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1引言

我國隨著經濟、社會的發展和環境、資源壓力的增大，對節能減排的需求越來越迫切。據統計，我國有近30％的能源消耗在建筑物上。做好建筑，尤其是大型建筑的節能管理工作，不僅直接關系到“十二五”單位GDP能耗降低20%的節能戰略目標的實現，而且對整個節能減排工作有著強有力的示范作用。目前建筑節能大多從兩方面入手，一方面是建筑設計，另一方面是建筑智能化系統。建筑設計與節能相關的內容涉及建筑物的整體結構、建筑物的圍護結構以及室內環境的舒適性。建筑智能化系統與節能相關的子系統包括建筑能耗監測系統、BA控制系統、空調節能控制系統、電能量管理系統、環境控制系統。這些建筑智能化子系統都是針對建筑能耗中的單一環節進行評估的，并沒有把整個建筑物的能耗作為一個有機整體進行分析和優化的系統方案和技術實現。智能建筑能源管理系統利用最新的數據處理與通信技術，對建筑內的智能化子系統進行集成與整合，形成高品質的全景數據庫，并以此為依據建立客觀能源消耗評價體系，及時了解真實的能耗情況和提出節能降耗的技術、管理措施，協助管理者制訂新的用能模式和考核辦法，實現建筑節能降耗的目的；同時在數據不斷積累的過程中，為用戶發現更多的節能機會，為后期的調整與改擴建提供更優化的能源供應與管理方案。

2現狀分析

（1）中央空調系統冷凍制冷系統的能耗大約有15％~20％是消耗于冷凍水的循環輸配中，這主要是因為冷源水回路與負荷水分配回路的水量在部分負荷回路中存在供需矛盾，包括二次回路負荷之和大于機組制冷負荷，以及冷源側供水量變化階梯性與負荷側需求量動態變化不協調性的矛盾。

（2）電梯、通風系統設備、照明設備等給建筑的電網帶來大量的諧波，導致出現電網電壓波動、閃變等不安全因素。

（3）智能建筑用電設備多，負荷（包括消防與平時兼用負荷）比一般民用建筑大得多；沒有進行分項計量，各種設備的用電量混合在一起，不能分別顯示照明用電、空調用電、動力用電和特殊用電等的全年能耗。

（4）目前智能建筑大多擁有較完整的變/配電系統、智能環境監控系統、暖通系統、安防系統、BA系統等，但是仍存在許多問題：各個系統運行/操作方式復雜、設備種類繁多、效率不高，且相互獨立，沒有統一的數據平臺——值班人員無法知曉各個子系統的具體運行情況，容易造成不必要的能源浪費；對突發的緊急狀況，不能快速處理與解決，容易造成設備損壞，影響正常供電；管理方的很多好的管理想法無法落實，復雜的比較分析功能無法實現，經驗數據無法積累，無法做到能源的精細化管理；網絡與信息系統面對各種威脅不具有足夠的抗攻擊能力，系統數據安全性低；系統專業化，沒有適合大廈的相關管理功能；系統人機界面不夠友好、操作不夠人性化，難以提高操作效率。

3能源管理系統架構

能源管理系統由間隔層、通信層、站控層三部分組成。間隔層即指現場監控層，實現現場數據采集和就地顯示功能等。采集設備分為電量采集設備和非電量采集設備兩大類。電量采集主要通過網絡電力儀表進行，非電量采集主要通過智能水表、智能燃氣表進行。采集設備通過通信接口上傳數據到通信層。通信層是系統信息交換的橋梁，使系統能適應不同的通信網絡拓撲結構，主要由數據采集器、以太網交換機、通信介質等組成。通信層實現與間隔層各種智能設備的通信，收集各智能設備的信息；同時實現與站控層設備通信、向上級能源管理等系統上傳各設備的信息等功能。站控層負責完成對整個能源管理系統數據的采集、處理、顯示和監視功能，協助建筑管理人員對大樓能源的供應與使用，進行全面的監控與管理，對各項能耗實行精細化分析，搭建能源使用節約化模型并進行效果預測等。

4能源管理系統架構設計能源管理系統架構，如圖1所示。

（1）間隔層設備主要包括安裝于0.4kV低壓配電柜的網絡電力儀表、水表適配器、燃氣表、空調節能及計費終端、智能照明控制模塊等。建筑內各區域的電源直接由各區域變電所內的0.4kV低壓配電柜提供。為了保證各精密儀器的高品質用電，提高建筑運行管理水平，可考慮配置多功能網絡電力儀表完成對低壓系統動力、照明、插座、空調等部分的實時監控功能。網絡電力儀表需具有豐富的電量測量功能，如電壓、電流、功率、電度測量等，能進行需量統計、越限告警等多種數據統計和告警，還具備定時自動抄表以及上次清零后累計電能功能，方便實現大樓的電能統計管理，為未來實現節能減排提供完整的實時數據。此外，各網絡電力儀表還可選配斷路器位置采集開入功能以及斷路器遙控輸出功能，使工作人員能在后臺監控電腦上輕松完成對現場0.4kV系統運行方式的全面監視與控制。水表及燃氣表需帶RS485通信接口，方便各分站監控屏的數據采集及上傳。空調控制模塊通過與能源管理系統通信，實現與其的控制指令和采樣數據交互。基于KNX/EIB的環境控制終端和傳感設備完成環境參數的采樣以及通斷、調光等控制。

（2）通信層對于分類分項數據采用數據采集器進行采集與傳輸，對普通數據采用通信管理機進行采集與傳輸。智能控制模塊各總線元件通過KNX總線組網；中央控制系統通過以太網連接到總線上的IP網關，與KNX總線系統進行通信，并通過Falcon（RS232、USB、EIBnet/IP）將信息匯總到能源管理平臺。

（3）能源管理系統對建筑內使用的能源（水、電、氣、暖等）的數據進行綜合管理、分析并提供具體的節能措施，實現“數字化”的能源輸配及平衡，避免出現不必要的浪費，使能源的計劃投入和實際使用相平衡，做到少投入多產出；同時，根據現場運行情況，對運行狀態進行跟蹤，分析運行能耗數據，尋找最佳工況點，深度挖掘節能空間，提供最合理、最節能的運行策略。

5能源管理系統功能實現

能源管理系統根據BA系統、中央空調管理系統以及智能照明等系統提供的運行策略，對能耗數據進行分析處理，依托能源管理平臺，建立數據模型；在這些系統運行過程中尋找其最佳運行效率，并對其長時間的運行策略進行分析預測，以期實現最佳運行效果，進一步實現節能。能源管理系統應用層的主要功能包括完善的能耗監測、中央空調節能控制、設備臺賬管理、設備性能評價、能源成本分析、數據共享與集成。

（1）完善的能耗監測建筑能耗包括電、水以及空調熱/冷量，其中水和空調熱/冷量通常按區域進行能量計量，而電則劃分為不同的分項、子項，如照明插座用電、空調用電、動力用電和特殊區域用電進行計量。①照明插座用電照明插座用電是建筑物主要功能區域的照明、插座等室內設備用電的總稱。照明插座用電包括照明和插座用電、走廊和應急照明用電兩個子項。前者指建筑物主要功能區域的照明燈具和使用插座的室內設備，如計算機等辦公設備的用電；后者指建筑物公共區域的燈具，如走廊、衛生間等的公共照明設備的用電。②空調用電空調用電是為建筑物提供空調、采暖服務的設備用電的統稱，包括冷熱站用電、空調末端用電兩個子項。冷熱站主要包括冷水機組、冷凍泵（一次冷凍泵、二次冷凍泵、冷凍水加壓泵等）、冷卻泵、冷卻塔風機等和冬季采暖循環泵（即采暖系統中輸配熱量的水泵。對于采用外部熱源、通過板換供熱的建筑，僅包括板換二次泵；對于采用自備鍋爐的建筑，包括一、二次泵）。空調末端主要包括全空氣機組、新風機組、空調區域的排風機組、風機盤管和分體式空調器等。③動力用電動力用電是集中提供各種動力服務（包括電梯、非空調區域通風、生活熱水、自來水加壓、排污等）的設備（不包括空調采暖系統設備）用電的統稱。動力用電包括電梯用電、水泵用電、通風機用電三個子項。④特殊區域用電特殊區域用電是指不屬于建筑物常規功能的用電設備的耗電量，包括信息中心、洗衣房、廚房、餐廳、食堂和其他特殊用電，特點是能耗密度高、所涉用電區域及設備的電耗在總電耗中占的比重大。特殊區域用電的計量需采用專用數據采集器，通過計算機網絡，將能耗數據送往能源管理系統。

（2）中央空調節能控制中央空調水系統由冷凍水泵、冷卻水泵、制冷主機、冷卻塔等環節構成，能耗較大。常見、傳統的節能方式是通過對水泵進行簡單的變頻實現水泵的節能。但是，在整個系統中，水泵的能耗通常只占到總能耗的1/4~1/3，因此僅實現水泵的變頻節能，其節能量有限；而尤其值得注意的是，組成中央空調水系統的各部分是相互關聯、相互影響的，如果單獨考慮水泵的變頻，會產生由于流量的變化造成主機側外圍溫度場發生變化，可能進而引起主機運行工作點漂移，導致主機能耗增加的結果，也就是通常所說的“水泵節能，主機耗能”的情況。因此僅進行水泵側的節能，其節能是局部的、有限的，且會對系統的總體節能帶來不利影響。能源管理系統以整個中央空調水系統作為整體控制對象，在充分利用變頻技術節能的同時，全面考慮主機的效率，使冷凍水和冷卻水循環流量向著主機效率提高的方向改變，最終實現末端單位負荷的輸出系統能耗（包括主機的耗電量、各種水泵風機的耗電量）最小。

（3）設備臺賬管理設備臺賬管理不僅包括耗能設備基本信息的管理，還包括檢測區域內所有建筑及耗能區域信息的管理。①設備臺賬管理涉及的信息數據包括：建筑基本信息，應包括建筑名稱、建設年代、建筑高度和層數、建筑功能、建筑總面積、空調面積、采暖面積、建筑空調系統形式、建筑采暖形式、建筑體型系數、建筑結構形式、建筑外墻形式、建筑外墻保溫形式、建筑外墻類型、建筑玻璃類型、窗框材料類型、經濟指標（電價、水價、氣價、熱價）、節能改造時間等信息（根據江蘇省《公共建筑能耗監測系統技術規程》的要求）；耗能區域信息，包括區域名稱、區域功能、區域包含范圍（建筑、樓層、房間或位置）等信息；設備信息（即設備臺賬），包括設備編號、設備銘牌信息、投運時間、使用壽命、歷次檢修記錄、更換記錄、檢修期內的平均能耗和總能耗、安裝位置（建筑、樓層、房間或位置）等信息。②設備臺賬管理的主要功能包括：實現設備信息的錄入、檢索和對比；自動記錄設備的平均能耗和總能耗；提供設備檢修情況記錄；自動進行設備檢修時間和設備壽命的提醒；提供靈活的耗能區域的定義。

（4）設備性能評價設備性能評價主要是針對暖通系統設備進行能效指標的分析，其主要功能是：計算耗能設備的能效比；計算中央空調的全年平均能效比；計算中央空調的配置裕量系數；計算耗能設備的壽命周期成本率；對耗能設備進行評分或評級；提供同類耗能設備能效比的對比分析；提供同一耗能設備不同時間能效比的對比分析；輸入新設備的額定功耗、投資成本、使用壽命等數據，計算該設備的壽命周期成本率。設備的壽命周期成本率按如下方式計算：壽命周期成本率＝（投資成本＋壽命年限總運行費用）/總壽命年限式中，投資成本包括設備成本、安裝費用、機房所占的建設費用，單位為元；壽命年限總運行費用包括壽命周期內的運行電費、維護人工費、維護材料費和機房場地費。

（5）能源成本分析能源成本分析有五項主要功能。①支持對一段時間（日、月、年）內各建筑的能耗進行占比分析和排名分析，具體包括：將建筑中的各種能耗換算成標準煤當量，進行占比計算和排名分析；在分析結果中顯示建筑能耗總量、單位建筑面積能耗量、各種能耗的總量、各種能耗費用和總費用；可按能耗總量分析和成本分析兩種方式顯示分析結果。②支持對一段時間（日、月、年）內各功能區域的能耗進行占比分析和排名分析，具體包括：將功能區域涉及的各種能耗換算成標準煤當量，進行占比計算和排名分析；在分析結果中顯示區域能耗總量、單位建筑面積能耗量、各種能耗的總量、各種能耗單價、各種能耗費用和總費用；可按能耗總量分析和成本分析兩種方式顯示分析結果。③支持同一建筑在兩個不同時間段（日、月、年）內能耗的對比，在對比結果中顯示對比時間段、建筑功能、總建筑面積、建筑能耗總量、單位建筑面積能耗量、各種能耗的總量、各種能耗費用和總費用。④支持同一功能區域在兩個不同時間段（日、月、年）內能耗的對比，在對比結果中顯示對比時間段、區域功能、總建筑面積、區域能耗總量、單位建筑面積能耗量、各種能耗的總量、各種能耗單價、各種能耗費用和總費用。1《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據采集技術導則》2《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據傳輸技術導則》3《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統樓宇分項計量設計安裝技術導則》4《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統數據中心建設與維護技術導則》5《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統建設、驗收與運行管理規范》6《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統軟件開發指導說明書》⑤根據各種能源輸送網絡的拓撲結構，一小時分析一次水、電、氣損失情況，在其超出用戶設定的限值時給出報警提示。（6）數據共享與集成能源管理系統為用戶提供各子系統一致的操作界面，并按照標準化接口規范與各個子系統建立連接，采用統一的數據格式進行數據交換，能夠迅速適應設備的變化，輕松實現各個子系統的信息共享，并支持遠程訪問和遠程管理，使各個獨立子系統結成了一個有機的整體，不僅實現了信息共享，也使各種跨系統聯動的實現水到渠成。

6結束語

近年來，隨著國家推進節能減排工作力度的加大、節能要求的提高，傳統的BA系統逐漸不能滿足智能建筑的節能要求。建筑能源管理系統提供的是一個高效的管控一體化平臺，實現的不僅僅是對能耗的控制，更是對建筑物結構、系統、服務及管理的最優化組合。它集中建筑中的各子系統，對建筑中的機電設備進行集中監控與管理，既能提供節能的手段，又能提供精確的數據和科學的分析，以便更好地分配資源，而這又會反過來更好地加強對能耗的控制，平衡管理運行，從而構成良性的循環，達到節能、減排、提高管理水平的目的。因此，能源管理系統的應用將成為智能建筑發展的必然趨勢。