孫鴻昌，張綠原，單悅，于?？?/p>

（1.山東大衛(wèi)國際建筑設計有限公司機電設計院，山東濟南250101；2.山東濟南浪潮電子信息產業(yè)集團股份有限公司國家863高性能實驗室，山東濟南250101；3.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206）

綠色建筑能源管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用

孫鴻昌1，張綠原2，單悅3，于?？?

（1.山東大衛(wèi)國際建筑設計有限公司機電設計院，山東濟南250101；2.山東濟南浪潮電子信息產業(yè)集團股份有限公司國家863高性能實驗室，山東濟南250101；3.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206）

在當前建設節(jié)約型社會，降低建筑能耗，實現綠色低能耗建筑，解決建筑高能耗問題的背景下，文章圍繞綠色建筑能源管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用，通過對建筑能耗的分析，從能源管理系統(tǒng)的總體設計、智能控制器設計、數據及通信服務器設計、管理系統(tǒng)軟件設計方面，以物聯(lián)網形態(tài)，對綠色建筑能源管理系統(tǒng)進行了開發(fā)設計與應用，將能源管理系統(tǒng)總體設計為應用層、數據層、網絡層、設備層，并將建筑內各子系統(tǒng)集成到一個平臺上，對各系統(tǒng)和設備的能耗進行統(tǒng)計和節(jié)能數據的綜合分析，為實現更優(yōu)控制提供了條件，從而提高了系統(tǒng)的通用性；構建了系統(tǒng)的Web應用，并以中央空調系統(tǒng)為例進行了設計與實現，通過對設備的監(jiān)控管理和節(jié)能優(yōu)化控制，最終達到節(jié)能的目的。

綠色建筑；能源管理系統(tǒng)設計；智能控制器

0 引言

能源和環(huán)境目前是當今世界所有國家都普遍關注的重要問題。而建筑能耗占據了社會總能耗的30%左右，預計至2020年將達到40%［1］。早期由于缺乏相關規(guī)范和標準的束縛，且缺乏節(jié)能建筑和綠色建筑的認識，使得我國早期建筑大部分為高能耗建筑。相近環(huán)境下，同樣的室內舒適度我國的單位面積建筑能耗大約是發(fā)達國家的2～3倍。因此，要建設節(jié)約型社會，減少能源消耗，就必須降低建筑能耗。而實現綠色低能耗建筑是解決建筑高能耗問題的重要途徑，對節(jié)能減排，發(fā)展綠色城市具有重要的現實意義［2-4］。

從建筑的規(guī)劃、設計到建造、使用再到最終拆除，在建筑的全壽命周期內，每個階段都會消耗能量，其中，建筑在運行過程中的能耗約占建筑生命周期內總能耗的80%，具有很大的節(jié)能潛力，而且具有很強的可操作性［5］。

目前的研究主要從兩個方面對建筑運行能耗進行優(yōu)化：（1）針對設備展開 國家推廣的機電設備能效標示制度，通過選擇更高效率的設備，以提高能效；（2）針對由多個設備組成的系統(tǒng)展開 優(yōu)化系統(tǒng)能效。針對（1）主要與國家政策、行業(yè)規(guī)范以及業(yè)主的選擇有關系，這些對建筑用能設備的效率影響最大，但同時又具有節(jié)能方式單一，無法進行更加深層次節(jié)能的局限性。而（2）則是通過對建筑內的多個子系統(tǒng)進行節(jié)能分析，制定節(jié)能控制算法，以軟件的方式進行節(jié)能控制，此種方式可以通過節(jié)能算法的不斷升級改進，進一步節(jié)約建筑用電設備的能耗。現階段對建筑內子系統(tǒng)的控制往往只重視方案的可行性、規(guī)范性等方面，未能真正實現控制的精細、高效；同時，由于建筑內的各個系統(tǒng)相對獨立、設備種類繁多，其所遵從的協(xié)議也各不相同，無法實現多系統(tǒng)信息融合，缺少一個對多個系統(tǒng)綜合考慮、分析的平臺，立足于整個建筑進行能耗分析。

文章以綠色建筑為背景，構建一套能源管理系統(tǒng)，用于對建筑物內的機電設備進行能源管理，著重對建筑內的系統(tǒng)—照明系統(tǒng)、大型機房、空調系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、機電設備末端控制等進行集成，一方面通過對各系統(tǒng)和設備的能耗統(tǒng)計分析，掌握系統(tǒng)和設備的能耗隨季節(jié)的變化情況，便于設備的維護和運行控制；另一方面在統(tǒng)一的平臺上對各系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，在節(jié)約人力成本的同時考慮系統(tǒng)間的關系，根據某系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化調整與之關聯(lián)系統(tǒng)的運行參數，達到節(jié)能降耗的目的。

1 綠色建筑能源管理系統(tǒng)設計

1.1 綠色建筑能源管理系統(tǒng)總體設計

綠色建筑能源循環(huán)利用管理系統(tǒng)采用B/S的形式，主要由4層結構構成：應用層、數據層、網絡層、設備層［6-8］。設備層主要通過控制器對被控設備進行數據采集和執(zhí)行控制命令，同時驅動設備按既定的節(jié)能優(yōu)化控制算法運行。網絡層以通信服務器的形式存在，包括內部通信和外部通信兩部分，內部通信是指設備層與上層能源管理系統(tǒng)之間的通信，是信息采集和控制命令下發(fā)的通信路徑；外部通信是指為能源管理系統(tǒng)預留接口，可以對現有的子系統(tǒng)進行集成，增加其擴展性，該接口采用通用的信息處理方式，適應主流的通信協(xié)議，并盡量減少與能源管理系統(tǒng)的耦合，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通信服務器還擔負著節(jié)能優(yōu)化控制算法的實現，并對采集到的設備參數進行節(jié)能優(yōu)化運算。數據層主要進行對采集到的設備信息進行處理、顯示、存儲等操作。應用層以Web服務的形式存在，主要進行人機交互，以數據、圖表、畫面的形式分析和展示能源管理系統(tǒng)中各設備的節(jié)能效果，并可以對設備進行配置，設置其運行參數［9］，如圖1所示。

設備層采用一種智能型的控制器，其I/O端口具有可配置性，可以根據現場設備的具體參數信息，選擇相應的I/O模式；智能控制器采用GPRS方式進行數據的接收和發(fā)送，與通信服務器之間采用TCP/IP協(xié)議進行數據通信。

通信服務器主要擔負一個承上啟下的作用，其內部通信是接收智能控制器采集到的設備信息，并將設備信息處理后，進一步傳遞給數據服務器，進行數據的優(yōu)化運算、顯示和存儲；同時通信服務器接收數據服務器的控制命令，將命令封裝成命令數據包，發(fā)送給相應的智能控制器，對設備進行節(jié)能優(yōu)化控制。通信服務器的外部通信采用WCF方式進行端口設計，以XML作為通信數據格式，提高系統(tǒng)的跨平臺能力。

數據服務器采用SQL Server作為數據庫，進行實時數據和歷史數據的存儲，以多個數據表的形式存在，用于存儲用戶信息、設備信息、管理信息等，由于系統(tǒng)內設備類型和數量的不確定性，擬采用可變長度的數據類型對設備信息進行存儲，保證了數據庫的精簡。

圖1 能源管理系統(tǒng)原理圖

應用層采用Web的形式進行展示，分為兩個部分：系統(tǒng)管理部分和綠色建筑機電設備能源管理部分。系統(tǒng)管理部分主要進行系統(tǒng)本身的維護操作和對數據的分析管理，功能與數據庫中的數據表對應，主要包括對用戶、設備、數據等的管理；機電設備能源管理部分主要是將智能控制器采集到的設備信息、節(jié)能優(yōu)化控制的結果等信息存儲到數據表中，并顯示在Web界面上，并且具有設備控制信息的設置功能，如圖2所示。

圖2 能源管理系統(tǒng)功能結構圖

1.2 綠色建筑能源管理系統(tǒng)的智能控制器設計

智能控制器用于對建筑內的機電設備進行參數檢測及控制，由于建筑內的機電設備子系統(tǒng)較多，同樣需要測控的設備數量和類型也較多，不同類型的設備需要檢測的參數種類不確定，造成了系統(tǒng)集成的困難。針對上述問題，開發(fā)一套智能控制器，其智能主要體現在對I/O的控制上，根據現場設備的具體參數信息，通過鍵盤對端口進行配置，選擇端口的信號類型、單位、名稱等［10］。

智能控制器主要由ARM處理器、I/O模塊、GPRS模塊、鍵盤模塊以及一些確保系統(tǒng)正常運行的模塊，包括電源模塊、時鐘模塊、故障報警模塊、存儲模塊等部分［11］，如圖3所示。

I/O模塊是控制器的主要功能，分為模擬量輸入（AI）、數字量輸入（DI）、模擬量輸出（AO）、數字量輸出（DO），具體分為6個AI、4個DI、3個AO和3個DO，其中AI作為通用輸入接口，通過鍵盤選擇傳感器的輸出為標準信號0～10 V和4～20mA等，這些參數預設在ARM處理器程序中，根據所要測量的具體參數選擇預設的模式，使其具有通用性，使其可以應用于各種被控對象。

智能控制器將采集到的設備數據，通過A/D轉換、濾波等處理后，對各端口采集到的數據進行組合，形成一個數據包；通信服務器具有一個固定的外網IP地址，GPRS模塊通過AT指令查找這個IP，并向通信服務器請求連接；建立連接后，AT指令對數據包進行封裝，將最終數據包發(fā)送至通信服務器。數據包的格式如表1所示。

其中，控制器ID由32位的字符串組成，管理系統(tǒng)以該ID進行區(qū)分，其地址具有唯一性，ID1表示數據采集的端口號，Value1表示參數值，用4個字節(jié)表示浮點類型，校驗采用CRC，保證數據的正確性，見表2。

圖3 智能控制器功能結構圖

表1 數據包格式/Byte

表2 數據包類型

智能控制器的軟件程序采用C語言進行編寫，利用模塊化的編程方法，將程序分為多個模塊，包括主程序、GPRS程序、數據發(fā)送程序、數據接收程序、I/O初始化程序等，其程序流程圖如圖4所示。

1.3 綠色建筑能源管理系統(tǒng)的數據及通信服務器設計

1.3.1 數據格式設計

通信服務器主要進行數據的采集、處理，針對智能控制器的特點，根據I/O的數量確定控制器的數據格式，以結構體的形式對其進行封裝，該結構體主要用于接收智能控制器采集的設備信息，包括模擬量和數字量，每個模擬量參數都定義為單精度浮點型類型，數字量參數定義為無符號字符。其數據采集結構體的數據格式定義如下：

I_DataStruct結構體內各參數的具體含義見表3。

表3 參數的具體釋義

該結構體僅用于接收數據包類型02H的數據（詳見表2），在接收之前進行CRC校驗，對于產生誤碼的數據包予以丟棄，將正確的數據存入數據庫中，其他數據包類型所必需的結構體與02H類似，在此不再贅述。

系統(tǒng)中有關能源的參數是緩慢變化的，時效要求是秒級，甚至更高，數據服務器采用關系數據庫即可滿足系統(tǒng)對時間的要求。針對能源管理系統(tǒng)的功能及數據特點，將數據庫中的數據表分為系統(tǒng)數據表、實時數據表、歷史信息表三種類型。其中，系統(tǒng)數據表主要包括用戶信息表、設備信息表、控制命令表等，主要用于存儲維護系統(tǒng)以及智能控制器正常運行的信息，需要直接或間接由人工進行錄入。下 面以用戶信息表和控制命令表為例進行介紹。

圖4 綠色建筑能源管理系統(tǒng)程序流程圖

用戶信息表（UserInfo）主要用于存儲用戶的身份驗證信息和操作權限信息，用戶根據用戶名和密碼對系統(tǒng)進行登錄，并根據數據表中對該用戶的權限分配在登錄成功后顯示相應的操作權限，以此體現在實際中不同用戶對建筑物內不同功能區(qū)域的控制，見表4。

表4 UserInfo數據表結構

控制命令表（CmdInfo）主要用于存儲能源管理系統(tǒng)下發(fā)的控制命令信息，通信服務器讀取該控制命令，并下發(fā)至相應的智能控制器，對機電設備進行控制，見表5。

表5 CmdInfo數據表結構

數據庫內數據表的種類和數量不限于此，僅介紹了其中代表性的幾個數據表，要實現系統(tǒng)的功能，還需要設備信息表（以控制命令表中的CtrID為主鍵，記錄智能控制器的詳細信息，包括所控設備的名稱、安裝位置、安裝時間等信息）、設備配置表（新添加的智能控制器在上電后向系統(tǒng)發(fā)送數據包，將數據包解析后存儲到該表中，包括設備的ID、I/O端口參數、設備添加時間等信息，系統(tǒng)判斷設備為新設備后，對設備進行配置，向設備信息表中添加設備的信息）、優(yōu)化控制信息表（應用層將優(yōu)化控制算法的參數存儲到該表中，通信服務器讀取該表參數進行運算，得出優(yōu)化控制結果，組成控制命令下發(fā)至智能控制器，對現場設備進行控制）等等，合理的數據表劃分，有助于系統(tǒng)功能的實現，減少系統(tǒng)的耦合，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。

1.3.2 數據接口設計

能源管理系統(tǒng)的內部通信采用TCP/IP接口來實現，同時也需要與外部系統(tǒng)進行交互，獲取現有系統(tǒng)的數據，用于更全面的對機電設備進行分析，同時也避免重復測量造成的浪費。外部接口采用WCF（Windows Communication Foundation）的方式向外提供服務和獲取服務，WCF支持SOAP的通信機制，該通信機制基于XML，可以實現系統(tǒng)之間的互操作和跨平臺通信。根據能源管理系統(tǒng)的數據特點，對WCF的服務進行細粒度的劃分，每一個功能對應一個服務實現［12-14］。WCF契約定義的代碼為

1.4 綠色建筑能源管理系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用Microsoft.Net Framwork平臺來實現，Microsoft Visual Studio 2008是.Net Framwork的集成開發(fā)環(huán)境，它集成了一套完整的應用程序開發(fā)工具集，系統(tǒng)基于該工具集開發(fā)一套Web應用程序，VS2008提供了Web應用程序框架，對基礎功能進行了封裝，使得程序開發(fā)非常容易實現，開發(fā)人員只需關注具體的功能實現即可，如圖5所示。

圖5 管理系統(tǒng)功能結構圖

其中，用戶登錄模塊是根據UserInfo數據表的結構進行設計，在用戶登錄時判斷其權限，顯示相應的功能界面。

實時監(jiān)控模塊包括實時顯示機房參數、空調系統(tǒng)參數、電梯系統(tǒng)參數等，并根據實際需求，設置控制要求及參數。

節(jié)能優(yōu)化模塊是對各系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略進行的設置，調整不同工況下的運行策略。

報表管理模塊是對建筑內各系統(tǒng)的信息根據條件進行報表生成，實現設備信息按天、月、年等統(tǒng)計的功能。

后臺管理模塊實現了對系統(tǒng)管理，包括對用戶的管理、設備的管理、日志的管理等功能。

2 綠色建筑能源管理系統(tǒng)應用

綠色建筑能源管理系統(tǒng)的集成主要是對數據的集成，在統(tǒng)一的平臺下根據各系統(tǒng)之間數據信息的相關性，將其他系統(tǒng)對本系統(tǒng)的影響考慮在內，制定節(jié)能優(yōu)化策略，以中央空調系統(tǒng)為例。

2.1 中央空調系統(tǒng)控制流程

在中央空調系統(tǒng)中通過智能控制器采集水箱的溫度、送風溫度、回風溫度、閥門的開度等信息，并對參數進行濾波處理，剔除明顯不符合系統(tǒng)運行規(guī)律的參數，把參數封裝成一個數據包，通過GPRS模塊將數據包發(fā)送到通信服務器，通信服務器接收設備參數，對設備參數進行壓縮存儲、節(jié)能運算等操作，將結果一方面下發(fā)至智能控制器，去控制現場設備，另一方面上傳至數據服務器，存儲至相應的數據表中，應用層讀取數據庫中的信息，并顯示在界面上；同時用戶可以在界面上直接輸入參數對現場設備進行自動和手動操作，數據的流通過程同上述設備信息的采集顯示過程相反［15-17］。如圖6～8所示。

圖6 系統(tǒng)數據流向圖

2.2 節(jié)能優(yōu)化控制實現

對中央空調系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制主要包括兩個方面：（1）對中央空調子系統(tǒng)進行參數設定，使系統(tǒng)在設定的溫度、濕度等參數下進行自動調節(jié)；（2）結合建筑內的人員檢測、節(jié)假日等信息進行智能化控制。

綠色建筑能源管理系統(tǒng)對中央空調子系統(tǒng)進行集成，利用智能控制器對空調系統(tǒng)中的溫度、濕度、流量、壓力、液位等傳感器以及繼電器信號（檢測開關信號）進行數據采集，并顯示在空調系統(tǒng)的實時監(jiān)控界面中，在該界面可設定系統(tǒng)的溫度值和濕度值，通過PID運算實現空調機組的變頻控制，實現自動運行。

綠色建筑能源管理系統(tǒng)通過設備層實現分區(qū)域對建筑物內人員、環(huán)境等信息的采集，通過在通信服務器預設的控制邏輯，可以結合現有參數對空調機組進行實時分區(qū)域變頻控制，對機組進行智能啟停，實現系統(tǒng)的智能化控制。

圖7 空調系統(tǒng)實時監(jiān)控界面圖

圖8 報表管理界面圖

3 結語

綠色建筑能源管理系統(tǒng)對綠色建筑內的典型節(jié)能控制子系統(tǒng)進行集成，該系統(tǒng)具有物聯(lián)網的形態(tài)，是物聯(lián)網理論在建筑領域的應用，其將建筑內各子系統(tǒng)的數據集成到一個統(tǒng)一的平臺上，對各系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控管理和數據分析，綜合考慮建筑內的能耗和系統(tǒng)控制，對于從整體上分析建筑的能耗和對設備實現更優(yōu)控制提供了條件。

隨著時間的推移，綠色建筑能源管理系統(tǒng)內數據量會越來越大，如何有效利用這些數據，進行數據挖掘，進一步優(yōu)化控制策略，需要對管理系統(tǒng)的功能不斷完善。如有必要需將該系統(tǒng)遷移到云平臺上，將建筑內更多的系統(tǒng)及更多的建筑集成到一個平臺上，實現數據的共享以及通過這些數據進行建筑節(jié)能分析和控制。

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Development and application of green building energy management system

Sun Hongchang1，Zhang Lvyuan2，Shan Yue3，et al.
（1.Mechanical and Electrical Design Institute，Shandong Dawei International Architecture Design Co.Ltd.，Jinan 250101，China；2.National 863 High Performance Laboratory，Shandong Jinan Langchao Electronic Information Industry Group Co.，Ltd.Jinan 250101，China；3.School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Under the background of economical society，in order to reduce building energy consumption，achieve green low energy consumption building，and solve the problem of high energy consumption，considering the development and application of green building energy management system，this paper analyzes the energy consumption of building，designs and applies the energy management system of green building from the aspects of the overall design of system，intelligent controller design，data server design，communication server design and management system software design in the form of Internetof things.The overall design of the system is thatapplication layer，data layer，network layer and device layer，and the subsystems in the building are integrated into one platform for energy consumption statistics of each system and equipment to carry out comprehensive analysis of energy-saving data，thus improving the versatility of the system.The Web application of the system is constructed.By taking the central air conditioning system as an example，the paper carries on the design and the realization，and through the equipmentmonitoring control and the energy conservation optimization control，achieves the energy conservation goal finally.

green building；design of energymanagement system；intelligent controller

TP391

A

1673-7644（2017）01-0078-08

2017-01-11

山東省重點研發(fā)計劃（2016GGX103031）

孫鴻昌（1977-），男，研究員，碩士，主要從事綠色建筑能源管理及節(jié)能控制等方面的研究.E-mail：sunhongch＠163.com