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(chǎng)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(jiǎn)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。控制器主要接收照度傳感器送來的照度信號(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。控制器通過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。控制器對(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。空調(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(chǎng)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)。