高校建筑节能监测实训系统的设计

　　建筑节能已成为国家的基本国法，建筑节能监测也已成为国家各级政府落实建筑节能减排目标的重要抓手和措施。为适应社会发展的需要，响应国家政策，从实际出发，培养学生既具有专业技术技能，又懂得实际应用和良好节能习惯，本文结合本专业实验室的具体情况，以校园真实建筑为模拟对象，设计了完全符合实际应用和《高等学校校园建筑节能监管系统建设技术导则》的高校建筑节能监测实训系统。系统设计克服了节约型高校建设过程中应克服的传统能耗计费和采集缺点，提高计量精度和监测系统工作稳定性，探讨为提高校园电能管理效率减少教学各项工作中的电能消耗，降低校园电能利用方面的可能性，从而导出设计合理的建筑节能监测系统，对推动校园建筑节能具有重要现实意义。

　　1 模拟目标项目概况

　　实际模拟的高校属于我国重点高校，随着建设规模的不断增大能源消耗量非常大，主要表现在以下几个方面：首先该校园处于建设发展时期，因此每年用能量均处在不断增长中。例如，不断改善校园环境以及办公、科研、后勤软硬件等，均导致耗能的增加。另外，学校不但从事正常的教学工作，而且在服务社会以及科技创新方面的投入不断增加致使能源消耗增加。当前学校年用电量超过2300万kWh，其中生活用电占40%，科研用电将近48%，其余为教学用电；其次，学校拥有多个校区且多数小区年代已久很多设备性能老化，一方面增加了管理难度，另一方面耗能量较为严重。

　　模拟高校建筑分类参照已经公布的大型公共建筑分类方法，结合校园特点进行修订。即在大型公共建筑的关于建筑分类的“学校建筑”编码后增设子项编码，以对应校园建筑的不同使用功能和用途。子项编码分为以下14类。

　　a.行政办公建筑

　　b.教学楼建筑

　　c.实验实训楼建筑

　　d.学术报告厅建筑

　　e.综合楼建筑

　　f.信息中心楼建筑

　　g.校企合作科研实验室、工厂

　　h.体育场馆类建筑

　　i.食堂餐厅

　　j.学生活中心

　　k.学生宿舍

　　l.学生创业园

　　m.医疗中心

　　n.其他

　　2 节能监测实训系统设计目标

　　通过合理的规划和设计主要实现以下目标：利用数字电表采集用电数据信息，并经过智能电表网关传送到能耗管理中心，管理人员借助相关软件对用电信息进行处理和分析，进而为校园各用电部门提供参考。另外，设计时为了减少投资成本，要求以“因校制宜，简约可靠”为原则，充分利用已有资源。

　　3 节能监测实训系统架构

　　节能监管系统主要适用于对校园建筑设施能耗的计量、数据分析、数据统计、节能分析及节能指标管理，区别与一般以对建筑设备系统进行自动控制为主要目的的建筑智能控制系统（BA系统）和以收费管理为主要目的的水电气表远程集抄系统。但鼓励共享建筑智能控制系统的相关数据。

　　校园建筑节能监管系统由计量表具、数据采集及转换装置（本导则简称网关设备）、数据传输网络、数据中转站、数据服务器、管理软件组成。

　　系统应基于互联网技术、采用BS软件构架。

　　系统应具备能耗数据实时采集和通讯、远程传输、自动分类统计、数据分析、指标比对、图表显示、报表管理、数据储存、数据上传等功能；满足校园节能监管内容及要求。

　　3.1 计量类型

　　为了满足国家相关部门制定的节能监测系统建设要求，前端计量装置应进行分类、分区、分户的电能统计。因此，应将校园用电划分为不同的类型，并根据不同类型配备专门电能计量设备。该校园用电类型主要分为照明、空调、动力以及特殊用电四种类型，其中照明用电包括各建筑物以及照明区域中的用电；空调用电指为校园各建筑物提供采暖、空调服务的设备用电，例如锅炉、冷冻机组等；动力用电指生活用水、自来水加压、电梯等能够提供动力服务的用电；特殊用电指校园常规用电之外的用电，例如洗衣房、信息中心、实验设备等。

　　3.2 划分计量单元

　　根据该校园建筑分布特点，在参考不同的计量分类的基础上划分不同的计量单元。

　　首先，为了实现对用电负荷运行情况的实时监测，为电能的计量和管理提供方便，学校后勤应结合教学区楼群分布和楼层的实际情况，划分合理的计量单元；其次，将办公区、院系楼、学科等部门划分不同的计量单元。该校办公区大部分为单相用户，因此应根据不同的房间划分计量单元，尤其应注重细节方面的设计。例如在不同的办公室安装剩余电流保护装置，并在不同楼层集中安装数字电表，而在群楼安装三相数字电表，进而能够评估和掌握不同单元耗能情况。该校实验室安装有动力配电箱，从而能够为室内的动力装置和空调提供电能，为此需要对该部分电路进行一定的改造，即将室内的插座和照明负荷均接入动力配电箱中，并将三相和单相数字电表集中安装在不同楼层中，将三相数字电表设置在楼群中。针对实验室公共部分的用电应进行分开计量；最后，划分学生宿舍、服务实体、教学生活辅助用房计量单元。其中考虑到学生宿舍不同房间已安装计量装置，设计时为实现对原有设施用电情况的计量，应安装三相数字电表进而能够将用电数据传输到用电管理中心；餐厅、礼堂、图书馆服务实体以及生活辅助用房，均应在楼群中按照三相数字电表。

　　4 监测实训系统硬件设计

　　4.1 监测系统硬件结构

　　为了保证监测系统硬件设计的合理性，应对其整体结构进行全面的把握。该校园节能监测准备利用集散控制系统，该系统由管理中心、通信网络、采集设备三部分构成。其中管理中心在遵守TCP/IP协议的基础上连接在校园网络中，其较为重要的部分为计费系统。计费系统主要负责用电信息的统计和用电费用的结算，另外，还能对网损、线损以及电量平衡等进行考核；为实现自动化通信，数字电表的接口方式为异步半双工RS485接口，在该接口下每个智能电表网关可接入256×128台数字电报，并按照Modbus-RTU协议要求进行通信，距离可达一千米。通信网络架设主要利用较为经济的双绞线结构；现场电能信息的采集是整个监测系统的基础由数字电表和断路器组成，其中数字电表分布在不同房间和楼层、楼中，设置在配电柜中并通过电表网关连接在校园上。 　　4.2 监测系统硬件评估

　　首先，经过全面的分析，设计时系统硬件结构符合国家规范关于建设节约型校园的要求；其次，智能电表网关通信方式多种多样，不管用电信息的采集还是传输优势较为明显。另外数据信息传输主要以有线和无线结合方式进行，因此保证了用电信息传输的可靠性；再次，智能电表网拥有较高的数据采集速度，能够接入不同计量设备的接入。而且数字电表和位于网关中的数字采集器连接形式为星形，该结构不但工作性能稳定，而且当有大量数字电表接入时，能够有效解决可变波特率、冲突、寻址等问题；最后，通常情况下，不同类型的数字电表采用的通信协议和串口参数不同，而智能电表网关可以接入不同类型的数字电表，并且不同端口之间的工作互不影响。

　　5 监测实训系统软件设计

　　5.1 监测系统软件体系

　　节能监测系统中管理系统采用面向对象的软件进行管理，能够根据不同的应用功能将服务对象划分不同的类型。设计时最为重要的部分为将服务数据基础框架搭建完成，接着在其中加载各种服务对象。另外，在节能技术不断发展的基础上，管理平台可对框架中的数据进行更新，以满足节能的各项要求。

　　5.2 监测系统应用软件组成

　　监测系统应用软件能够提供数据采集通信、数据采集数据解析、数据采集数据处理、分项能耗结算服务。其中数据采集通信服务接收和存储智能电表网的数据包，主要通过Socket协议实现（软件流程如图1所示）；数据解析服务主要任务在于读取智能电网卡数据包，并将其解析成结构化的记录，并将解析后的数据信息存储在对应的数据库中；数据处理主要负责三个方面工作：首先，读取出解析后的结构化数据；其次，对结构化数据的准确性和合理性进行检查；最后，将用电设备的日结算记录以及各项能耗用量计算出来；分项能耗结算服务负责分项能耗用量的读取以及能耗日志记录的计算工作。

　　6 预测节能目标

　　根据模拟建筑可能的不同用电运行模式，通过制定节能工作计划，应用节能监测系统并结合使用加强供电设备维护，不断优化低成本控制措施等方法，对该系统节能目标进行计算评估可知该体系可节约能耗超过20%，累计节约用电2100万kWh，能为学校节省大量用电成本开支，符合建设节约型校园的目标要求。

　　7 结束语

　　通过在该校建筑节能监测实训系统的设计、建设和使用，以及利用实训平台实现的各种运行模式下的能耗监测结果，使学校师生生动地感觉到校园节能的巨大潜力，以及专业技术的实际作用，从而激发学生钻研专业技术，感觉到节能从我做起、从身边做起的现实意义，培养良好的用能习惯，积极为校园建筑节能建言献策，推动学校节能工作，极大的提高用电管理效率，达到节约能源的目的。总之，学校作为用电大户应积极响应建设节约型校园号召，不断增加节能方面的投入，通过科学合理的节能监测系统及时发现电能利用中存在的不足，进而采取有效措施加以控制，为节约能源做出应有的贡献。

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