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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

發(fā)布時(shí)間:2023-04-23瀏覽次數(shù):813返回列表

易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
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
 
0 引言 
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(wèn)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(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)闡述。
 
1 方案設(shè)計(jì)
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(lái),對(duì)相關(guān)用能單位區(qū)域內(nèi)的各類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(guò)對(duì)機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑安裝分類(lèi)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(chēng)[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 關(guān)鍵技術(shù)
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(guò)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(guò)RS485總線與多個(gè)采集設(shè)備連接,然后通過(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)、SL8412雙路節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)和SL8413多路節(jié)點(diǎn)開(kāi)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(kāi)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(guò)內(nèi)部RS 485總線與傳感器通信,通過(guò)無(wú)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(guò)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?lái)的照度信號(hào),結(jié)合自身實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)產(chǎn)生的萬(wàn)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^(guò)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(kāi)關(guān)開(kāi)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(kāi)關(guān)的下行控制通過(guò)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(shuō)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(chēng)。
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(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息采集和傳輸,一方面無(wú)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(guò)無(wú)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(mén)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。
 
3 案例分析
 
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(pán)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(guó)照明網(wǎng)統(tǒng)計(jì),我國(guó)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(guó)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。
 
4 節(jié)能具體措施
通過(guò)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(guò)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L(zhǎng)ED燈具后,總功率由原來(lái)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(gòu)買(mǎi)光源、鎮(zhèn)流器和人工成本投入大量資金。而LED燈壽命長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)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高校綜合能效解決方案
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(guò)能源付費(fèi)管理方式,培養(yǎng)用能群體和部門(mén)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(guò)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(kāi)關(guān)、強(qiáng)制開(kāi)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(lèi)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(lèi)進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)的各類(lèi)建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類(lèi)建筑耗電、教學(xué)類(lèi)建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等,對(duì)數(shù)據(jù)分門(mén)別類(lèi)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(kù),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(guò)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(wú)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(guò)平臺(tái)直觀地看到每一棟建筑物中各類(lèi)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(guò)短信、語(yǔ)音、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.平臺(tái)部署硬件選型
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)
 
 
7 結(jié)束語(yǔ)
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(yíng)成本,對(duì)響應(yīng)國(guó)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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【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(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.

作者簡(jiǎn)介:

易允恒,男,本科  安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電

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