摘要：目前全世界建筑物能源消耗占全社會能源消耗總量的40%，是工業(yè)能耗的1.5倍，要想實現(xiàn)全球氣候目標，減少建筑物能耗是最為關鍵的因素。本文對我國建筑物耗能現(xiàn)狀做了簡要分析，同時對基于力控軟件平臺的建筑物耗能管理系統(tǒng)平臺做了詳盡介紹。
1 引言
2009年世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會發(fā)布一份名為《行業(yè)轉(zhuǎn)型：建筑物能源效率》的報告認為，到2050年，使建筑物的能源使用量減少60%是實現(xiàn)全球氣候目標的關鍵。通過大規(guī)模運用節(jié)能技術，到2050年建筑物可節(jié)約的能源總量相當于全球運輸業(yè)目前所使用的能源總量。
2 現(xiàn)狀
隨著我國城市化進程的加速，預計到2020年，全國的城市生活人口數(shù)量將達到總?cè)丝跀?shù)量的一半以上。相應的建筑物和配套設施也將成倍增加，因此建筑能耗的大幅增加將不可避免。
目前建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國三大“耗能大戶”。我國每年竣工建筑面積約為20億m2,其中公共建筑約有4億m2。2萬m2以上的大型公共建筑面積占城鎮(zhèn)建筑面積的比例不到4%，但是能耗卻占到建筑能耗的20%以上，其中單位面積耗電量更是普通民宅的10到15倍。在公共建筑（特別是大型商場、高檔旅館酒店、高檔辦公樓等）的全年能耗中，大約50%~60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)，20%~30%用于照明。根據(jù)測算，如果不采取有力措施，到2020年中國建筑能耗是現(xiàn)在的3倍以上。因此，做好大型公共建筑的節(jié)能管理工作，對實現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排規(guī)劃目標具有重要意義。
3 BAS系統(tǒng)（Building Automation System）
智能建筑的能耗管理主要是由建筑設備管理系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）來實現(xiàn)的。BAS系統(tǒng)可以對建筑物或建筑群內(nèi)的電力、照明、空調(diào)、給排水、消防、運輸、保安、車庫管理等設備進行最優(yōu)化的管理，從而達到節(jié)能的目的。根據(jù)國外工程經(jīng)驗，建筑設備管理系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）可為新的辦公大樓節(jié)能20%左右。
樓宇自動化系統(tǒng)通過對建筑（群）的各種設備實施綜合自動化監(jiān)控與管理，為業(yè)主和用戶提供安全、舒適、便捷高效的工作與生活環(huán)境，并使整個系統(tǒng)和其中的各種涉別處在最佳的工作狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的現(xiàn)代化、信息化和智能化。
4 建筑物節(jié)能系統(tǒng)架構設計
建筑按能耗可以分為居住建筑和公用建筑兩種。其中公用建筑：包含辦公建筑、商業(yè)建筑、旅游建筑、科教文衛(wèi)建筑、通信建筑，以及交通運輸用房等。對于大型公共建筑按照如上分類，通過對用電設備的分項計量統(tǒng)計各種設備和各類建筑的耗電量。根據(jù)現(xiàn)場情況，利用計算機技術、通信技術、自控技術、通過現(xiàn)場的計量設備和數(shù)據(jù)采集器把能耗實體的實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和收集、并以標準的數(shù)據(jù)格式和封裝傳送到遠程的通訊服務器，從而為外部環(huán)境信息快速分類、統(tǒng)計、分析，為能耗分析決策層的決策提供必要的依據(jù)。把水、電、氣等原料消耗、能源消耗量和采集器、計量器的設備狀態(tài)等科學地分類，提供給管理層數(shù)據(jù)庫，從而減少人為干預，提高管理層數(shù)據(jù)庫的準確性。
建筑物節(jié)能系統(tǒng)主要采用分層分布式的網(wǎng)絡架構，可分為三層：現(xiàn)場設備層。網(wǎng)絡通信層、站控管理層。系統(tǒng)架構圖如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)架構圖
4.1 現(xiàn)場設備層
現(xiàn)場設備層主要由能耗實體設備構成，包括空調(diào)新風系統(tǒng)、用水測量系統(tǒng)、動力配電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等設備。該層主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場總線連接的分布式I/O控制器構成數(shù)據(jù)采集終端，向數(shù)據(jù)中心上傳存儲的建筑能耗數(shù)據(jù)。測量儀表擔負著最基層的數(shù)據(jù)采集任務，其監(jiān)測的能耗數(shù)據(jù)必須完整、準確并實時傳送至數(shù)據(jù)中心。圖2所示為能耗實體構成示意圖。
圖2 能耗實體構成示意圖
4.2 網(wǎng)絡通信層
考慮到整個系統(tǒng)現(xiàn)場設備眾多，接口形式多種多樣，通信協(xié)議不盡相同，如果將現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)直接匯總到站控管理層的數(shù)據(jù)中心會遇到諸多不便。因此我們在網(wǎng)絡通信層配備了力控數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關，該產(chǎn)品擁有高性能的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，具有多種通訊采集和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)約庫。可以實現(xiàn)采集多個不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)集中匯總、分類和預處理，實現(xiàn)多種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)功能。
本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)經(jīng)過采集網(wǎng)關之后，經(jīng)過交換機通過TCP/IP網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的OPC方式向站控管理層匯總。力控pFieldComm系列工業(yè)通訊網(wǎng)關采用高性能的嵌入式計算平臺，服務內(nèi)核軟件可運行于桌面操作系統(tǒng)或嵌入式操作系統(tǒng)中，是一個脫離于具體硬件設備接口的通訊服務平臺。該系統(tǒng)擁有高性能的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（原型為Unix下標準C開發(fā)），具有多種通訊采集和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)約庫�？梢詫崿F(xiàn)采集多個不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)集中匯總、分類和預處理，可以簡化系統(tǒng)中異種協(xié)議的轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)過程，異種協(xié)議容易接入并可轉(zhuǎn)換為標準協(xié)議（如OPC方式）與其它系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。
該設備支持對多個上級調(diào)度平臺系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與上傳，可作為分布式數(shù)據(jù)采集裝置、工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關、電力通訊服務器或通訊前置機等使用。同時實現(xiàn)了多個互聯(lián)子系統(tǒng)之間的物理級安全隔離，同時結合了軟件和網(wǎng)絡安全技術、遠程組態(tài)技術，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定、易于使用和維護。
4.3 站控管理層
站控管理層是人機交互的直接窗口，直接面對能耗監(jiān)控中心的工作人員，也是整個系統(tǒng)的最核心部分。
系統(tǒng)平臺軟件配備新一代力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl產(chǎn)品，可以構成先進的、分布式冗余、容錯架構。產(chǎn)品采用分布式組件設計，保證了軟件的可“伸縮性”非常強，適應了“e”時代的要求，同時ForceControl具備強大穩(wěn)定的數(shù)據(jù)內(nèi)核，內(nèi)置的軟件自診斷功能方便構造穩(wěn)定的監(jiān)控系統(tǒng)，使大型SCADA調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的安全性得到了充分的保障。監(jiān)控平臺具有良好的人機交互界面，對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息計算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運行狀況。
為了便于日后的數(shù)據(jù)匯總分析，以及歷史數(shù)據(jù)存儲，單獨配備力控pSpace實時歷史數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)平臺，并且搭建關系數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)與關系數(shù)據(jù)庫的實時轉(zhuǎn)儲。力控企業(yè)級實時歷史數(shù)據(jù)庫pSpace是一個高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性強、跨網(wǎng)絡系統(tǒng)的開放式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。產(chǎn)品為完全的分布式結構，可任意組建應用模式，支持C/S和B/S應用�？蓪崿F(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的海量存儲，靈活的擴展結構可滿足各種需求。
5 建筑物節(jié)能系統(tǒng)功能介紹
5.1 數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示
數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示是整個系統(tǒng)的基礎，主要包括各個能耗實體的運行數(shù)據(jù)，環(huán)境參數(shù)，設備運行狀態(tài)等。能耗監(jiān)控中心的工作人員可隨時了解整個建筑的用電量、用水量等能耗數(shù)據(jù)，并且及時通過現(xiàn)場畫面了解各設備工作狀態(tài)。圖3所示為空調(diào)系統(tǒng)能耗示意圖，圖4所示為總能耗示意圖。
圖3 空調(diào)系統(tǒng)能耗示意圖
圖4 總能耗示意圖
5.2 數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計
力控軟件平臺根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，可通過曲線、餅圖、棒圖等形式，對建筑物的分項能耗數(shù)據(jù)進行分析比對。工作人員可查看某時間段內(nèi)的分類或分項數(shù)據(jù)，便于互相比較。同時力控軟件平臺強大的報表功能，為能耗分析提供了真實、可靠的數(shù)據(jù)來源。圖5所示為分項能耗月對比柱狀圖，圖6所示為動力能耗實時比例餅狀圖。
圖5 分項能耗月對比柱狀圖
圖6 動力能耗實時比例餅狀圖
5.3 WEB發(fā)布、遠程瀏覽
整個系統(tǒng)支持B/S網(wǎng)絡架構，力控軟件平臺具備網(wǎng)絡發(fā)布功能，可將現(xiàn)場畫面通過Internet互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程發(fā)布。遠程客戶只要具備上網(wǎng)條件在任何一個地方都能隨時了解現(xiàn)場運行狀況，實時對能耗實體進行遠程監(jiān)控。
5.4 強大的報警事件、用戶管理功能
強大的分布式報警系統(tǒng)具備報警存儲、統(tǒng)計、分析、顯示、查詢、事件觸發(fā)、打印等多種功能。當出現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)超限的情況下支持以多媒體語音、視頻、文本語音轉(zhuǎn)換、郵件和短信等實時方式的將報警信息及時傳送給工作人員。
力控軟件平臺特有的事件組件可詳細記錄工作人員的操作記錄，并且可對發(fā)生事故時的數(shù)據(jù)進行定位和分析，記錄事故發(fā)生時的操作記錄，為事故處理提供了真實的依據(jù)。
同時力控軟件平臺提供完備的安全保護機制，以保證運行過程的安全可靠，力控的用戶管理具備多個級別，并可根據(jù)級別限制對重要系統(tǒng)參數(shù)的修改，以有效避免運行過程中的誤操作。
6 總結
通過力控軟件平臺搭建的建筑物節(jié)能系統(tǒng)，利用計算機技術、通信技術和自控技術，實現(xiàn)了對建筑物能耗的分項計量，為做好節(jié)能減排工作，實施能源消耗的統(tǒng)計監(jiān)測，落實責任，打下了堅實的基礎。
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