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

關(guān)鍵詞：校園電力能耗; 監(jiān)控系統(tǒng); 分項計量

 

當前，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，如何對校園能耗進行科學(xué)管理和監(jiān)控已經(jīng)成為建設(shè)節(jié)約型校園中關(guān)注的熱點問題之一。本文結(jié)合北方某高校的實際建筑工程的能耗情況，對校園電力能耗監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)問題進行了詳細闡述。

 

1.1研究目標

本文以北方某大學(xué)的校園電力能耗為研究對象，對節(jié)約型校園電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)進行了設(shè)計與實現(xiàn)，以該校23個單體建筑為監(jiān)控對象，安裝650個監(jiān)控點，以實現(xiàn)對校園電力能耗科學(xué)、有效及自動化監(jiān)控的管理模式。本系統(tǒng)的設(shè)計方案采用計算機、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)自動控制功能和遠程集抄功能結(jié)合起來，對相關(guān)用能單位區(qū)域內(nèi)的各類建筑、公共設(shè)施進行節(jié)能控制和能耗監(jiān)測管理，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的分類分項統(tǒng)計和分析處理，同時能與能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心接軌并上報相關(guān)能耗分類分項數(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，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)層、中間網(wǎng)絡(luò)傳輸層、后臺上位機監(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號關(guān)于對各類建筑進行能耗統(tǒng)計的相關(guān)文件，對能耗監(jiān)測系統(tǒng)的具體實施等細節(jié)做了明確的規(guī)定。能耗監(jiān)測系統(tǒng)被定義為通過對機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑安裝分類和分項能耗計量設(shè)備，采用遠程傳輸?shù)确绞綄崟r采集能耗數(shù)據(jù)，對重點建筑能耗實現(xiàn)在線監(jiān)測和動態(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)測管理系統(tǒng)是集各種服務(wù)器等計算機硬件、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設(shè)備于一體，實現(xiàn)各種能耗的自動采集、監(jiān)測和統(tǒng)計分析等功能的自動化系統(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)定的控制策論對相關(guān)用能設(shè)備進行控制，從而達到節(jié)能目的。

其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)能控制器能夠獨立完成各種節(jié)能控制策論，它可以對相關(guān)傳感器采集的環(huán)境、人員和電量等信息進行分析，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策論進行離線自動節(jié)能控制。通過RS485總線與多個采集設(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，并可上報相關(guān)數(shù)據(jù)，也可接收遠程的參數(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（包括節(jié)點開關(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。從機用于執(zhí)行主機的控制命令，實現(xiàn)對用電負載的控制。主要包括SL8410學(xué)習(xí)遙控器、SL8411單路節(jié)點開關(guān)、SL8412雙路節(jié)點開關(guān)和SL8413多路節(jié)點開關(guān)。SL8303A遙控器用于控制器和從機的遙控操作，與主機之間采用紅外傳輸方式。主要進行強制開啟、關(guān)閉、本機IP查詢、傳感器和從機查詢，時間和定時查詢，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）與從機通信；控制器自身離線實現(xiàn)節(jié)能控制，同時可以通過計算機、USB－485轉(zhuǎn)換器和計算機安裝的節(jié)能控制管理軟件進行遠程控制。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?，結(jié)合自身實時時鐘（RTC）產(chǎn)生的萬年歷，根據(jù)控制策論離線執(zhí)行對路燈的各種控制?？刂破魍ㄟ^RS 485接口采集遠傳電表的電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)和電能等數(shù)據(jù)。同時接收上位機指令，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)閉時間和燈具損壞等事件上傳。并可以根據(jù)上位機指令，完成控制策論修改，接受并執(zhí)行遠程控制?？刂破鲗β窡糸_關(guān)的下行控制通過電力載波（PLC）信道進行。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）能耗分項計量

該技術(shù)實現(xiàn)電力能耗分項（暖通空調(diào)器、一般動力設(shè)備、一般照明插座設(shè)備和特殊功能設(shè)備）遠程計量功能。各種負荷說明如下：

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

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

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

4）特殊功能設(shè)備用電負荷。特殊用電負荷是指不屬于日常生活中建筑常規(guī)的用電，其特點是同一時刻電能消耗大、占總電能消耗比重大（含大型通信、實驗設(shè)備、信息機房、洗衣間和食堂餐廳等用電）。

             

                  

（2）能耗實時計量該技術(shù)的特點是基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)進行信息采集和傳輸，一方面無線傳感網(wǎng)節(jié)點自身采集各種參數(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)方式自動采集分散在各建筑區(qū)域內(nèi)的電、水和暖等實時數(shù)據(jù)，每10 min更新一次數(shù)據(jù)，并自動統(tǒng)計耗能峰值，之后上傳服務(wù)器，使高校后勤部門能隨時監(jiān)測現(xiàn)場耗能設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)能及時、快速和高效地匯總，體現(xiàn)了“瞬時化”的計量特點。電力能耗實時計量 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)進行統(tǒng)計。

    

（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)耗電量包括冷凍機組、冷卻機組、水泵、冷卻塔、中央空調(diào)器和風(fēng)機盤管等。2012年、2013年供冷期耗電量明細如表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，這是因為寒暑假期間，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)計數(shù)據(jù)可知，高校非空閑時耗電的比例*高，達77.9%，這個規(guī)律是高校建筑能耗的一般特點，而據(jù)中國國際照明網(wǎng)統(tǒng)計，我國照明用電平均每年以23%的速度遞增，2013年照明用電達到了17 398億kW·h，占全國電力消費總量的19.6%以上。因此，結(jié)合以上兩點，對高校節(jié)能宜從降低高校非空閑時間照明耗電量著手進行研究。

 

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費用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)計軟件DIALux進行照度模擬計算，本著*大限度地節(jié)約每一度電為原則，對校園內(nèi)功率為14 W的T5節(jié)能燈燈具采用T8LED燈進行一對一替換。

（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5萬h，5年內(nèi)維護費用基本為0。年維護費用對比如表5所示。

   

 

5.1校園電力監(jiān)控與運維

 

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

5.2后勤計費管理

采用先進的網(wǎng)絡(luò)抄表付費管理技術(shù)，實現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計費，實現(xiàn)遠程抄表、費率設(shè)置、 賬單統(tǒng)計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識。

5.2.1宿舍用電管理

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

可進行惡性負載識別，檢測違規(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

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預(yù)付費管理

 

5.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充”信息能源結(jié)構(gòu)中是必不可缺的。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必不可缺的一部分。

 

5.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監(jiān)測，提供對路燈靈活智能的管理，實現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個路燈的定時 開關(guān)、強制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時控制方案靈活設(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)

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統(tǒng)計分析，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行采集和統(tǒng)計的各類建筑耗電數(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，能自動完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計報告，能夠監(jiān)測能耗設(shè)備的運行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達到節(jié)能目的。

5.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動報警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對這些設(shè)備的狀態(tài)進行智能化感知、識別、定位，實時動態(tài)采集消防信息，通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標。實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報警，再到控制聯(lián)動，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺內(nèi)運行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現(xiàn)細節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內(nèi)，相關(guān)報警和事件信息通過手機****、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相關(guān)人員。

 

 

6.1電力監(jiān)控與運維平臺

6.2.2充電樁管理平臺

 

 

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、關(guān)鍵技術(shù)以及具體節(jié)能措施。該系統(tǒng)實現(xiàn)了校園內(nèi)電力能耗的實時采集、監(jiān)測、管理和控制。該系統(tǒng)的建立有效地降低了高校的運營成本，對響應(yīng)國家號召構(gòu)建節(jié)約校園具有重要的推動意義。

 

【參考文獻】

【1】 魏立明，徐 鵬，尚 末.節(jié)約型校園電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究[J]吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院,2015,(34):90-95. 

【2】 張廣明，等．機關(guān)辦公建筑和大型公建能耗監(jiān)管系統(tǒng)平臺若干關(guān)鍵技術(shù) [J]．南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011 (9) ：46-50．

【3】 高校綜合能效解決方案2022.5版.

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