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淺談綠色節約型校園電力能耗監控系統的設計與應用方案

更新時間：2023-04-27

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安科瑞陳聰

摘要：校園中能源的消耗與浪費占用了校園總費用支出的很大比例，而電能的消耗又是能源消耗的重中之重，重點闡述了校園能耗監控系統方案設計、關鍵技術。以北方某高校為例應用該方案，并結合具體的耗能特點對節能措施進行研究。

關鍵詞：校園電力能耗; 監控系統; 分項計量

0 引言

當前，隨著高校的快速發展，校園學生人數及校園內建筑面積大幅度地增加，教學設備的大量引入，現代化辦公設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管理和監控已經成為建設節約型校園中關注的熱點問題之一。本文結合北方某高校的實際建筑工程的能耗情況，對校園電力能耗監測系統的相關問題進行了詳細闡述。

1 方案設計

1.1研究目標

本文以北方某大學的校園電力能耗為研究對象，對節約型校園電力能耗監控系統進行了設計與實現，以該校23個單體建筑為監控對象，安裝650個監控點，以實現對校園電力能耗科學、有效及自動化監控的管理模式。本系統的設計方案采用計算機、網絡通信技術和智能化控制等技術，將傳統的用能設備系統自動控制功能和遠程集抄功能結合起來，對相關用能單位區域內的各類建筑、公共設施進行節能控制和能耗監測管理，實現能耗數據的分類分項統計和分析處理，同時能與能耗監測系統數據中心接軌并上報相關能耗分類分項數據，從而滿足相關用能單位的節能監管內容及要求，實現節能減排的目標。其網絡結構由現場監測網絡層、中間網絡傳輸層、后臺上位機監控管理層和終端服務器層組成。根據住房與城鄉建設部2008年6月制定的[2008]114號關于對各類建筑進行能耗統計的相關文件，對能耗監測系統的具體實施等細節做了明確的規定。能耗監測系統被定義為通過對機關辦公建筑和大型公共建筑安裝分類和分項能耗計量設備，采用遠程傳輸等方式實時采集能耗數據，對重點建筑能耗實現在線監測和動態分析功能的硬件系統和軟件系統的統稱[1-2] 。能耗監控系統

結構如圖1所示。

1.2系統構成

能耗監測管理系統是集各種服務器等計算機硬件、有線網絡設施、數據采集器以及電能表、水表、氣表和熱量表等表計設備于一體，實現各種能耗的自動采集、監測和統計分析等功能的自動化系統。系統圖如圖2所示。

2 關鍵技術

2.1節能控制系統

節能控制技術是能耗監控系統的核心技術與特色功能，該功能主要是通過采用具有節能效果的網絡控制器按照預定的控制策論對相關用能設備進行控制，從而達到節能目的。

其中網絡節能控制器能夠獨立完成各種節能控制策論，它可以對相關傳感器采集的環境、人員和電量等信息進行分析，然后根據預先設定的控制策論進行離線自動節能控制。通過RS485總線與多個采集設備連接，然后通過CAN－BUS總線與上層數據網關連接，并可上報相關數據，也可接收遠程的參數修改和控制。該網絡節能控制器可至少節約30%的電能。

網絡節能控制系統是由建筑節能控制子系統和路燈節能控制子系統兩部分組成。

（1）建筑節能控制子系統的組成

建筑節能控制子系統由傳感器（包括各種感應照度傳感器、溫度和人數傳感器等）、從機（包括節點開關和學習遙控器）、遙控器和SL863X網絡節能控制器四部分組成。傳感器用于采集室內的照度、溫度、人員存在和人員數量等信息，通過內部RS 485總線傳輸到網絡控制器主機。從機用于執行主機的控制命令，實現對用電負載的控制。主要包括SL8410學習遙控器、SL8411單路節點開關、SL8412雙路節點開關和SL8413多路節點開關。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，照度查詢和設置，溫度查詢和設置等簡單遙控操作。SL863X網絡控制器通過內部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節能控制，同時可以通過計算機、USB－485轉換器和計算機安裝的節能控制管理軟件進行遠程控制。節能控制子系統如圖3所示。

（2）路燈節能控制子系統的組成

路燈節能網絡控制子系統主要由節能控制部分、室內其他設備和燈柱部分組成。

節能控制部分主要由路燈節能控制器、照度傳感器和GPRS傳輸設備等組成。控制器主要接收照度傳感器送來的照度信號，結合自身實時時鐘（RTC）產生的萬年歷，根據控制策論離線執行對路燈的各種控制。控制器通過RS 485接口采集遠傳電表的電壓、電流、頻率、功率、功率因數和電能等數據。同時接收上位機指令，將照度、電壓、電流和功率等參數，以及路燈開關開啟、關閉時間和燈具損壞等事件上傳。并可以根據上位機指令，完成控制策論修改，接受并執行遠程控制。控制器對路燈開關的下行控制通過電力載波（PLC）信道進行。路燈節能控制子系統如圖4所示。

2.2 數據采集系統

（1）能耗分項計量

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

1）暖通空調器用電負荷。空調器用電負荷是為建筑物提供通風、供暖服務用電負荷的總稱。

2）一般動力設備用電負荷。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等）的設備用電負荷。

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

4）特殊功能設備用電負荷。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的特點是基于無線傳感網技術進行信息采集和傳輸，一方面無線傳感網節點自身采集各種參數；另一方面它們與各種用能設備連接，通過無線自組網方式自動采集分散在各建筑區域內的電、水和暖等實時數據，每10 min更新一次數據，并自動統計耗能峰值，之后上傳服務器，使高校后勤部門能隨時監測現場耗能設備的運行數據，從而使數據能及時、快速和高效地匯總，體現了“瞬時化"的計量特點。電力能耗實時計量示意圖如圖6所示。

3 案例分析

現以北方某高校2012年與2013年耗電量為例，根據校園電力能耗監控系統獲取的數據進行統計。

（1）供熱系統耗電量

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，因全部學生寒假離校，2月成為校園月耗電量的*低月。學生公寓、教學設施的正常使用，以及室外的低溫天氣，又使得12月的耗電量達到*高。

（2）空調系統耗電量

空調系統耗電量包括冷凍機組、冷卻機組、水泵、冷卻塔、中央空調器和風機盤管等。2012年、2013年供冷期耗電量明細如表2所示。由表2可知，夏季空調系統耗電量*多，出現在學生未離校的6、9月。因學生暑假離校，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、校園內用能設備等均處于關閉狀態。

由2012年、2013年能耗監控系統統計數據可知，高校非空閑時耗電的比例*高，達77.9%，這個規律是高校建筑能耗的一般特點，而據中國國際照明網統計，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，結合以上兩點，對高校節能宜從降低高校非空閑時間照明耗電量著手進行研究。

4 節能具體措施

通過以上分析得知，如果將某高校內照明光源的1/3換成LED（節約電能60%～70%），每年就能節省用電約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）學校LED綠色照明替換方案

經過行業通用照明設計軟件DIALux進行照度模擬計算，本著*大限度地節約每一度電為原則，對校園內功率為14 W的T5節能燈燈具采用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，比原有照明系統降低了25.74 kW的輸出功率，節能比例高達57.2%以上。根據學校原照明情況，LED產品替換方案如表4所示。

傳統燈具因壽命較短，光源和鎮流器等經常損壞，每年都需在購買光源、鎮流器和人工成本投入大量資金。而LED燈壽命長達5萬h，5年內維護費用基本為0。年維護費用對比如表5所示。

5高校綜合能效解決方案

5.1校園電力監控與運維

集成設備所有數據，綜合分析、協同控制、優化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動運維，班組重新優化整合，減少人力配置。

5.2后勤計費管理

采用的網絡抄表付費管理技術，實現電、水、氣等能源綜合計費，實現遠程抄表、費率設置、賬單統計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養用能群體和部門的節能意識。

5.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發基礎用電額度和定時通斷功能；

可進行惡性負載識別，檢測違規電氣，并可獲取違規用電跳閘記錄。

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付費管理

5.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網、荷、儲、充"信息能源結構中是必*。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必*一部分。

5.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實現校園內任一線路，任一個路燈的定時開關、強制開關、亮度調節，以及定時控制方案靈活設置，確保路燈照明的智能控制和高效節能。

5.3能源管理系統

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統計分析，包含同比分析、環比分分析、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計的各類建筑耗電數據。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數據分門別類的分析，提供領導決策，提高管理效能。

構建符合校園節能監管內容及要求的數據庫，能自動完成能耗數據的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統性的能耗審計報告，能夠監測能耗設備的運行狀態，設置控制策略，達到節能目的。

5.4智慧消防系統

智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統化"需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監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備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、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相關人員。