探讨大型公共建筑能耗监测与信息管理系统研究及应用

安科瑞 华楠

摘要：文章通过阐述大型公共建筑能耗现状，突出大型公共建筑实施节能监管的必要性，并在系统总结运用技术手段实施建筑能耗监测的基础上，介绍了江苏省建筑能耗监测系统研究过程中的技术创新和应用情况。

关键词：公共建筑；建筑能耗；监测；节能

0 前言

为随着我国工业化和城市化进程的加速，高速发展的建筑业以及不断扩大的建筑规模使得建筑能耗日益增长问题越来越凸显。预计到2020年，我国城市生活人口将达到总人口数的56％以上，建筑能耗的大幅度增加将不可避免。目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的3大“耗能大户”。在建筑能耗中，国家机关办公建筑和大型公共建筑高耗能的问题日益突出， 共性问题是能耗总量大、增长速度快、能耗指标高、终端用能设备总体能效水平低等。据统计，国家机关办公建筑和大型公共建筑总面积不足城镇建筑总面积的4％，单位面积年耗电量达到70 kW·h～300 kW·h，为普通居民住宅的 10～20倍，占全国城镇总耗电量的22％，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.5～2 倍。因此，建立健全国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系，依托科技手段，实施全过程、全寿命监督管理，对实现节能减排战略目标具有重要的意义。作为建筑节能监管体系建设示范省，江苏省按照住房和城乡建设部的部署要求，组织开展了大型公共建筑能耗监测与信息管理系统研究，并进行了示范推广应用，取得了阶段性成效。

1 建筑节能监管与能耗监测

根据《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见》要求，住房和城乡建设部在狠抓新建建筑执行建筑节能强制性标准的同时， 明确提出要通过能耗监测、能耗统计、能源审计、能效公示、制度建设等监管措施， 促进既有高耗能国家机关办公建筑和大型公共建筑节能运行和改造。

建筑节能主要通过技术和管理2种手段来实现，技术手段主要包括建筑围护结构热工性能的提升和建筑设备系统能效的优化，管理手段主要是指建筑业主对能源消耗行为的管理和政府主管部门对建筑能源使用的约束。对于大量的既有公共建筑，技术手段涉及围护结构和设备系统改造，虽可以有效的降低建筑使用能耗，但是存在投资大、见效慢、周期长等问题；管理手段侧重于主观方面，通过人工调节和行为控制来降低建筑运行使用能耗，能耗监测就是其中投资少、见效快的主要方式。

能耗监测主要通过在建筑设备末端安装分项能耗计量装置，采用公共网络等远程传输手段，及时采集分析能耗数据，实现建筑能耗的在线监测和动态分析，是全面掌握用能状况，发现用能问题，研究用能标准和实施节能改造的重要环节。通过能耗监测，可以科学判断运行模式的合理性，判断系统能耗水平的高低，判断系统的用能合理性。尤其对于配电支路错综复杂的高能耗既有公共建筑，可以精确查找建筑高能耗环节，从而进行优化管理。能耗监测不仅有助于提供基础数据和编制分析报告，为业主指明节能管理方向；同时，对用能单位能源的消耗和使用也起到了监督和管理作用。

为进一步规范建筑能耗监测系统建设，发挥工程建设标准的科技支撑和约束引导作用，按照住房和城乡建设部及江苏省住房和城乡建设厅关于国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测工作的要求，江苏省工程建设标准《公共建筑能耗监测系统技术规程》（ DGJ32/TJ111-2010 ）对建筑用能的分类、分项、建筑能耗监测的范围以及能耗监测系统工程的设计、施工、检测、验收和运行维护的全过程提出了技术要求，以确保系统采集的能耗数据真实。规程明确要求能耗监测系统采集的数据应远程传输给省、市级建筑能耗监测数据 ，并提供给建筑所有权人、业主或其委托的物业管理单位，为制定节能政策、加强用能管理等提供科学可靠依据。

2 能耗监测与信息管理系统

目前大多数公共建筑只有总电表、总气表等为数非常少的计量表具，缺乏楼宇内部各个用能子系统的实时、分项用能数据，难以的掌握楼宇中各个子系统各自的用能现状，无法实现科学的用能管理。能耗监测最初起源于分项计量设想的提出，好比医生通过仪器对病人进行科学性诊断，查找“病症”所在部位，实施针对性的“治疗”。2006 年北京市率先开展了国家机关办公建筑和大型公共建筑分项用电计量项目研究，并初步实现了分项用电数据稳定持续的获取、传输、存储和分析，这即是最初的建筑能耗监测系统。江苏省自2007年开展能耗监测调研与研究，并于2008年起实施能耗监测项目试点，依托省级建筑节能专项引导资金落实了分项计量工程项目和数据 建设。

监测建筑能耗数据展示可为建筑业主等单位提供建筑的分类分项用能状况的统计数据，使其定量了解建筑内各部位的能源消耗情况，为指导节能运行管理、实施节能改造等工作提供技术保障。为实现能耗监测平台对建筑用能横向对比发现问题、纵向挖掘节能潜力的建设目的，江苏省依据国家有关技术导则要求，结合工作实际，自行研发了能耗监测与信息管理系统，并在以下3方面进行了技术集成创新。

2.1 基于Flex技术大型公建能耗监测平台的开发方法

目前关于能耗监测应用软件的开发传统主要采用net技术和J2EE技术，实现的功能侧重于能耗数据的查询与展示。但建筑耗能与很多因素有关，如建筑物的形状、面积、朝向、层数等多种因素有关，同时也与建筑物的空间环境相关。传统的开发方法很难描述建筑物的空间环境、建筑物的构造特点等与建筑自身属性相关的问题，且传统的开发方法基于查询驱动，系统模式简单，信息量不足，与用户交互性较差。

针对传统方法较难描述建筑物空间属性和信息量不足的缺陷，本系统采用Flex技术开发能耗监测与信息管理系统软件，结合三维（3D）仿真地理地图对建筑空间属性进行描述，将能耗数据与建筑的3D地理信息相结合，直观展现建筑的能源消耗情况。通过对建筑区域建立3D仿真地理地图，并将3D仿真地理地图进行切割成分级瓦片地图数据，再基于 Flex 环境开发地图显示程序组件，动态调用分级瓦片地图，实现轻量级的3D地图服务功能，并将地图坐标信息与建筑的能耗统计信息进行有机融合，通过地图缩放实现以不同粒度动态查询及比对多个建筑的能耗分析统计信息。

2.2 建筑支路异常能耗诊断技术

建筑支路异常能耗可能造成能源浪费，也可能造成安全事故，建筑支路异常用能预警是一项重要的节能服务内容。建筑海量的能耗数据隐藏着大量的用能特征信息，通过对历史能耗数据进行信息挖掘，对异常用能情况进行捕捉，及时给出预警信息。建筑支路异常能耗分析传统上借助一些数学方法，如统计法、偏差法、密度法等，较多地从数学的角度考虑算法，并不能反映建筑支路异常能耗数据产生的原因，这些算法只是在少数研究人员中进行研究，缺乏广泛的应用价值。建筑支路异常能耗诊断技术克服了现有技术

中的不足， 提出了一种基于自组织映射网络的建筑异常能耗支路的在线诊断方法。通过该诊断技术，实现自适应的检测模型，自动在线监测建筑各能耗支路的用能情况，当异常特征发生时，及时给出预警信息。

2.3 智能楼宇中海量信息的压缩方法

由于建筑能耗监测与信息管理系统实时接收来自监测建筑的能耗信息，监测的数据点多，而采集的时间又相对较短，因而要保存的历史数据量非常大，如果将这些数据直接存储，不仅会占用大量的系统存储空间，而且会降低数据的实时性，使数据的传输、查询和分析变得困难。 本系统针对建筑能耗数据的特殊性，考虑不同特性数据点的需求，研究了一种智能楼宇中海量能耗信息的压缩方法，即采用多级压缩策略与自控精度SDT数据压缩算法。利用开放性的记录方式给予系统配置以的自由度， 有效地过滤冗余数据。利用数据平滑方法对数据序列中强噪声点进行处理，使得处理后的数据能接近被测参数的实际值， 降低了传感器的测量精度误差给数据处理带来的影响。数据处理过程中采用了周期跨度的保存方式，具有很高的压缩比，与内存数据库中的缓存结构设计相结合，使得压缩方法与结构设计相得益彰。

3 系统应用

江苏省建筑能耗监测与信息管理系统具备各种建筑能耗实时分类/分项计量、数据采集与存贮、数据统计与分析、数据发布与远传等基本功能，已先后应用在南京、无锡、常州、苏州等市级监测 ，实现了对辖区内大型公共建筑能耗动态监测的目标。系统可展示三个主要页面：建筑信息配置页面、建筑能耗统计查询页面和实时监测页面。其中：建筑能耗查询页面包括各类日常工作的数据报表，以及对应不同度量值不同展示维度的数据图表。数据报表主要包括建筑物、区域用能情况的日报表、月报表、年报表等，数据图表主要包括数据曲线图、饼图、柱状图等，直观反映和对比各项采集数据和统计数据的数值、趋势和分布情况。此外，省级建筑节能监测 除负责省属大型公共建筑动态监测外，发挥桥梁纽带作用，承担向 级建筑能耗数据 上传数据任务。

从2008年起，江苏省实施的建筑能耗监测系统一期工程中要对8大类、798万m2公共建筑能耗进行在线动态监测，其中：办公建筑73幢、商场建筑19幢、宾馆建筑21幢、教育建筑73幢、医疗卫生建筑18幢、体育建筑7幢、综合建筑7幢、其他建筑21幢。运行以来，系统稳定可靠，功能齐全，为加强用能监管管理提供了科学数据和技术支撑，获得了良好的经济效益和社会效益。目前，已对数据传输长期稳定、可靠、连续的部分监测建筑开展用能诊断分析，科学查找用能存在问题，提出改进措施，进一步发挥能耗监测的作用。

4 工程案例分析

某栋4层商用写字楼，底层商业用房尚未使用，2至4层为办公用房。该楼宇安装电能表分别计量照明、空调、机房、厨房等8个回路的用电情况，并实现了远程动态监测。其中：各楼层的照明插座用电，包括办公室的照明、办公设备等；各楼层的空调用电是 空调机的能耗；机房内主要耗能设备是计算机网络设备和 空调；厨房餐厅支路包括2楼厨房的设备用电、2楼餐厅的空调用电等。

 

图1 4月至11月各层照明插座用电比较

从图1可知，总体上该楼照明插座用电的变化规律相同，符合工作人员作息时间一致的现状；4楼工作人员较多，日用照明插座负荷相对较高，监测结果对此予以验证；2楼计量的面积较少，故能耗较3、4楼也较少。

从图2可知，各层空调用电基本规律相同，7 、8月份是空调用电的高峰期。3楼与2楼的空调用电基本相同，但考虑到2楼的计量面积较少，故2楼的单位面积空调用电较高。4楼空调用电夏季使用较多，符合其人数较多的现状，而进入11月份其空调用电较2、3楼低，可能与其工作人员中占多数的年轻人对低温适应能力较强而未开启空调有关，见图 2 。

 

图 2 各层空调用电比较

图 3 所示为机房用电情况趋势图，从图中可知机房用电比较规律，日用电在300 kW·h 左右，用电基本在12.5 kW·h左右，起伏很小。这与机房内各类设备24h全天候工作情况相符。机房内各类计算机网络设备工作状态下的能耗基本不变， 空调的工作能耗与气温情况关系不大。

 

图 3 机房用电情况          图 4 厨房餐厅用电情况

该楼宇厨房餐厅主要为办公人员准备午餐，其工作时间是周一至周五的早8时到14时左右。从图4可知，厨房餐厅的用电基本符合其工作规律，4个波谷对应的正是当月的4个双休日；这一用电支路还包括1 楼大厅的用电，故14时之后还有物业的接待与值班人员活动的用电能耗。根据能耗动态监测结果和现场调查分析，可以得知该楼宇用电基本正常，未发现较大异常用电现象。

5安科瑞 用能单位能耗在线监测系统

5.1.系统概述

工业能耗在线监测系统是一个集成Intranet/Internet网络技术、GPRS无线传输技术、Web Service软件技术、数据库技术等于一体的大型数据综合管理系统。系统为管理者、各级能耗内部用户、浏览者提供了一个访问的网络通道，搭建了一个合理、高效的信息传输平台和管理平台。工业能耗在线监测系统的开发应用为政府管理部门、企业生产管理、计量管理、节能管理提高到一个新的高度，是我们对节能减排、节能降耗实现的一种行之有效的解决方案。

能源组成及监测内容：

 

图5能源组成

 

 

图6监测内容

用电类：采集采暖、锅炉、空调、制冷、照明、办公、电梯、水泵、风机、通风机等耗电设备的用电信息。主要监测其用电量，对于大耗电设备监测其电流、电压及功率因数等信息。

配电类：采集6kv/10kv配电开关设备、变压器，状态信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能质量、电能量等。

用水：自来水和蒸汽；采集具有485通讯功能的智能热量表、蒸汽流量计、水表等；

用气：煤气、天然气；采集具有485通讯功能燃气表；

环境参数：采集具有485通讯功能的温度/湿度计；采暖空调供回水温度；

5.2.系统框架

 

图7系统框架

(1)能源消费管理系统：该系统可以对 用能企业煤、电、油、气、热、水等能源和耗能工质进行定期录入和实时采集，并将收集到的能耗数据进行整理存储，为汇总分析和上报作数据支持。

(2)能源利用状况信息报送系统

 用能企业可通过该系统将企业本年度的《能源利用状况报告》，报送至市节能监察 ，经初审核后，上传至省节能监察总队审核，而后上报国家有关部门。

(3)单位能耗水平识别评价系统

利用 用能单位能耗数据，对企业用能状况进行分析评价，查找问题。为政府节能管理部门掌握、分析信息和研究节能改造并制定相关政策措施提供科学的依据和平台。

(4)决策服务和专家咨询服务系统

系统提供直观、简明、快捷的数据信息查询和决策支持服务。对 用能企业的能耗进行科学、合理的咨询指导，帮助 用能企业做出及时、正确、可行、有效的解决方案。

(5)能耗预测、能源安全预警系统

通过系统全面掌握 用能企业能源购置、使用、消耗及生产情况，对企业的用能情况进行综合的评判和分析，对比同期值和限定值，对能耗超标情况予以预警提示。

在全面获取能源使用的基础上，进行数据挖掘分析，实现能耗的预测分析功能，为政府相关部门的宏观决策提供支撑体系。

(6)节能监察及信息发布、法律法规知识培训系统：

通过该系统平台，可对省 耗能企业做全面节能监察工作；发布节能法律法规标准以及能源基础知识、能源统计知识、节能监测方法等资料；处理日常节能管理工作相关的公文、通知、公告等。

5.3.系统网络结构

系统把数据信息从各个企业的能源监控 采集到后台的数据库系统，经分析与处理，提供分析预测和预警功能。同时通过门户网站、无线终端等手段为省、市领导以及相关委办局提供了多方位、可视化的便捷服务。

 

图8系统结构

5.4.能耗监测系统产品选型

6 结语

建立健全大型公共建筑节能监管体系建设，实现公共建筑能耗的可计量、可监测、可分析、可诊断，逐步推进高耗能公共建筑的节能改造，实现公共建筑和大型公共建筑单位面积能耗分别下降10%和15%，是“十二”期间公共建筑节能工作总目标。

开展建筑能耗监测管理，为建筑业主提供有效的建筑能耗数据，有助于管理者了解建筑用能状况，有助于强化建筑运行管理措施，有助于提高建筑能源利用效率，是建筑节能监管不可或缺的重要科技支撑。

【参考文献】

[1] 路宏伟.大型公共建筑能耗监测与信息管理系统研究及应用

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.