基于智能网关的建筑能耗节能监管平台的设计

薛国剑

（太原罗克佳华工业有限公司，山西 太原 030032）

0 引 言

为深入落实科学发展观，认真落实《节约能源法》、《民用建筑节能条例》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，大力推进建筑节能，积极发展绿色建筑，努力推动科技创新，中华人民共和国住房和城乡建设部建筑节能与科技司于2010年2月10日发布2010年重点工作通知。该通知共七个方面，其中在第一条全面推进建筑节能中的第三点提到加快开展国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系建设。建立和完善能耗动态监测系统，扩大监测范围，抓紧研究制定能耗定额和超定额加价制度，积极推行合同能源管理试点示范。启动高耗能公共建筑节能改造。开展国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测平台建设。

1 系统设计原理

以“功能齐全、技术先进、经济合理、后续服务有保障”为原则，紧密结合现场调研结果，满足国家相关技术导则和标准规范，开展试点建筑能耗水耗分项计量、数据上传、本地能效管理等工作。将试点建筑末端监测系统建设成为山西省建筑节能工作科学量化评价、监督、监管技术平台，充分体现本系统在山西省乃至全国建筑能效监管平台中重要的示范和先导作用，建成后的平台应达到国内同类项目领先水平[1]。

2 系统设计

系统集成相应数据采集、传输、存储、管理、分析等各方面的应用需求。系统通过智能网关向下直接采集水、电、气、冷热量等能源计量设备的数据；向上可通过以太网或无线网络向上级能耗监管平台传输能耗数据；可满足业主及工作人员通过局域网进行操作、查询实时能耗情况，开展能耗对比、对标分析，建筑的各支路、分类、分项等能耗计算[2]。系统主要包括：分类计量分项计量系统、数据采集上传系统、网络系统、能耗监管平台等部分，见图1。

1）分类计量分项计量系统。主要对电、热、燃气、煤等能源及水进行分类计量，其中又将用电计量分为照明插座用电、空调用电、动力用电、特殊用电分别计量，结合现场实际用能情况及现有配电、计量系统，设计安装配备满足技术导则要求通讯功能的计量表具[3]，满足最大化利用现有配电及计量系统，满足经济性、适用性最优化等要求，包括设计将某些较特殊用能量采用人工上报方式进行上报的实施方案[4]。

图1 系统配置图

2）数据采集上传系统。安装专用低功耗数据采集器，按照设定采集频率、通讯协议、加密方式等对智能仪表进行实时采集。

3）网络系统。网络系统主要通过智能网关把电表的modbus协议、水表热表的M-BUS等通信协议tcp/IP协议，通过internet网络，实现数据的实时和故障恢复上传功能。Modbus、M-bus协议采用异步半双工RS485通信接口，使用低成本的屏蔽双绞线构造可靠的通信网络，实现远距离数据传输功能。见图2。

4）能耗监管平台。由数据库服务器、数据中心服务器、台能耗管理计算机、打印机、不间断电源、工业LED大屏等组成。能耗监管平台具备站点地理分布信息管理、站点各项电参数监测分析、运行数据管理等功能。能耗监管平台采用以太网或GPRS/CDMA无线网络为媒介，以数据中心为核心，实现对建筑能耗的网络化监管，能耗监管平台的网络服务器子系统、数据展示子系统、数据分析子系统，通过高速光纤交换机和普通交换机，实现数据通讯。网络服务器通过高速光纤网络实现内部通讯，大大提高了网络服务器集群的通讯速度，见图3。监测系统的最底层为智能电表和智能水表，也可接入智能热表等。对于各类能耗采集表具，智能网关通过485总线或无线通讯方式，将采集数据上传至能耗监管平台。

图2 智能网关端口图

图3 末端监测系统设计

3 系统方案设计原则

1）智能表具选取原则。需要安装仪表监测的建筑能耗种类有：用电和用水。智能表具的性能应至少满足《高建筑节能监管系统建设技术导则》的要求。需要采用人工方式定期网上上报的建筑能耗种类有：燃煤、燃油、燃气等能耗。2）数据通信方式确定原则。本方案中所有智能表具同智能网关均通过485总线连接，连接方式为有线方式。

4 重点监测建筑末端系统设计思路

1）对重点监测建筑能耗进行分类。建筑能耗监测对象有：采暖动力、锅炉房动力、空调[5]动力、照明、办公、电梯、其它用电等，还包括冷水机组、水泵、空调机组等大型耗电设备。建筑用电能耗监测系统分类计量，见图4。2）建筑用电分项计量是建筑能耗监测的重点。电能分项计量包括：电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等参数，采用监测功能的现场总线式智能电量变送器，实现建筑照明用电、空调用电、办公用电、电梯用电、锅炉房用电、其他动力用电的分项计量。3）建筑用水计量，采用具有485现场通讯功能的水表，实现建筑用水的计量；水表安装数量与位置，根据实际调研情况确定。4）其他建筑能耗信息的人工网络上报。对于建筑用气、用油、用煤等能耗信息，根据各类能耗随时间变化的特点及实时计量的难度，采用定期人工网络上报方法，按周（月）网络上报方式，实现上述能耗信息的上报和统计。

图4 建筑用电监测系统分类计量结构图

5 技术优势

1）能耗管理一体化：集成了能耗数据采集、能耗数据处理、能耗分类、分项统计，以及人均、平均建筑面积、平均空调面积等能耗指标的自动计算。2）按照建筑类型、地理区域等进行建筑的能耗排序，并自动计算能耗阶梯比例值。3）支持能耗的对比和对标分析，并且支持多套标准的建立和维护。4）数据分析采取易于理解和问题追踪的数据下钻分析法，可从宏观现象逐层分解、发现问题的根源、并确定主要问题。5）系统设计及架构先进、实用，平台化、结构化、可扩展性思想贯穿设计及开发的全流程，全面能耗对比分析，网络化能耗监管。

6 结束语

本文系统对建筑能耗进行分析、对标、预警，为能源审计、有效能源管理、建筑节能改造、节能改造效果评估，提供了有力的数据依据；并为国家建设节能型社会产生积极的影响。

[1] 杨秀，魏庆芃，江亿.建筑能耗统计方法探讨[J].建筑节能，2007，35（1）：20-23.

[2] 郭莉莉.建筑能耗及潜力[J].铁道工程学报，2006（4）：34-36.

[3] 郎四维.我国建筑节能设计标准的现状与进展[J].制冷空调与电力机械，2002，23（12）：12-23.

[4] 任妍丽.对建筑节能设计的认识[J].山西建筑,2004(20)：56-59.

[5] 丁虹.建筑节能与节能建筑的设计[J].建筑,2002(11)：32-36.