淺談綠色節(jié)約型校園電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方案

摘   要：校園中能源的消耗與浪費(fèi)占用了校園總費(fèi)用支出的很大比例，而電能的消耗又是能源消耗的重中之重，重點(diǎn)闡述了校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)。以北方某高校為例應(yīng)用該方案，并結(jié)合具體的耗能特點(diǎn)對(duì)節(jié)能措施進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：校園電力能耗; 監(jiān)控系統(tǒng); 分項(xiàng)計(jì)量

 

當(dāng)前，隨著高校的快速發(fā)展，校園學(xué)生人數(shù)及校園內(nèi)建筑面積大幅度地增加，教學(xué)設(shè)備的大量引入，現(xiàn)代化辦公設(shè)備的大量使用等使得高校在能源的消耗中占有很大的比重。因此，如何對(duì)校園能耗進(jìn)行科學(xué)管理和監(jiān)控已經(jīng)成為建設(shè)節(jié)約型校園中關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。本文結(jié)合北方某高校的實(shí)際建筑工程的能耗情況，對(duì)校園電力能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)問題進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

 

1.1研究目標(biāo)

本文以北方某大學(xué)的校園電力能耗為研究對(duì)象，對(duì)節(jié)約型校園電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以該校23個(gè)單體建筑為監(jiān)控對(duì)象，安裝650個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)校園電力能耗科學(xué)、有效及自動(dòng)化監(jiān)控的管理模式。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案采用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能化控制等技術(shù)，將傳統(tǒng)的用能設(shè)備系統(tǒng)自動(dòng)控制功能和遠(yuǎn)程集抄功能結(jié)合起來，對(duì)相關(guān)用能單位區(qū)域內(nèi)的各類建筑、公共設(shè)施進(jìn)行節(jié)能控制和能耗監(jiān)測(cè)管理，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的分類分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)和分析處理，同時(shí)能與能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心接軌并上報(bào)相關(guān)能耗分類分項(xiàng)數(shù)據(jù)，從而滿足相關(guān)用能單位的節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容及要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)層、中間網(wǎng)絡(luò)傳輸層、后臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控管理層和終端服務(wù)器層組成。根據(jù)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部2008年6月制定的[2008]114號(hào)關(guān)于對(duì)各類建筑進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)的相關(guān)文件，對(duì)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體實(shí)施等細(xì)節(jié)做了明確的規(guī)定。能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被定義為通過對(duì)機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑安裝分類和分項(xiàng)能耗計(jì)量設(shè)備，采用遠(yuǎn)程傳輸?shù)确绞綄?shí)時(shí)采集能耗數(shù)據(jù)，對(duì)重點(diǎn)建筑能耗實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析功能的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)稱[1-2] 。能耗監(jiān)控系統(tǒng) 

結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2系統(tǒng)構(gòu)成

能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是集各種服務(wù)器等計(jì)算機(jī)硬件、有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)采集器以及電能表、水表、氣表和熱量表等表計(jì)設(shè)備于一體，實(shí)現(xiàn)各種能耗的自動(dòng)采集、監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析等功能的自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)圖如圖2所示。

 

2.1節(jié)能控制系統(tǒng)

節(jié)能控制技術(shù)是能耗監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)與特色功能，該功能主要是通過采用具有節(jié)能效果的網(wǎng)絡(luò)控制器按照預(yù)定的控制策論對(duì)相關(guān)用能設(shè)備進(jìn)行控制，從而達(dá)到節(jié)能目的。

其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)能控制器能夠獨(dú)立完成各種節(jié)能控制策論，它可以對(duì)相關(guān)傳感器采集的環(huán)境、人員和電量等信息進(jìn)行分析，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策論進(jìn)行離線自動(dòng)節(jié)能控制。通過RS485總線與多個(gè)采集設(shè)備連接，然后通過CAN－BUS總線與上層數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)連接，并可上報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)，也可接收遠(yuǎn)程的參數(shù)修改和控制。該網(wǎng)絡(luò)節(jié)能控制器可至少節(jié)約30%的電能。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)能控制系統(tǒng)是由建筑節(jié)能控制子系統(tǒng)和路燈節(jié)能控制子系統(tǒng)兩部分組成。

（1）建筑節(jié)能控制子系統(tǒng)的組成

建筑節(jié)能控制子系統(tǒng)由傳感器（包括各種感應(yīng)照度傳感器、溫度和人數(shù)傳感器等）、從機(jī)（包括節(jié)點(diǎn)開關(guān)和學(xué)習(xí)遙控器）、遙控器和SL863X網(wǎng)絡(luò)節(jié)能控制器四部分組成。傳感器用于采集室內(nèi)的照度、溫度、人員存在和人員數(shù)量等信息，通過內(nèi)部RS 485總線傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)控制器主機(jī)。從機(jī)用于執(zhí)行主機(jī)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電負(fù)載的控制。主要包括SL8410學(xué)習(xí)遙控器、SL8411單路節(jié)點(diǎn)開關(guān)、SL8412雙路節(jié)點(diǎn)開關(guān)和SL8413多路節(jié)點(diǎn)開關(guān)。SL8303A遙控器用于控制器和從機(jī)的遙控操作，與主機(jī)之間采用紅外傳輸方式。主要進(jìn)行強(qiáng)制開啟、關(guān)閉、本機(jī)IP查詢、傳感器和從機(jī)查詢，時(shí)間和定時(shí)查詢，照度查詢和設(shè)置，溫度查詢和設(shè)置等簡單遙控操作。SL863X網(wǎng)絡(luò)控制器通過內(nèi)部RS 485總線與傳感器通信，通過無線（RF）與從機(jī)通信；控制器自身離線實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，同時(shí)可以通過計(jì)算機(jī)、USB－485轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)安裝的節(jié)能控制管理軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。節(jié)能控制子系統(tǒng)如圖3所示。

 

（2）路燈節(jié)能控制子系統(tǒng)的組成

路燈節(jié)能網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)主要由節(jié)能控制部分、室內(nèi)其他設(shè)備和燈柱部分組成。

節(jié)能控制部分主要由路燈節(jié)能控制器、照度傳感器和GPRS傳輸設(shè)備等組成?？刂破髦饕邮照斩葌鞲衅魉蛠淼恼斩刃盘?hào)，結(jié)合自身實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）產(chǎn)生的萬年歷，根據(jù)控制策論離線執(zhí)行對(duì)路燈的各種控制?？刂破魍ㄟ^RS 485接口采集遠(yuǎn)傳電表的電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)和電能等數(shù)據(jù)。同時(shí)接收上位機(jī)指令，將照度、電 壓、電流和功率等參數(shù)，以及路燈開關(guān)開啟、關(guān)閉時(shí)間和燈具損壞等事件上傳。并可以根據(jù)上位機(jī)指令，完成控制策論修改，接受并執(zhí)行遠(yuǎn)程控制?？刂破鲗?duì)路燈開關(guān)的下行控制通過電力載波（PLC）信道進(jìn)行。路燈節(jié)能控制子系統(tǒng)如圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

（1）能耗分項(xiàng)計(jì)量

該技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力能耗分項(xiàng)（暖通空調(diào)器、一般動(dòng)力設(shè)備、一般照明插座設(shè)備和特殊功能設(shè)備）遠(yuǎn)程計(jì)量功能。各種負(fù)荷說明如下：

1）暖通空調(diào)器用電負(fù)荷?？照{(diào)器用電負(fù)荷是為建筑物提供通風(fēng)、供暖服務(wù)用電負(fù)荷的總稱。

2）一般動(dòng)力設(shè)備用電負(fù)荷。動(dòng)力用電負(fù)荷主要為建筑的使用提供各種動(dòng)力能源（包括電梯、換熱站、消防水加壓和食堂排煙系統(tǒng)等）的設(shè)備用電負(fù)荷。

3）一般照明插座設(shè)備用電負(fù)荷。單位工程中重要的區(qū)域照明（含室內(nèi)照明、室外照明等）負(fù)荷，以及插座等室內(nèi)設(shè)備用電負(fù)荷。

4）特殊功能設(shè)備用電負(fù)荷。特殊用電負(fù)荷是指不屬于日常生活中建筑常規(guī)的用電，其特點(diǎn)是同一時(shí)刻電能消耗大、占總電能消耗比重大（含大型通信、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、信息機(jī)房、洗衣間和食堂餐廳等用電）。

             

                  

（2）能耗實(shí)時(shí)計(jì)量該技術(shù)的特點(diǎn)是基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息采集和傳輸，一方面無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)自身采集各種參數(shù)；另一方面它們與各種用能設(shè)備連接，通過無線自組網(wǎng)方式自動(dòng)采集分散在各建筑區(qū)域內(nèi)的電、水和暖等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每10 min更新一次數(shù)據(jù)，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)耗能峰值，之后上傳服務(wù)器，使高校后勤部門能隨時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場耗能設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)能及時(shí)、快速和高效地匯總，體現(xiàn)了“瞬時(shí)化"的計(jì)量特點(diǎn)。電力能耗實(shí)時(shí)計(jì)量 示意圖如圖6所示。

 

 

現(xiàn)以北方某高校2012年與2013年耗電量為例，根據(jù)校園電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

    

（1）供熱系統(tǒng)耗電量

2012年，供暖期耗電量為402.5×104 kW·h。2013年，供暖期耗電量為395.8×104 kW·h。2012年、2013年供暖期耗電量明細(xì)如表1所示。由表1可知，因全部學(xué)生寒假離校，2月成為校園月耗電量的*低月。學(xué)生公寓、教學(xué)設(shè)施的正常使用，以及室外的低溫天氣，又使得12月的耗電量達(dá)到*高。

           

（2）空調(diào)系統(tǒng)耗電量

空調(diào)系統(tǒng)耗電量包括冷凍機(jī)組、冷卻機(jī)組、水泵、冷卻塔、中央空調(diào)器和風(fēng)機(jī)盤管等。2012年、2013年供冷期耗電量明細(xì)如表2所示。由表2可知 ，夏季空調(diào)系統(tǒng)耗電量*多，出現(xiàn)在學(xué)生未離校的6、9月。因?qū)W生暑假離校，室外氣溫*高的8月電量的消耗卻相對(duì)較低。

       

（3）建筑照明系統(tǒng)耗電量

2012年、2013年全年某高校耗電量明細(xì)如表3所示。由表3可知， 除寒暑假外其余各月耗電量相差幾乎不大，這是因?yàn)楹罴倨陂g，教室照明系統(tǒng)、校園內(nèi)用能設(shè)備等均處于關(guān)閉狀態(tài)。

    

由2012年、2013年能耗監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，高校非空閑時(shí)耗電的比例*高，達(dá)77.9%，這個(gè)規(guī)律是高校建筑能耗的一般特點(diǎn)，而據(jù)中國國際照明網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，我國照明用電平均每年以23%的速度遞增，2013年照明用電達(dá)到了17 398億kW·h，占全國電力消費(fèi)總量的19.6%以上。因此，結(jié)合以上兩點(diǎn)，對(duì)高校節(jié)能宜從降低高校非空閑時(shí)間照明耗電量著手進(jìn)行研究。

 

通過以上分析得知，如果將某高校內(nèi)照明光源的1/3換成LED（節(jié)約電能60%～70%），每年就能節(jié)省用電約4 000億kW·h。綜上所述，采用LED照明改造，每年可為該高校減少燈具的維護(hù)費(fèi)用16 050元。

（1）學(xué)校LED綠色照明替換方案

經(jīng)過行業(yè)通用照明設(shè)計(jì)軟件DIALux進(jìn)行照度模擬計(jì)算，本著*大限度地節(jié)約每一度電為原則，對(duì)校園內(nèi)功率為14 W的T5節(jié)能燈燈具采用T8LED燈進(jìn)行一對(duì)一替換。

（2）LED替換方案功率分析

區(qū)域LED替換方案，原用3210盞燈具替換為LED燈具后，總功率由原來的45 kW降低到19.26 kW，比原有照明系統(tǒng)降低了25.74 kW的輸出功率，節(jié)能比例高達(dá)57.2%以上。根據(jù)學(xué)校原照明情況，LED產(chǎn)品替換方案如表4所示。 

    

傳統(tǒng)燈具因壽命較短，光源和鎮(zhèn)流器等經(jīng)常損壞，每年都需在購買光源、鎮(zhèn)流器和人工成本投入大量資金。而LED燈壽命長達(dá)5萬h，5年內(nèi)維護(hù)費(fèi)用基本為0。年維護(hù)費(fèi)用對(duì)比如表5所示。

   

 

5.1校園電力監(jiān)控與運(yùn)維

 

集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運(yùn)行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動(dòng)運(yùn)維， 班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

5.2后勤計(jì)費(fèi)管理

采用的網(wǎng)絡(luò)抄表付費(fèi)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計(jì)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費(fèi)率設(shè)置、 賬單統(tǒng)計(jì)匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補(bǔ)貼方案。通過能源付費(fèi)管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識(shí)。

5.2.1宿舍用電管理

針對(duì)學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時(shí)通斷功能；

可進(jìn)行惡性負(fù)載識(shí)別，檢測(cè)違規(guī)電氣，并可獲取違規(guī)用電跳閘記錄。

 

5.2.2商鋪水電收費(fèi)

針對(duì)校園超市、商鋪、食堂及其他針對(duì)個(gè)體的水電用能進(jìn)行預(yù)付費(fèi)管理

 

5.2.3充電樁管理平臺(tái)

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充"信息能源結(jié)構(gòu)中是必*。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必*一部分。

 

5.2.4智能照明管理

通過對(duì)高校路燈的全局監(jiān)測(cè)，提供對(duì)路燈靈活智能的管理，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個(gè)路燈的定時(shí) 開關(guān)、強(qiáng)制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時(shí)控制方案靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。

 

5.3能源管理系統(tǒng)

針對(duì)校園水、電、氣等各類接入能源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包含同比分析、環(huán)比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

    按校園建筑的分類進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)的各類建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類建筑耗電、教學(xué)類建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對(duì)數(shù)據(jù)分門別類的分析，提供領(lǐng)導(dǎo)決策，提高管理效能。

    構(gòu)建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容及要求的數(shù)據(jù)庫，能自動(dòng)完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動(dòng)生成各種形式的報(bào)表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計(jì)報(bào)告，能夠監(jiān)測(cè)能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達(dá)到節(jié)能目的。

5.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測(cè)器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)這些設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識(shí)別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集消防信息，通過云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報(bào)警，再到控制聯(lián)動(dòng)，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺(tái)內(nèi)運(yùn)行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺(tái)直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運(yùn)行狀況，并能夠在出現(xiàn)細(xì)節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內(nèi)，相關(guān)報(bào)警和事件信息通過手機(jī)短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達(dá)相關(guān)人員。

 

 

6.1電力監(jiān)控與運(yùn)維平臺(tái)

6.2.2充電樁管理平臺(tái)

 

 

本文以北方某高校校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)為例介紹了其方案設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)以及具體節(jié)能措施。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了校園內(nèi)電力能耗的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)、管理和控制。該系統(tǒng)的建立有效地降低了高校的運(yùn)營成本，對(duì)響應(yīng)國家號(hào)召構(gòu)建節(jié)約校園具有重要的推動(dòng)意義。

 

【參考文獻(xiàn)】

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【4】 企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.