哈爾濱某高校建筑能耗管理系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用

王硯玲，楊志輝，王 芳，張新全

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2. 哈爾濱學(xué)院 基建處，哈爾濱150086；3. 哈爾濱學(xué)院 工學(xué)院，哈爾濱150086)

哈爾濱某高校建筑能耗管理系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用

王硯玲1，楊志輝2，王 芳1，張新全3

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2. 哈爾濱學(xué)院 基建處，哈爾濱150086；3. 哈爾濱學(xué)院 工學(xué)院，哈爾濱150086)

本項(xiàng)目依托哈爾濱學(xué)院的電能計(jì)量管理系統(tǒng)、給水計(jì)量監(jiān)管系統(tǒng)以及供熱計(jì)量管理系統(tǒng)等基礎(chǔ)平臺(tái)，制訂了高等學(xué)校建筑能耗綜合管理系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用的總體框架和方案，該系統(tǒng)可以對校園建筑的各種用能情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)能耗、進(jìn)行能效分析，并可以對系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和故障診斷等應(yīng)用研究，達(dá)到數(shù)據(jù)可視化、分析圖表化、能耗指標(biāo)化、管理數(shù)字化、消費(fèi)合理化，為實(shí)現(xiàn)長效有序校園節(jié)能管理，建設(shè)節(jié)約型校園提供可靠的數(shù)據(jù)支撐.

建筑能耗管理；電能計(jì)量；給水計(jì)量；供熱計(jì)量；節(jié)約型校園

我國高度重視節(jié)能減排工作，在十六屆五中全會(huì)上確定了加快建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的重大決定，標(biāo)志著我國全面開始實(shí)施節(jié)能減排工作.在創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)的背景下，為有序而全面地推進(jìn)校園節(jié)能減排的工作，教育部于2007年發(fā)出《教育部關(guān)于開展節(jié)能減排學(xué)校行動(dòng)的通知》，標(biāo)志著高校校園建筑節(jié)能減排工作全面開始實(shí)施.近些年節(jié)能減排成為全國校園建設(shè)的一大主題.高校能耗計(jì)量及其管理的研究，是降低高校能耗、建設(shè)節(jié)約型校園的關(guān)鍵基礎(chǔ).

高等學(xué)校建筑規(guī)模大、人員密集，屬于大型公共建筑，能源消耗大，節(jié)約型校園建設(shè)意義重大.建設(shè)節(jié)約型校園建筑節(jié)能監(jiān)管體系能夠?qū)ㄖ芎膶?shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測、能耗統(tǒng)計(jì)、能源審計(jì)、能效公示、用能結(jié)算，加強(qiáng)用能管理，實(shí)施節(jié)能改造，落實(shí)新建建筑物節(jié)能規(guī)劃與建設(shè)，推進(jìn)大學(xué)節(jié)約型校園建設(shè)各項(xiàng)工作，為全面推進(jìn)我國高等學(xué)校節(jié)約型校園建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)，為促進(jìn)建筑節(jié)能、創(chuàng)建節(jié)約型和諧社會(huì)、落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀提供有力的支持[1].

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則，建成后的學(xué)校建筑節(jié)能監(jiān)管體系以綜合能耗(水、電、熱等)遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對全校建筑物用能數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析與統(tǒng)計(jì)，根據(jù)校園建筑用能特點(diǎn)，為高校用能分類、分層次能耗定額制定提供數(shù)據(jù)支撐；總結(jié)高等學(xué)校的普遍用能規(guī)律，為高校建設(shè)、管理、改造提供管理經(jīng)驗(yàn)；通過數(shù)據(jù)整理和分析，為新時(shí)期國家開展建筑節(jié)能研究、規(guī)劃設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)資料.

1 建筑能耗管理系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)及應(yīng)用框架

哈爾濱學(xué)院是哈爾濱市屬唯一一所全日制普通本科高等院校，學(xué)校占地面積64.9×104m2，建筑面積44.7×104m2，擁有教學(xué)樓、辦公樓、體育館、運(yùn)動(dòng)場、圖書館、教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室等教學(xué)設(shè)施，全日制在校生11 000余人，教職工1 200余人.

為保障數(shù)字化、節(jié)約型校園建設(shè)的順利實(shí)施，哈爾濱學(xué)院將建筑節(jié)能工作納入學(xué)校整體規(guī)劃，在哈爾濱市政府的大力支持和國家配套節(jié)能改造專項(xiàng)資金的資助下，集成先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳感和采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)了建筑能耗監(jiān)管綜合平臺(tái)[2]，高校建筑能耗管理系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括設(shè)備層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)平臺(tái)層、開放接口層、應(yīng)用系統(tǒng)層和交互層.采用此能耗管理系統(tǒng)可對哈爾濱學(xué)院的幾十棟校園建筑進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集，從而進(jìn)行能耗監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)、分析、診斷，為全面實(shí)施校園能耗管理[3]的可視化監(jiān)測、數(shù)字化管理、定額管理、量化評(píng)價(jià)等提供了強(qiáng)有力的支撐平臺(tái).建筑能耗管理系統(tǒng)平臺(tái)從2014年開始建設(shè)，現(xiàn)水、電、供熱等初期工程已經(jīng)建設(shè)完畢并開始正式運(yùn)行，運(yùn)行效果良好.

注：圖中實(shí)線框表示已實(shí)現(xiàn)功能；虛線框表示尚未實(shí)現(xiàn)的規(guī)劃設(shè)計(jì)；……表示系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的、以后可以加入的擴(kuò)展功能圖1 高校建筑能耗管理系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

2 高校建筑能源管理系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用的總體框架和實(shí)現(xiàn)功能

哈爾濱學(xué)院建筑能源監(jiān)管綜合服務(wù)平臺(tái)近、遠(yuǎn)期規(guī)劃主要包含如下若干子系統(tǒng)[4]，該平臺(tái)應(yīng)用的總體框架和實(shí)現(xiàn)功能如圖2所示.

高校建筑能耗管理平臺(tái)的各系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1)建筑電能計(jì)量管理系統(tǒng)

建筑電能監(jiān)測管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用電管理、費(fèi)用結(jié)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、指標(biāo)執(zhí)行情況監(jiān)督等多項(xiàng)功能.主要用于為各樓宇及用電部門進(jìn)行電能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)的分析對比，為實(shí)現(xiàn)各部門用電的量化管理提供了必備基礎(chǔ)條件.

圖2 高校建筑能耗管理平臺(tái)應(yīng)用的總體框架

2)建筑給水計(jì)量監(jiān)管系統(tǒng)

給水計(jì)量監(jiān)測管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集用水管網(wǎng)各部位的積算水量，供控制中心及有關(guān)部門分析和制定指標(biāo)決策使用.還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)，為故障檢修爭取時(shí)間并最大限度的減少浪費(fèi).提高水資源使用效率和用水管理水平，從而實(shí)現(xiàn)給水管理的信息化、現(xiàn)代化.

3)建筑供熱計(jì)量管理系統(tǒng)

基于溫度面積法的供熱計(jì)量管理系統(tǒng)，具有計(jì)量、系統(tǒng)管理兩大功能[5].系統(tǒng)由計(jì)量系統(tǒng)和遠(yuǎn)程終端管理系統(tǒng)組成.可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測每棟樓供熱的即時(shí)數(shù)據(jù)，如采暖房間溫度、供水、回水溫度等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)分析，為供熱管理部門的科學(xué)供熱管理提供依據(jù).

4)網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)采用基于校園網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信與數(shù)據(jù)采集技術(shù)，結(jié)合內(nèi)嵌加密通信協(xié)議的智能預(yù)付費(fèi)水、電表.該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)操作，實(shí)時(shí)計(jì)量監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)售退、實(shí)時(shí)通斷，有效地解決了收費(fèi)難的問題，并對用戶節(jié)約用水、用電起到促進(jìn)作用.

5)能效綜合分析系統(tǒng)

經(jīng)過大量基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù)的積累后，通過能效綜合分析系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)提取與模型化處理，可進(jìn)一步結(jié)合氣候變化等因素，實(shí)現(xiàn)能源指標(biāo)的合理度評(píng)價(jià)、能耗走勢的科學(xué)預(yù)測.該系統(tǒng)的應(yīng)用，將為節(jié)能管理中長期部署提供專家化的決策支持，為減少碳排放，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展提供全面的信息支撐.

6)能源計(jì)劃管理系統(tǒng)

主要用于為校內(nèi)各樓宇及用能部門分配月度、季度、年度用能計(jì)劃指標(biāo)，并以分配的指標(biāo)作為能耗使用情況超標(biāo)預(yù)警、用能考核及獎(jiǎng)懲的依據(jù).其中能耗數(shù)據(jù)模擬預(yù)測可實(shí)現(xiàn)功能：根據(jù)往期能源計(jì)劃指標(biāo)完成情況及增長數(shù)據(jù)，模擬生成當(dāng)期及未來能耗指標(biāo)預(yù)測數(shù)據(jù)，為管理層提供決策支持.

7)能耗公示系統(tǒng)

能耗公示分為社會(huì)公示和校園內(nèi)部公示兩部分.提供單位的用能情況診斷信息；針對建筑、設(shè)備、部門等的用能情況評(píng)估.針對單體建筑單位面積能耗量、分類能耗量、人均能耗量等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)管，動(dòng)態(tài)展示能耗排名、能耗成本排名等；提供能耗成本、年度節(jié)能率等報(bào)告[6].公示單位內(nèi)部能耗情況及排名，以及本年度和上年度的能耗對比信息.

3 用水、用電能耗監(jiān)測與分析

3.1用水、用電能耗監(jiān)測

針對哈爾濱學(xué)院的建筑實(shí)際情況，對具備設(shè)備安裝條件的17幢建筑樓宇進(jìn)行水、電能耗監(jiān)測，并完成每棟樓宇的用水量、用電量總計(jì)量，對具備分類分項(xiàng)條件的樓宇進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量.水、電能耗監(jiān)測的建筑類型包括：教學(xué)樓、食堂、學(xué)生公寓、行政樓、圖書館、后勤樓、鍋爐房、變電所等.該系統(tǒng)于2014年12月開始試運(yùn)行.

圖3(A)、(B)分別是某學(xué)生公寓2015年6月25日～6月27日3 d(分別是星期四、星期五、星期六)的照明插座逐時(shí)用電量和逐時(shí)用水量變化柱狀圖.工作日6月25和26日和星期六27日的日用電量和日用水量均差別不大，3 d平均的照明插座日用電量為77.0 kW·h；3 d平均的日用水量為34.4 m3.

圖3 某學(xué)生公寓2015.6.25～2015.6.27分項(xiàng)用能監(jiān)測(春季學(xué)期)

圖4(A)、(B)分別是某學(xué)生公寓2015年8月6日～8月8日3 d(分別是星期四、星期五、星期六)的照明插座逐時(shí)用電量和逐時(shí)用水量變化柱狀圖.此三天是暑假期間，3 d平均的照明插座日用電量為32.1 kW·h；3 d平均的日用水量為5.54 m3.與圖3中2015年6月25日～6月27日3 d的用電量和用水量相比，分別減少58.3%和83.4%.

圖4 某學(xué)生公寓2015.8.6～2015.8.8分項(xiàng)用能監(jiān)測(暑假)

3.2用水、用電能耗對比分析

能耗管理系統(tǒng)可以對各建筑分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行同比、環(huán)比對比分析[7].圖5、6分別為行政樓從2014年12月～2016年4月的月用電量和月用水量對比圖.對比分析圖中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，2016年3月和2015年3月相比，用水量和用電量分別減少39.3%和19.4%，兩年的4月份節(jié)能率與3月份類似.經(jīng)過調(diào)研，行政樓節(jié)電主要是因?yàn)椴捎昧诵滦偷腖ED節(jié)能燈具.學(xué)校正在對各棟樓的燈具陸續(xù)進(jìn)行更換.學(xué)校后勤維修部門對系統(tǒng)監(jiān)測到的一些可能漏水點(diǎn)進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)并修復(fù)了一些漏水點(diǎn)，與往年相比，系統(tǒng)同期的用水量也有所降低.圖5、6中2015年2月和2016年1月的月用電量和月用水量都為0，是因?yàn)榉藕倨陂g沒有管理人員值班，關(guān)閉了水、電能耗管理系統(tǒng)，已向相關(guān)工作人員反映此問題，以后會(huì)有所改進(jìn).

圖5 行政樓月用電量同期對比圖

圖6 行政樓月用水量同期對比圖

4 供熱能耗監(jiān)測與分析

4.1供熱計(jì)量管理系統(tǒng)組成及在線監(jiān)測

供熱計(jì)量管理系統(tǒng)應(yīng)用在哈爾濱學(xué)院的17幢教師住宅中，供熱計(jì)量的總建筑面積為197 241 m2.該系統(tǒng)從2015年10月中旬開始調(diào)試運(yùn)行.

供熱計(jì)量管理系統(tǒng)平臺(tái)可實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)可晝夜監(jiān)控記錄各用戶的情況并實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù).在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)管理員通過計(jì)算機(jī)界面顯示數(shù)據(jù)，可以直觀地觀察所有用戶熱能使用量、繳費(fèi)信息、室內(nèi)溫度等系統(tǒng)運(yùn)行中的相關(guān)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生異常情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提供警告信息，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測和管理[8].

供熱計(jì)量管理系統(tǒng)由測溫、計(jì)量系統(tǒng)和遠(yuǎn)程終端管理系統(tǒng)兩部分組成.

測溫、計(jì)量系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn)如下：

1)在每個(gè)單元高、低供熱區(qū)的熱入口安裝熱計(jì)量表，計(jì)量該區(qū)域的采暖耗熱量；

2)在每戶的代表房間安裝溫度傳感器，用于測量室內(nèi)溫度；

3)溫度傳感器將室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送給無線數(shù)據(jù)接收器，無線數(shù)據(jù)接收器安裝在熱用戶門外的管道井內(nèi)；

4)無線數(shù)據(jù)接收器把溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集集中器中；

5)數(shù)據(jù)采集集中器根據(jù)各個(gè)用戶的溫度數(shù)據(jù)、面積數(shù)據(jù)及供熱區(qū)熱計(jì)量表的熱能數(shù)據(jù)分?jǐn)偀崃恐?，?shí)現(xiàn)前臺(tái)分?jǐn)偅?/p>

6)數(shù)據(jù)采集集中器通過GPRS方式將數(shù)據(jù)傳至遠(yuǎn)程終端管理系統(tǒng).

遠(yuǎn)程終端管理系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)采集集中器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并遠(yuǎn)程監(jiān)測每棟樓供熱的即時(shí)數(shù)據(jù)如房間溫度、供水、回水溫度，對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)、分析和管理.

供熱計(jì)量管理系統(tǒng)還可以對各區(qū)和各戶的實(shí)時(shí)供熱情況分別進(jìn)行監(jiān)測，圖7為各區(qū)供熱監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)截圖.圖7中各列表示熱計(jì)量表編號(hào)、熱計(jì)量表通訊狀態(tài)、供暖分?jǐn)倖?dòng)時(shí)間、累計(jì)分?jǐn)偀崃俊⒐┧疁囟?、回水溫度、?shù)據(jù)接收時(shí)間等.

圖7 各區(qū)供熱監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

4.2供熱能耗分析

此供熱能耗管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對全部建筑、各樓、各單元、各區(qū)、各戶的日、月、年供熱量統(tǒng)計(jì).圖8為某幢樓低區(qū)兩個(gè)單元的日供熱量對比圖.根據(jù)基本數(shù)據(jù)可以分析采暖耗熱量指標(biāo)等數(shù)據(jù).由于供熱計(jì)量管理系統(tǒng)是從2015年10月份采暖季開始時(shí)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，系統(tǒng)調(diào)試初期數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，待以后有完整的一個(gè)或多個(gè)采暖季數(shù)據(jù)，可以對相關(guān)供熱指標(biāo)進(jìn)行深入分析.

圖8 某幢樓低區(qū)兩單元日供熱量對比圖

5 結(jié) 語

在哈爾濱學(xué)院的電能計(jì)量管理系統(tǒng)、給水計(jì)量監(jiān)管系統(tǒng)和供熱計(jì)量管理系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，建立了近期和遠(yuǎn)期的高校建筑能耗管理平臺(tái)的應(yīng)用框架和實(shí)施方案，該平臺(tái)可以對建筑的供暖、水、電等各種能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測采集，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和多維統(tǒng)計(jì)分析，改變原有經(jīng)驗(yàn)式的宏觀管理模式為精細(xì)化的數(shù)字管理模式，實(shí)現(xiàn)了高等院校建筑的合理用能及長效有序節(jié)能管理，為校園公共建筑節(jié)能工作的全面落地實(shí)施和中、長期節(jié)能規(guī)劃目標(biāo)的確定提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐.

[1] 馬金星. 節(jié)約型校園節(jié)能監(jiān)管平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與建筑能耗特性評(píng)價(jià)[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2011.

[2] 關(guān)博文.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的校園水電管理系統(tǒng)開發(fā)[D]. 吉林: 東北電力大學(xué), 2014.

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DevelopmentandapplicationofbuildingenergymanagementsysteminauniversityinHarbin

WANG Yan-ling1, YANG Zhi-hui2, WANG Fang1, ZHANG Xin-quan2

(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2. Department of Managing Construction, Harbin University, Harbin 150086, China; 3. School of Technology, Harbin University, Harbin 150086, China)

Based on the electricity metering and management system, water supply metering and supervision system, heating metering and management system in Harbin University, the framework and scheme of building energy management system platform were set up. The platform can be used to measure different energy consumptions in real time. Statistical energy consumption, energy efficiency, system evaluation and fault diagnosis of different systems can be conducted. By visualization of data, graphic analyses, indexation of energy consumption, digital management, rationalization of user consumption, the platform will surely provide reliable data support for achieving long-lasting and orderly energy efficiency management, and constructing energy-conservation oriented campus.

building energy management; electricity metering; water supply metering; heating metering; energy-conservation oriented campus

2016-11-24.

哈爾濱市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)科研項(xiàng)目

王硯玲(1972-),女，博士，講師，研究方向：建筑節(jié)能.

TU201

：A

1672-0946(2017)04-0482-06