浅谈建筑能耗监测系统的现状及应用分析

摘要:建筑能耗分项计量和能源管理系统可实现能耗数据的采集、汇总、分析、显示等功能，但在利用数据分析结果指导决策实现节能减排目标方面仍存在不足。分析了如何在能源管理的基础上进一步深入研究，并借鉴*经验实现基于需求的能效管理。

关键词:节能；分项计量；能源管理；能效管理
0引言
       我国是一个能源消耗大国，人口众多，能源相对缺乏，人均能源占有量仅为世界平均水平的40%，而建筑能耗已占到社会总能耗的40%左右。但能源效率目前仅为33%，比发达落后20a，能耗强度大大高于发达及世界平均水平，约为美国的3倍，日本的7.2倍。
       为实现到2020年单位国内生产总值CO2排放量比2005年下降40%～50%的目标，提高能源利用效率已成为我国在未来经济发展中的一个紧迫问题。
1我国建筑能耗监测系统现状
       在建筑能耗管理方面的技术措施常有分项计量系统、能源管理系统(Energy Management System，EMS)、能效管理系统(Energy Efficiency Management System，EEMS)，这些系统在功能和发展阶段上存在差异。
       能耗分项计量系统源自住房和城乡建设部2008年6月颁布的《办公建筑及大型公共建筑楼宇分项计量设计安装技术导则》等五个技术导则中的相关要求。2008年10月1日，我国正式实施了国wu院颁布的《公共机构节能条例》，其中明确指出:“公共机构应当实行能源消费计量制度，区分用能种类，用能系统，实行能源消费分户、分类、分项计量，并对能源消耗状况实行监测，及时发现、纠正用能浪费现象。”之后，各省、市、自治区陆续颁布针对建筑用能监测系统的规范标准，众多企业纷纷开始研发并实施能耗分项计量系统，越来越多的公共建筑、建筑开始应用能耗分项计量系统。分项计量系统在于通过对建筑安装分类和分项能耗计量装置，采用远程传输等手段及时采集能耗数据，进行在线监测。
       EMS是在实现能耗分项计量的基础上，对建筑的电力、燃气、水等各分类能耗数据进行汇总、分析。了解建筑能耗状况，为节能降耗提供直观科学的依据，为企业查找能耗，促进企业管理水平的进一步提高及运营成本的进一步降低，使能源使用更加合理，控制浪费，达到节能减排、降低能耗的目的。
       EEMS应用智能化集成系统技术，在EMS基础上，通过对电耗、气耗、水耗、材耗、环境因素、使用人的舒适度、成本等数据进行汇总分析，掌握建筑设施的实时运行状态，及时发现问题、调整设备参数；根据数据积累的统计值，比对找出设备(设施)运行异常、资源消耗的异常，并预测未来的能耗需求，优化控制策略，改进运行状况，提升建筑物的整体能效。
       本文将根据近期对上海市十幢大型公共建筑所做的调研，具体分析建筑能耗监测系统目前发挥的作用及存在的不足。
2建筑能耗监测系统实例分析
2.1 分项计量系统
       上海市针对建筑能耗陆续颁布了《大型公共建筑能耗监测系统工程技术规范》、《公共建筑用能监测工程技术规范》和《办公建筑用能监测系统工程技术规范》等规范性文件，并且建成了市级和区级两级建筑能耗监测平台，实现了对全市几百幢大型公共建筑和办公建筑能耗的集中监测。
       近期调研的10幢大型公共建筑均按照上海市《公共建筑用能监测工程技术规范》的要求设置了用能监测系统，实现了对水、电、燃气等用能情况的分项实时监测。
       分项计量系统所采用的能源架构如图1所示。

图1 分项计量系统基本能源架构

       其中能源按照水、电、燃气进行分类；水主要记录大楼用水总量；电耗分为照明插座、空调系统、动力系统、特殊用电等四大类，每类又分为若干个子项进行计量；燃气消耗主要记录厨房餐厅用气和冷热源用气。
2.2 EMS
       EMS是在分项计量系统的基础上，对建筑能耗数据进行汇总分析，了解掌握建筑能耗水平、耗能设备及系统、分析用能异常原因，为节能减排、降低能耗提供条件。
       目前，已经应用EMS的建筑大致可分为两类:
       (1)以统计公共建筑的实时和历史能耗为目的，旨在制定不同类型的公共建筑用能基准，为制定建筑用能政策作指导，同时据此可以做宏观分析和调控。
       (2)以一栋或者几栋具体建筑物为目标，旨在了解掌握该建筑内设备和系统能耗情况，从而优化用能设备的运行，为建筑物节能改造提供依据和策略。此类建筑大多以商业建筑、酒店为主。
       EMS可以实现如下功能:
       (1)实现能耗概览、能效对标、能耗分项统计、能效排名、设备能耗追踪分析、能耗、能耗报告、报表等常规功能。
       (2)能源费用占比分析，直观显示建筑水、电、燃气等能源消耗比例。
       (3)电量分项能耗分析。根据耗电用途不同，可以逐月、逐年显示动力、空调、照明插座、特殊用电的消耗比例。
       (4)用能情况的同比、环比分析。统计建筑整体或区域能耗的时用量、日用量和年用量，以曲线图、柱状图等不同方式显示，支持报表输出。
       图2所示的大楼由于采用冷热双效直燃溴化锂主机供冷及供暖，因此近三年耗电情况都比较平稳，夏季耗电略高于冬季及过渡季耗电。

图2 某大楼近三年逐月能耗分析

       图3所示的大楼办公区域采用变频多联机空调系统，某租户租用了15F、16F、20F三个楼层，通过EMS可以清楚地了解6～10月该客户的空调用电情况，其中夏季7、8月的耗电量明显高于其余三个月。

图3 某租户近期逐月逐层空调耗电量分析

       图4则对入住大楼的不同租户同期单位面积能耗进行评比，寻找节能潜力大的客户。

图4 某大楼内不同租户间近三月单位面积能耗对比

       图5选取某园区内两幢相似办公楼24h用电进行比较，非工作时间段内用电负荷基本平稳，但6#楼在6:00左右用电出现一个尖峰值，需查明原因；工作时间段内用电负荷逐渐增加并于中午前后升至高值；午休时间段内负荷逐渐降低并在13:00左右降至低值；下午上班后负荷逐渐升高，达到顶点后逐渐降低。

图5 某园区内2幢楼24h办公用电分析

       由上面的分析可知:通过对逐时用电负荷的分析，可以发现异常点，并掌握客户用电规律，可以在楼际间进行对比，方便了能源管理。
       图6记录了某大楼11月6日15:00到11月7日15:00间24h内的逐时用水量，包括大楼内的3个员工餐厅、2个员工浴室、卫生间及空调用水等。由图可知工作时间内用水量较大，24:00之后用水量逐渐降低，在5:00～6:00间用水量达到小值。由图6还发现，用水量小值并非为0，而理论上应该没有用水点，因此需要进一步查实是否存在漏水点，从而减少浪费，降低能耗。

图6某大楼24h用水情况分析

2.3 EEMS
       EEMS以能源管理和节能决策为目标，实时采集与能耗相关的数据和信息，通过分析、控制和管理等各种手段，优化使用能源和消除能源浪费，用更少的能源投入提供同等的能源服务。
       从国内行业的现状来看，这是把传统的建筑设备监控系统、建筑设备集成管理系统、能耗分项监测系统、EMS的基本功能合而为一，是一个以能源管理为中心的管控一体化大系统，可实现的功能如图7所示。

图7 能效管理系统可实现的功能

       EEMS实施的目的是通过智能化系统集成来实现对即有系统能源消耗的节约与改善，是一个不断循环改进的过程，应当遵循图8所示的工作流程。

图8 能效管理实施流程

       图9所示为某办公建筑某日24h的能耗数据，按照图8所示工作流程进行数据测量、收集、评估、分析、整改、再测量、再评估、再分析、再整改不断循环，取得了较好的节能效果，提高了能效。对原始数据进行评估分析，采取了一定的控制措施，图9证实按照图8的循环过程不断改进可降低能耗、提高能源使用效率。

图9 某办公楼能耗运行数据

       能效管理工作的在于根据历史能耗数据建立未来能耗需求模型，实现基于需求响应的优化控制和管理。
       日本很早开始了对能效管理平台的研究，2012年横滨市建立了综合能效管理平台。基于需求的能效管理平台实现了以下功能:
       (1)统计分析历史能耗数据，以30min为周期建立能耗与天气的模型，预测未来的能源需求量。
       (2)根据当日天气变化调整上述需求量预测值，建立能耗需求模型。
       (3)以30min为周期，实时采集当日能源使用数据。如果出现与预测模型偏离的情况，则通过与楼宇自动化系统、智能照明系统的联动控制进行干预，以期将实际消耗量控制在预测范围内。
       (4)在需要采取措施进行节电的时间段内，可以通过电子邮件或者短信方式向用户或者租户发出“节电请求”，在“节电请求”期间采取的措施有减少公共区域照明开启数量；夏季将公共区域空调设定温度升高1～2℃，冬季将公共区域空调设定温度降低1～2℃，从而减少空调系统耗电；加大绿色能源的供应量；提高“节电请求”期间电费单价，促使用户自觉节约用电。
       (5)在大型开发区、高科技园区内项目应用EEMS对园区能源使用进行整体调配，解决供需矛盾。尤其当园区内建有燃气分布式发电、太阳能、风能等新能源时，根据EEMS的预测需求量，合理制定新能源系统的运行策略，发挥新能源系统的作用，实现需求响应的控制。
       通过上述分析可知，EEMS功能更加全，在能源管理的基础上，集成众多已有的监控平台所建立的综合信息平台，来实现既监又控的目的；EEMS基于历史数据掌握能源使用规律，并指导决策，优化运行；EEMS在历史数据基础上建立控制模型，实现基于需求的科学管理；EEMS的工作流程是一个循环的闭环过程，需要不断分析、调整、检验、再分析、再调整、再检验，实现降低能耗、提高能效的目标；EEMS需要更加专业的运营维护人员参与到整个分析、决策、控制、检验过程中，以期更加有效地发挥能效管理平台的作用。
3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，并向县级以上人民管理节能工作的部门报送能源审计报告。
3.1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：

3.2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。
3.3数据上传
       安科瑞能耗在线监测系统按照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。
3.4能源计量表具选型

4结语

       随着市场应用范围的不断扩大，分项计量系统和EMS发展已经比较成熟。分项计量系统的建设基于完善的规范标准，随着IT技术的不断发展，EMS的数据分析越来越精细、图表展示越来越丰富、建筑模型越来越逼真，但是对于数据分析结果的应用还不尽如人意。例如，能耗分析的结果无法直接参与决策，无法根据历史能耗数据的分析预测今后的能耗情况。

       日本资源厅从2011年开始推进大厦EMS集成业务，利用云服务进行跨区域能源管理。截至2013年2月15日，已有接近2700栋大楼安装了大厦EMS，并且针对住宅建筑、办公及商业建筑、园区、工厂等开发有完善的解决方案。在这一方面，我国还有一定的差距，相信随着能耗监测平台的不断应用和普及，功能更加完善的能效管理平台也将得到广泛应用。

【参考文献】
[1]王坐中.建筑能耗监测系统的应用分析[J].现代建筑电气 
[2]王弘成，李鑫.能耗分项计量管理系统的应用[J].智能建筑与城市信息，2013(3):12-14．
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版