基于校園電采暖系統(tǒng)的建筑能耗分析與研究

魯曉帆，劉 田

（1.吉林建筑科技學(xué)院，長春 130114；2.啟明信息技術(shù)股份有限公司，長春 130122）

0 引言

近幾年來，北方空氣污染的嚴(yán)峻形勢(shì)讓各地政府出臺(tái)“煤改電”政策，用電采暖來代替燃煤鍋爐等傳統(tǒng)采暖。在北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）中指出，通過高效用能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低排放、低能耗的取暖方式，為此，結(jié)合我校電采暖控制系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)校園建筑能耗情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與研究，總結(jié)出現(xiàn)階段電能消耗的特點(diǎn)，并有針對(duì)性地提出電采暖節(jié)能改造建議及措施，對(duì)于“節(jié)能減排”，具有重要實(shí)際意義和研究價(jià)值。

1 校園電采暖概述

校園電采暖主要包括圖書館、公共教學(xué)樓、各學(xué)院教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、學(xué)生公寓、飲食中心、生活服務(wù)中心等7大區(qū)域共30棟建筑，一期建筑面積合計(jì)295，206㎡，折算供熱面積316，166㎡。我校一期電采暖總供熱負(fù)荷14，760kW，變壓器總?cè)萘?5，140kVA，配置總功率16MW。放射式供電至電采暖終端設(shè)備—壁掛直熱式全鋁翅片硅晶電暖器（9，920個(gè)）或埋設(shè)式地?zé)峋€纜。每個(gè)終端電采暖設(shè)備（電暖器）由自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。全校電暖器共有七種規(guī)格（1.0-2.2kW），功率可在50-100%之間調(diào)變。在各建筑物的供暖區(qū)域設(shè)置了6，683個(gè)控制箱，向控制中心遠(yuǎn)傳各供暖區(qū)域的室溫。全校電采暖系統(tǒng)由4臺(tái)電腦集中控制，按室外氣溫變化、房間溫度設(shè)定和使用需要啟動(dòng)或停止采暖設(shè)備，變頻調(diào)節(jié)供電量，以達(dá)到既滿足采暖需求又節(jié)能運(yùn)行的目的。

2 校園電采暖控制系統(tǒng)架構(gòu)

該控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的自動(dòng)控制，溫度控制范圍：0-35℃；采用智能控制技術(shù)，室溫控制精度：±1℃；電采暖供電電壓220V；單片碳晶電暖器功率1200W，每個(gè)溫控器功率調(diào)節(jié)范圍0-2400W。該控制系統(tǒng)具有3種溫度控制模式：

圖1 電采暖控制系統(tǒng)架構(gòu)

（1）遠(yuǎn)程自動(dòng)控制模式。遠(yuǎn)端將數(shù)據(jù)傳送至工控機(jī)，由它完成每個(gè)電暖器的開啟控制。

（2）遠(yuǎn)程半自動(dòng)控制模式。通過手工操作發(fā)出電采暖啟動(dòng)/停止指令，控制系統(tǒng)確認(rèn)安全后自動(dòng)運(yùn)行。

（3）本地控制。通過現(xiàn)場(chǎng)控制溫控箱，轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)室溫的調(diào)節(jié)和控制。

電采暖智能控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元、過程控制單元和監(jiān)控管理單元組成，其系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

智能溫控器與服務(wù)器之間采用RS-485總線相連，每條獨(dú)立RS-422總線為1200m，若大于此距離，可加裝中繼器。

3 電采暖控制系統(tǒng)功能

溫控器由上位機(jī)服務(wù)器端智能控制，主要功能有：新增設(shè)備、刪除設(shè)備、讀取設(shè)備ID、讀取設(shè)備信息、讀取設(shè)備名稱、設(shè)置設(shè)備名稱、設(shè)置設(shè)備時(shí)間、系統(tǒng)參數(shù)操作、時(shí)段參數(shù)操作等，其中，溫控器參數(shù)設(shè)置有如下兩大功能模塊：一是控制器系統(tǒng)參數(shù)；二是設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。

4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有：采集模塊安裝、組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集Agent、數(shù)據(jù)處理。通過485總線組網(wǎng)，采集模塊采集建筑能耗數(shù)據(jù)，最后通過WIFI 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)紸gent，Agent 分為Server，Client，Console，通過計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)連接。數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

5 建筑能耗分析與研究

通過數(shù)據(jù)采集獲取25棟建筑能耗數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行抽取、清洗，存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)。通過可視化分析工具，實(shí)現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀的數(shù)據(jù)瀏覽、查詢與分析功能。

5.1 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化是指將大型數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)以圖形圖像形式表示，并利用數(shù)據(jù)分析和開發(fā)工具發(fā)現(xiàn)其中未知信息的處理過程。

本文通過Cognos 業(yè)務(wù)智能報(bào)表工具，對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化操作，以餅形圖、柱形圖及曲線更加直觀、清晰地展示7大類25棟建筑的全年能耗情況及采暖期內(nèi)電采暖能耗情況。

5.2 建筑能耗分析

通過餅形圖更加直觀的展示校園25棟建筑在采暖期內(nèi)的能耗所占比例及采暖內(nèi)的每月能耗總量，如圖2所示。

圖2 25棟建筑采暖能耗分析圖

其中，12 棟學(xué)生公寓占總能耗51.43%；體育館、圖書館、公共教學(xué)樓A 該3 棟建筑，能耗分別占8.16%、7.82%、6.62%，占總能耗22.6%。通過數(shù)據(jù)分析，學(xué)生公寓采暖能耗占一半以上，因此，在學(xué)生的上課期間，結(jié)合當(dāng)日天氣，可以適當(dāng)調(diào)整學(xué)生公寓采暖智能設(shè)備，優(yōu)化供暖時(shí)段，如：上午9：00-11：00，下午13：00-16：00，有效合理利用資源。

通過數(shù)據(jù)可視化操作，更能直觀的反映各建筑的能耗情況，方便對(duì)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3所示，11月份7大類建筑能耗分析圖；以及用折線分析教學(xué)樓全年12月能耗分布情況，由于冬季采暖期主要耗電量集中分布于10月、11月、12月，且逐月上升，12月明顯增加，總能耗257，732.84kW·h。

圖3 7大類建筑能耗分析圖

數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)采暖能耗，并進(jìn)行逐年、逐月、逐日匯總，并繪制當(dāng)日能耗折線圖如圖4所示。能耗主要分布工作日內(nèi)，周末能耗明顯下降，由于大部分學(xué)生周末沒有課程，智能控制設(shè)備，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，降低能耗，有效利用資源。

圖4 11月份電氣信息館電采暖能耗分析折線圖

6 結(jié)束語

本文主要介紹了校園電采暖控制系統(tǒng)平臺(tái)的架構(gòu)及功能，簡要介紹數(shù)據(jù)采集一般方法和體系結(jié)構(gòu)等方面內(nèi)容，利用電采暖控制系統(tǒng)平臺(tái)及校園建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，采集校園25棟建筑全年能耗及采暖期內(nèi)建筑能耗，通過Cognos 業(yè)務(wù)智能報(bào)表工具，數(shù)據(jù)可視化操作，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)了從宏觀到微觀的數(shù)據(jù)瀏覽、查詢與分析功能。通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以有效利用電采暖智能控制設(shè)備，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，降低能耗，合理有效利用資源。為后續(xù)的校園建筑能耗監(jiān)測(cè)可視化平臺(tái)搭建及能耗優(yōu)化方案設(shè)計(jì)等提供一定的理論基礎(chǔ)。當(dāng)然，在很多方面還需要深入研究，例如，大數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、數(shù)據(jù)挖掘等需要進(jìn)一步分析和研究。