù)據(jù)，便于互相比較。同時(shí)力控軟件平臺(tái)強(qiáng)大的報(bào)表功能，為能耗分析提供了真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)來源。圖5所示為分項(xiàng)能耗月對(duì)比柱狀圖，圖6所示為動(dòng)力能耗實(shí)時(shí)比例餅狀圖。
圖5 分項(xiàng)能耗月對(duì)比柱狀圖
圖6 動(dòng)力能耗實(shí)時(shí)比例餅狀圖
5.3 WEB發(fā)布、遠(yuǎn)程瀏覽
整個(gè)系統(tǒng)支持B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，力控軟件平臺(tái)具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，可將現(xiàn)場(chǎng)畫面通過Internet互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程發(fā)布。遠(yuǎn)程客戶只要具備上網(wǎng)條件在任何一個(gè)地方都能隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)對(duì)能耗實(shí)體進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。
5.4 強(qiáng)大的報(bào)警事件、用戶管理功能
強(qiáng)大的分布式報(bào)警系統(tǒng)具備報(bào)警存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析、顯示、查詢、事件觸發(fā)、打印等多種功能。當(dāng)出現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)超限的情況下支持以多媒體語音、視頻、文本語音轉(zhuǎn)換、郵件和短信等實(shí)時(shí)方式的將報(bào)警信息及時(shí)傳送給工作人員。
力控軟件平臺(tái)特有的事件組件可詳細(xì)記錄工作人員的操作記錄，并且可對(duì)發(fā)生事故時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位和分析，記錄事故發(fā)生時(shí)的操作記錄，為事故處理提供了真實(shí)的依據(jù)。
同時(shí)力控軟件平臺(tái)提供完備的安全保護(hù)機(jī)制，以保證運(yùn)行過程的安全可靠，力控的用戶管理具備多個(gè)級(jí)別，并可根據(jù)級(jí)別限制對(duì)重要系統(tǒng)參數(shù)的修改，以有效避免運(yùn)行過程中的誤操作。
6 總結(jié)
通過力控軟件平臺(tái)搭建的建筑物節(jié)能系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑物能耗的分項(xiàng)計(jì)量，為做好節(jié)能減排工作，實(shí)施能源消耗的統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)，落實(shí)責(zé)任，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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