浅谈智慧能源管理系统在绿色建筑中的设计与实现

摘要：针对低能耗的绿色建筑，提出了一种智慧能源管理系统。该系统关键的核心产品采用非常先进的绿色建筑的能源管理技术，实时监测各弱电子系统的运行状态，并将数据汇集到中心数据库，系统自动分析各设备的能耗、能效情况并给出合理建议，从而进一步对设备进行优化，以实现整个弱电系统信息资源的合理共享与分配，确保建筑内所有设备处于节能的运行状态。该系统侧重于整体的节能运行，其运行管理模式及系统控制策略易于理解和应用。

关键词：能源管理；能耗采集；能耗分析；用能监测

  绿色建筑是指节约资源、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用使用空间，与自然和谐共处的建筑。建筑能源管理系统以绿色建筑为核心，在保障高舒适的同时，坚持以“低碳”为原则，打造低能耗、高舒适的绿色建筑。

  关键的核心产品采用非常先进的绿色建筑的能源管理技术，实时监测各弱电子系统的运行状态，并将数据汇集到中心数据库，系统自动分析各设备的能耗、能效情况并给出合理建议，从而进一步对设备进行优化，以实现整个弱电系统信息资源的合理共享与分配，确保建筑内所有设备处于节能的运行状态。侧重于系统整体的节能运行，其运行管理模式及系统控制策略易于理解和应用。

  建筑能源管理系统是一整套的能源管理的解决方案，提供从硬件到软件的设备和技术措施。硬件方面，支持国内外大多数通讯采集仪表（支持OPC、Modbus、TCP/IP等协议）；软件方面，包括数据采集、实时数据、历史数据、能源管理分析数据、系统管理、数据展示、分析、控制等多个层面功能。

  硬件层一般采用多功能智能仪表，实时动态采集数据并上传到数据层，二者之间通过采集软件连接；

  将底层数据通过各种协议和规约上传汇总到能源管理系统，交由系统进行处理和分析；

  包括实时数据库、历史数据库、能源管理数据库，是整个系统的核心基础；

  对海量数据进行存储和预处理，为分析和决策做好准备；

  包含3D展示、实时监测、集中控制、动态分析等，是整个系统的核心和关键；

  包含基础信息的配置和管理，以及整个软件的配置。

  可自由的在系统中配置所管辖的建筑信息，包括向系统中添加建筑、配置建筑的楼层及支路信息；配置楼层及房间用户信息，能源收费及价格信息等等。当管辖建筑增加或减少时，可以快速方便的自行配置。

  主要是对各仪表进行实时监测，当发生故障时，通过监测画面，可及时找出出现故障的仪表，方便用户及时跟踪处理现场情况，主要内容包括如下：

（1）网络通讯状态监测

对整个楼宇的网络通讯进行实时监测，当发现网络通讯异常时，可及时有针对性地对通讯异常的网络进行维护。

（2）各仪表通讯状态

对每个仪表通讯状态进行监测，发现没通讯上及通讯中断情况进行及时的报警及高亮显示，方便用户有针对性地维护，而不用人为的每个都去检查一遍。

（3）参数实时监测

对各仪表采集量进行实时监测，用户可随时判断各个采集点的失压、失流和采不上数据的点，方便及时发现及时处理。

（4）供水管网监测

对各供水采集仪表进行监测，可查看各仪表的实时流量、累积流量等，当仪表有故障时，可及时发现和处理。

  系统在完成数据处理与上传的同时，将建筑能耗进行分类分析，该部分功能符合114号文的定义，即将建筑能耗分类为如下六类：

（1）耗电量；

（2）耗水量；

（3）耗气量（天然气量或者煤气量）；

（4）集中供热耗热量；

（5）集中供冷耗冷量；

（6）其它能源应用量（如集中热水供应量、煤、油、可再生能源等）。

  可选择楼层，查看该楼层多有灯具的开启状况、照度、功率等。可手动控制灯具的开关、照度强弱，并可根据预设方案或人体感应技术自动控制灯具开关和照度，从而达到节能的目的。

（1）照明插座用电

为建筑物主要功能区域的照明、插座等室内设备用电。主要包括照明和插座用电、走廊和应急照明用电、室外景观照明用电。

（2）空调用电

主要包括冷热站用电、空调末端用电。

（3）动力用电

主要包括电梯用电、水泵用电、通风机用电。

（4）特殊用电

  主要包括信息中心、洗衣房、厨房餐厅、游泳池、健身房或者其它特殊用电。

  建筑总能耗为建筑各分类能耗（除水耗量外）所折算的标准煤量之和。

  总用电量＝∑各变压器总表直接计量值；

  分类能耗量＝∑各分类能耗计量表的直接计量值；

  分项用电量＝∑各分项用电计量表的直接计量值；

  单位建筑面积用电量＝总用电量/总建筑面积；

  单位空调面积用电量＝总用电量/总空调面积。

  统计建筑或片区能耗的时用量、日用量和年用量，以曲线图、柱状图等不同方式显示，支持报表输出。

  通过对建筑的能耗数据统计、分析，结合模型建筑物能耗对比，确定建筑物能耗对比，确定建筑物的能耗状况和设备能耗效率，从而提供建筑物能源管理优化措施。能耗数据分析模块是能耗管理软件的精髓所在，目前市场上各家软件的算法不尽相同，其效果还需市场验证。然而，以模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制技术的发展将推动能源管理水平。

  以图表形式展现以下能耗指标：建筑总能耗、总用电量、单位建筑面积用电量、单位空调面积用电量、单位建筑面积分类能耗量、单位空调面积分类能耗量、单位建筑面积分项能耗量、单位空调面积分项能耗量；并显示同类建筑的各项指标平均值，使用户对建筑的用能情况一目了然。

  包含能耗构成分析和能耗趋势分析，能耗构成分析采用饼状图的形式展现时间段内各类能耗所占总能耗的百分比情况；能耗趋势分析采用折线图的形式展现间段内能源的消耗趋势情况。

（1）能耗报表管理

  自动生成所需要的数据（日/月/季度/年）报表、定期阶段报表和事件报表，并能以用户所需要的格式和方式保存、导出或打印。报表的类型、内容和格式可由用户动态调整。

（2）能耗报表分析

  系统可提取各类能耗数据进行自动分析，确立*值并对各监控点的能耗情况进行能耗水平判定，对能耗改善提出一套完整的诊断流程，并提供能耗分析报告，帮助用户进行节能措施及设备改造。

（3）人工数据上传

  针对尚未安装自动采集仪的支路或无法使用数据采集仪进行自动采集的能源消耗（例如汽油、煤等），提供人工数据上传及审核的功能，避免数据缺失导致的各类问题。

（4）数据备份管理

  用户手动或系统自动备份保存各项数据；当发生特殊情况导致数据丢失时，可自动导入备份数据进行数据恢复，避免特殊情况出现数据丢失导致的各项损失。

（5）报警设置

  用户可根据不同楼层、不同支路、不同设备的用能需求，分时间段设置不同的报警策略，当发生不合理的能源消耗时，系统按照所设置的报警方式对用户进行提醒，避免设备故障或人为原因造成的能源浪费；在一段时间后，用户也可通过历史报警记录，分析当前的节能策略是否需要进行修改，确保能源和资金的合理使用。

（6）系统管理

  用户通过此模块对系统的底层设置进行管理。例如：可通过此模块对能耗指标进行配置管理；对生产报表的要求和样式进行配置管理；对系统用户进行权限的配置管理；查看系统运行的日志等等。

  基于人机交互的界面设计，采用WEB的展现方式，同时系统支持个性化需求，用户可根据自己的喜好配置不同的展现形式，满足不同人群的需求。

  满足多种不同终端，即个人电脑、手机、Ipad等不同的终端访问，支持多种主流浏览器。

  数据呈现丰富，功能配置灵活。采用数据层层挖掘技术，发现数据价值。

  关注设备的运行管理，通过监测找出设备运行异常状况，进而优化设备，提高设备性能，延长设备使用寿命。

  分布式海量存储技术，能够快速处理大数据量，并具有强大的系统兼容性、开放性和扩展性。

系统能够与光伏发电系统、暖通空调系统、智能照明系统、地热采暖系统、楼宇自控系统等第三方系统对接，只需登录我们的系统就可以满足所有的需求。并且系统提供二次开发手册、驱动开发、Web接口，保证系统的开放性和扩展性。

  安科瑞企业能源管理平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、重大能耗设备的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、用能预测、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

  钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、物流、铁路、航空工业、木材、化学原料以及机电设备、电器产品、工器具制造等。

（1）首页

  首页通过展示企业各类能耗总量、折标值、能源成本、能源消耗趋势、分项能耗占比、区域能源消耗对比,并三维展示企业重要工艺或设备的能源消耗动态，可直观了解企业当前用能。

（2）运行监控

  能源管理系统的动态显示对企业使用的各种能源（电、水、蒸汽）进行实时监控，并提供从概貌到具体的动态图形显示，并提供区域数据监控，在工厂平面图或者某个车间的平面图快速浏览到所管理的能耗数据。

  系统提供对能源管理系统运行状态的实时监视功能，实现对能源系统运行过程中关键的用能状态参数的变化趋势、耗能设备的运行状态以及系统运行报警事件进行实时监视，确保整个能源供给、转换和消耗过程的安全、可靠和稳定。系统提供图形化工具，不仅可以组态出数字化的监控界面，还具有实时趋势显示。

  ● 变配电系统的电气主接线图展示，实现对全电量参数以及开关断路器状态的实时监视，如电压、电流、频率、功率、功率因数、三相不平衡度、谐波等参数。

  ● 水、燃气、压缩空气等系统各分支管道分布示意图以及流量、压力、温度等参数状态的实时监视；

  ● 用能设备系统（如压机等)的运行状态以及用能参数的实时监视；

  ● 过压、过流、欠压等保护信号报警、系统通信中断、电量、非电量参数越限、能耗超标预警等实时事件报警监视。

  ● 工艺流程图展示关注工艺各设备运行参量以及能耗情况。

（3）变压器监控

  展示各变压器负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比，测算变压器损耗，找出变压器较好经济运行区间。根据变压器经济运行区间，调整负载，从而降低变压器损耗，节约电量。

（4）用能统计

  系统支持为企业不同的计量监测对象，提供快速查询显示日、周、月、季、年的企业用能情况同比环比、产品单耗、产品折标对比、能耗排名等。数据通过棒图，饼图，直方图等形式，实现对系统中耗电量、耗水量、耗气量等能耗数据的统计分析。大到整个企业，小到单个设备或车间，通过对这些区域的计量节点能耗数据查询分析，实现整个企业能耗数据的统计分析，满足用户实现对任意时段内区域、车间、工艺和设备类型等的能耗数据查询要求。通过对比不同区域等的能耗数据情况，了解不同对象区域等的能耗规律，自动对这些对象进行能耗排名，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

（5）分项用能

  系统提供对企业分项用能的分项统计。根据分项，用柱状图以及饼图，展示各分项用能情况，直观，清晰。通过用能趋势，及时掌握企业分项用能趋势情况。对于分项用能异常，能即时发现，调整策略，改善用能，节约能源。

（6）产品/产值单耗

  系统可以与企业MES系统对接，导入产品产量。对不能导入的数据提供人工录入功能。通过系统采集的能耗数据，结合产品产量，计算产品单耗，生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

（7）用能成本分析

  系统支持为企业整体以及车间等各个需要单独进行能耗考核的对象提供各种能源消耗的总费用成本的统计对比功能。可提供电、水、气等各种能源类型在统计周期中的消耗量以及对应的费用数据，并且可以将各种能源的费用进行百分比占比统计和对比，以了解整个企业能源费用成本的详细分布情况。同时支持对单位成本费用进行分析。用户可选择多个考核区域进行耗能成本的对比分析，为用户建立有效的绩效奖惩机制和日常管理提供真实、可靠的数据依据。

（8）用能成本预测分析

  系统支持为企业以及需要单独考核计量的区域提供能源成本预算管理功能，允许用户录入能源成本的详细预算计划，通过对比能源实际费用和预算费用进行预算执行管理，可以直观的了解到每月或者每年能源成本是否超出预算，方便用户及时的进行预算的调整和干预。此外，系统还支持按照的预测算法进行能源成本的成本预测，根据历史的预算执行情况和实际耗能的数据预测后续的几个月的能源成本费用，帮助用户进行有效的成本计划管理。

（9）绩效分析

  对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力。

（10）能耗预测

  通过对企业车间、生产工艺、生产设备等的能耗使用情况进行分析，建立能耗计算模型，根据人工智能算法对数据和模型进行修正，对未来企业能耗趋势进行预测分析，为节能提供有效的决策依据。

（11）运行监测

  系统的设备运行监测功能专门针对耗能设备提供管理，主要包括设备运行状态及关键参数监视、设备台账管理、设备能耗统计分析以及设备维护管理。通过对设备工作状态参数以及工况参数的实时采集和监视可及时判断设备的运行工况是否正常；设备能耗统计分析可提供针对设备对象的实时耗能量以及历史耗能趋势的分析和对比；设备台账管理以及维护管理可建立设备基本信息档案，可快速实现对于设备各种特性参数的查询和统计分类，对设备及其主要零配件的检修、更换历史记录进行信息化管理，并可提供设备计划检修到期提醒以及逾期检修告警等功能，便于为每一个重要设备建立经济运行档案，确保设备的安全、稳定、经济运行。

（12）能源平衡及损耗分析

  能源平衡及损耗统计分析主要为企业的电、水、气等能源在转换、运输、使用过程中的各个环节提供能量平衡分析，及时的发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。通过分别统计重要用能环节的能源供给量和能源消耗量并计算两者之间的差值损耗量，来评估各环节的用能损耗程度。比如对用水系统的干管计量和各个车间支管的计量消耗量之和进行损耗分析，有利于及时发现是否存在水管漏水或者违规用水的情况；对用电系统的低压进线计量和各馈线回路的计量消耗量之和进行损耗分析，来评估判断是否存在违规用电、窃电等异常用电现场，帮助用户发现并纠正能源使用过程中的能源浪费问题，降低能源综合运行成本。

（13）节能分析

  节能分析主要是为企业在实施节能措施后，具体节能效果的分析，通过录入节能措施，对比分析实施节能措施前与实施节能措施后的用能情况，以此来评判节能措施的实施效果，为企业节能提供帮助，提高经济效益。

（14）分析报告

  系统提供的用户分析报告主要是为企业的中、高层管理人员提供有关企业的能耗数据统计结果汇总和分析结论展示，注重整体能耗状况和变化趋势的说明。一般包括企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况，用能趋势排名，能耗排名，综合能耗排名等。通过丰富多样的图形化组件组态成为一份用户分析报告，让用户了解系统的运行情况，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

（15）事件记录

  事件报警分析主要是为系统的异常运行状态或故障原因诊断分析提供依据和分析手段。系统运行过程中所产生的各种报警时间均会被自动记录和存储，通过对事件的发生时间、范围对象、事件的类型、事件的等级以及事件描述关键字搜索查询，即可快速的实现对目标事件的查询和分类。

（16）自定义报表

  用户可通过自定义报表头与列，灵活生成各种报表，从各种能耗数据及费用比较，到电力峰谷平报表；从碳排放报告到系统能耗评估，从能耗指标到能耗预算等等，使用者无需繁琐的编辑，只需要简单操作就能生成精美的报表。

（17）移动端支持

  APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、效率分析、同环比分析、能耗折标、用能预测、运行监视、异常报警等。

六、结语

  该系统在实时监测各弱电子系统的能耗、能效和运行参数，通过相同设备能效指标对比，及时发现低能效设备，进而对设备进行优化，提高设备性能；通过对设备运行参数监测，及时发现设备故障，减少对设备的影响，延长设备寿命，让所有设备节能的运行。对所有设备集中管控，在“时间”维度上避免浪费，实现在不该用能时段不用能，在该用能时段合理用能，让所有设备协调工作，实现资源利用。

[1]胥晓云.莱钢能源智能管控一体化系统的研究与应用[J].机电信息.2017（12），56-57.

[2]黄培.智慧能源管理系统的设计与实现[J].办公自动化,2019,24(23):59-61.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版