世博園區(qū)能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)研究

1、世博園區(qū)能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)研究蘇晨暉*, 張迎花(上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán) )有限公司 , 上海200032)摘要為 2010年上海世博會(huì)園區(qū)內(nèi)能源管理設(shè)計(jì)和研發(fā)的世博園 區(qū)能源與環(huán) 境監(jiān)測(cè)系 統(tǒng),采 用數(shù)據(jù)采 集, 數(shù)據(jù)傳 遞,數(shù)據(jù)處理和展示的多層系統(tǒng)架構(gòu), 使軟件具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),統(tǒng)計(jì)分 析, 分析 報(bào)告 , 能源預(yù)警等 強(qiáng)大功能 , 對(duì)園區(qū)5. 28km2內(nèi)的電 力、 燃?xì)狻?水等常規(guī)能源使用情況、 再生能源利用以及園區(qū)內(nèi)各類建筑室內(nèi)環(huán)境狀況進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與管理。關(guān)鍵詞多層系統(tǒng)架構(gòu)能源與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2010上海世博會(huì)devel opm ent and researchof the

2、expoenergyandenviron mentmonitoring syste msu chen h u,i zhangy ing h ua( shanghai institute of build ing sciences( group) co .,l td ., shanghai200032 , china)abstractthe energyandenvironmentmonitoring syste m for 2010 shangha i expo is developedon them ulti-layer data acquisitionsyste m w ith data

3、collecting ,data delivering ,dataprocessi ng anddata displaying .it iswell- equippedw ith powerful functions like real-time mon itoring ,statistical analysis,analysis report and energy emergency response ,so as to perfor m all-direction and real-timemonitoring andmanagem ent over theusageof conventi

4、onal sourceof energylike electricity , gasandw ater ,theutilization of the rene w ableenergyand the indoor environ ment situation in the expo area .k eywordsmulti-layer syste m architecture ,energy and environ mentm onitoring syste m,2010 shanghaiexpo0引言2010年上海舉辦世界博覽會(huì), 作為全球關(guān)注的焦點(diǎn)和讓世界了解中國(guó)的一個(gè)平臺(tái), 如何在世博會(huì)

5、期間, 對(duì)世博園區(qū)規(guī)劃用地 5 . 28km2范圍內(nèi) 各類場(chǎng)館和設(shè)施的能源系統(tǒng)消耗狀況以及其所產(chǎn)生的室內(nèi)環(huán)境效果 , 有全方位了解, 并通過實(shí)時(shí)能源與環(huán)境管理策略來促進(jìn)節(jié)能, 提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量, 提升世博園區(qū)能源與環(huán)境信息管理水平,將成為2010年世博會(huì)信息化建設(shè)的重要任務(wù)之一。應(yīng)用能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)在實(shí)施節(jié)能改造項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)表明 , 能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能改造的有效模式和重要手段,在對(duì)項(xiàng)目能源和環(huán)境進(jìn)行合理評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上 , 能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在建筑節(jié)能領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間 1。在世博園區(qū)應(yīng)用能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來促進(jìn)節(jié)能勢(shì)在必行。世博園區(qū)能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是面向世博會(huì)建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理的web應(yīng)用服

6、 務(wù)系統(tǒng) , 對(duì)園區(qū)5 . 28km2內(nèi)的電力、燃?xì)狻?水等常規(guī)能源使用情況、再生能源利用以及園區(qū)內(nèi)各類建筑室內(nèi)環(huán)境狀況進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與管理。世博園區(qū)能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為世博園區(qū)能源系統(tǒng)安全、高效運(yùn)營(yíng)和各種能源的協(xié)同工作 , 為提高能源利用率、保證園區(qū)建筑內(nèi)人員健康、 舒適提供信息支撐平臺(tái), 并全面展示世博園區(qū)在節(jié)能環(huán)保方面的技術(shù)成果。真正實(shí)踐以人為本、節(jié)能減排的理念。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 1用戶需求世 博園區(qū)能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為四類用戶。系統(tǒng)在登陸頁面根據(jù)所分配的不同權(quán)限進(jìn)入不同的系統(tǒng)首頁 , 并獲取不同的操作權(quán)限。292010年增刊制冷技術(shù)*蘇晨暉 ( 1985-), 助理工程師, 主

7、要 從事 于 軟件 研究 和開 發(fā)。聯(lián) 系地 址: 上 海 市建 筑科 學(xué)研 究院(集 團(tuán) ) 有限 公司 第 五事 業(yè)部 , 郵編 :200032。電子郵箱: greenwildcandice h ot mai.l co m 。資助項(xiàng)目 : 國(guó)家科技支撐計(jì)劃( 課題編號(hào)2009bak43b29 ); 上海市科 學(xué)技術(shù)委員會(huì)(課題編號(hào)10dz0580300 ); 上海市信 息化專項(xiàng)資金項(xiàng)目( 261); 上海市經(jīng)信委2009年度上海市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)項(xiàng)目計(jì)劃( 20091201) 。圖 1 用戶示意圖1) 第一層是決策指揮層, 即上海世博會(huì)運(yùn)營(yíng)指揮中心。能源與環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)能讓指揮者全面掌握?qǐng)@

8、區(qū)和重點(diǎn)場(chǎng)館的能源使用情況, 對(duì)能源使用情況進(jìn)行監(jiān)測(cè) , 為運(yùn)營(yíng)指揮中心提供決策依據(jù)。2) 第二層是園區(qū)管理層, 即片區(qū)管理中心。上海世博園區(qū)共分為五個(gè)片區(qū), 每個(gè)片區(qū)都設(shè)立管理部。該系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)片區(qū)內(nèi)各重點(diǎn)場(chǎng)館、配套設(shè)施的能源使用情況 , 對(duì)片區(qū)內(nèi)的能源和環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并對(duì)節(jié)能減排情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。3) 第三層是場(chǎng)館管理層, 即重點(diǎn)場(chǎng)館的運(yùn)營(yíng)管理部門。4) 第四層是公眾展示層。該系統(tǒng)將展示上海世博園區(qū)能源的總體狀況, 展示園區(qū)可再生能源的利用情況和環(huán)境綜合指數(shù),并發(fā)布園區(qū)的節(jié)能減排信息。1 . 2數(shù)據(jù)采集方式針對(duì)世博園區(qū), 地域廣、儀表分散、 能源類型多、數(shù)據(jù)來源分散的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的世博園區(qū)能

9、源與環(huán)境系統(tǒng),分為為四層架構(gòu): 數(shù)據(jù)采集層、 數(shù)據(jù)傳輸層、 數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)層和數(shù)據(jù)展示層。1) 數(shù)據(jù)采集層 : 世博園區(qū)內(nèi)場(chǎng)館自身所建的樓宇自控系統(tǒng) , 通過電能表按照采樣頻率以周期性地、實(shí)時(shí)地的方式對(duì)所有能源相關(guān)值參進(jìn)行采集, 主要獲得常規(guī)能源值參; 同時(shí)可再生能源和環(huán)境檢測(cè)裝置如不具備接入ba 的條件 ,系統(tǒng)可通過硬件接口或網(wǎng)絡(luò)api 直接對(duì)其進(jìn)行數(shù)值讀取。采集周期為十分鐘,保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。2) 數(shù)據(jù)傳輸層 : 主要是把能源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以消息中間件為中間連接層與傳輸服務(wù)端為界確定傳輸接口上傳至數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)層; 通過此種方式將數(shù)據(jù)提取、 控制的應(yīng)用邏輯與傳輸邏輯分離, 從而降低采集層與傳輸層交

10、互邏輯的復(fù)雜性,保證傳輸通道的暢通及應(yīng)用邏輯的穩(wěn)定。3) 數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)層: 主要負(fù)責(zé)對(duì)這些上傳的數(shù)據(jù)根據(jù)系統(tǒng)規(guī)則進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)處理,處理后的程序放入數(shù)據(jù)庫 , 供系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)、分析展示時(shí)使用。4) 數(shù)據(jù)展示層 : 主要對(duì)存儲(chǔ)層中的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)、 分析、展示和發(fā)布。1. 3系統(tǒng)架構(gòu)能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為兩級(jí)架構(gòu),在園區(qū)指揮中心設(shè)立能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)一級(jí)平臺(tái), 在一軸四館和最佳城市實(shí)踐區(qū)內(nèi)設(shè)立二級(jí)平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理。二級(jí)平臺(tái)所需的數(shù)據(jù)均通過接口協(xié)議從樓宇自控系統(tǒng)和可再生能源監(jiān)控系統(tǒng)獲取, 在二級(jí)平臺(tái)存儲(chǔ), 經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)再送到一級(jí)平臺(tái); 對(duì)臨時(shí)場(chǎng)館的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)由采集模塊采集通過網(wǎng)關(guān)送到一級(jí)平臺(tái)

11、; 對(duì)于區(qū)域能源中心電、水、 煤等數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)送到一級(jí)平臺(tái)。圖 2系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)內(nèi)能源種類多 ,數(shù)據(jù)來源分散 ,針對(duì)這種情況 ,通過分層采集方式 , 既可以滿足對(duì)電力儀表、 室內(nèi)環(huán)境儀表等具備樓宇自控系統(tǒng)的能耗監(jiān)測(cè), 又可以在數(shù)據(jù)處理層,接收水和燃 氣等外部系統(tǒng)傳遞的能 耗數(shù)據(jù)。如遇到網(wǎng)絡(luò)故障, 通過多層采集架構(gòu), 可以在數(shù)據(jù)傳輸層 , 延遲數(shù)據(jù)從該通道中進(jìn)行續(xù)傳, 待網(wǎng)絡(luò)故障清除鏈路開通,自動(dòng)上傳延遲數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)處理層檢測(cè)到延遲數(shù)據(jù)到來時(shí), 自動(dòng)進(jìn)行重新匯總處理。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng), 在設(shè)計(jì)過程中采用容錯(cuò)技術(shù) , 記錄跳變數(shù)據(jù),并有備份措施,從技術(shù)上保證了系統(tǒng)的可靠性。并根據(jù)

12、系統(tǒng)的特殊性, 對(duì)安全防患30制冷技術(shù)2010年增刊問題 , 從物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層分別考慮了系統(tǒng)的安全體制。2軟件功能介紹系統(tǒng)功能主要分為展示各個(gè)能源系統(tǒng)情況的總體概況模塊、展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線模塊、展示由統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算得出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)模塊、展示針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行的分析報(bào)告模塊, 以及針對(duì)報(bào)警的事件報(bào)告模塊。圖 3軟件結(jié)構(gòu)1) 總體概況模塊 : 系統(tǒng)根據(jù)不同用戶權(quán)限以及不同能源系統(tǒng), 分別進(jìn)入不同頁面。針對(duì)決策指揮層, 給出整個(gè)世博園區(qū)各類能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù), 在一張地圖上顯示; 針對(duì)其他用戶 , 給出分常規(guī)能源、 室內(nèi)環(huán)境、可再生能源和室外環(huán)境不同能源類型的, 并且分用

13、戶權(quán)限的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù), 在 gis地圖上展示。g is地圖可移動(dòng)、 縮放、定位。 2) 實(shí)時(shí)曲線模塊: 系統(tǒng)針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) , 以曲線方式展示, 根據(jù)十分鐘采集一次數(shù)據(jù)的采集周期, 在實(shí)時(shí)曲線上追加最新能源數(shù)據(jù)點(diǎn); 也可以在歷史曲線中查詢歷史采集數(shù)據(jù)曲線。3) 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)模塊: 系統(tǒng)分能源類型, 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù), 根據(jù)統(tǒng)計(jì)運(yùn)算公式得出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 以曲線圖或柱狀圖的圖形方式展示。4) 分析報(bào)告模塊: 系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)和統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) , 給出評(píng)價(jià)范圍 , 通過比對(duì)標(biāo)準(zhǔn) , 給出分析和運(yùn)營(yíng)建議 ; 系統(tǒng)生成的分析報(bào)告提供用戶打印和另存為excel表格功能。5) 事件報(bào)告模塊 : 針對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)報(bào)

14、警信息做的報(bào)警模塊, 分為 以 gis地圖為依據(jù)將報(bào)警區(qū)域在 gis地圖上顯示出來的安全預(yù)警部分和查詢歷史報(bào)警數(shù)據(jù)部分。6) 軟件功能均分權(quán)限和能源類型展示: 不同權(quán)限的用戶只能看到該用戶所管理的片區(qū)或場(chǎng)館能耗情況 , 滿足不同管理層面用戶的需求; 對(duì)于能耗數(shù)據(jù),分為常規(guī)能源、 室內(nèi)環(huán)境、可再生能源和室外環(huán)境四類能源類型展示,同種能源類型下不同場(chǎng)館之間的能耗可以進(jìn)行比對(duì),對(duì)分析多個(gè)用能區(qū)域能耗情況, 提供支持。3光伏發(fā)電數(shù)據(jù)分析世博園區(qū)內(nèi)廣泛應(yīng)用了太陽能光伏發(fā)電技術(shù), 除了永久建筑中的主題館、中國(guó)館、世博中心和城市未來館 (南市電廠) 的集中應(yīng)用之外, 城市最佳實(shí)踐區(qū)內(nèi)各場(chǎng)館還有零星應(yīng)用。四大

15、永久建筑所安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)都能與建筑一體化良好結(jié)合, 并且所發(fā)電力都經(jīng)過逆變、 升壓后輸出到10kv電網(wǎng) , 與市電網(wǎng)相連接。為對(duì)各場(chǎng)館的光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和性能作出判斷 , 世博能源環(huán)境與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選取有代表性的 5個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳和監(jiān)測(cè),并由這5個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算得到其他多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來進(jìn)一步分析系統(tǒng)運(yùn)行狀況。3. 1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)3 . 1 . 1 環(huán)境溫度和風(fēng)速環(huán)境溫度表征了光伏發(fā)電系統(tǒng)所處環(huán)境, 會(huì)對(duì)光伏組件發(fā)電效率有一定的影響, 該參數(shù)由安裝于光伏組件附近的自動(dòng)氣象站采集。3 . 1 . 2 太陽輻照度太陽輻照度表征了光伏組件接受到的太陽總輻射強(qiáng)度瞬時(shí)值 , 該參數(shù)說明了光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)

16、行期間日照變化的情況,可用于計(jì)算太陽輻照量, 即光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量輸入總值。該參數(shù)由安裝于光伏組件同一水平面的總輻射表采集。3 . 1 . 3 瞬時(shí)發(fā)電功率瞬時(shí)發(fā)電功率表征了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)瞬時(shí)功率輸出 , 可用于計(jì)算某一時(shí)段內(nèi)的總發(fā)電量, 也可用于計(jì)算光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率,該參數(shù)由逆變器采集輸出。3 . 1 . 4 總發(fā)電量總發(fā)電量表征了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行以來的總能量輸出值,可用于計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境效益等評(píng)價(jià)指標(biāo), 該參數(shù)亦由逆變器采集輸出。3. 2評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法3 . 2 . 1 單位時(shí)間太陽輻照量太陽輻照量為太陽輻照度對(duì)時(shí)間的積分值,表征了太陽能集熱器在單位面積上接收到的太陽輻射能

17、量值。計(jì)算時(shí)將所測(cè)得的太陽輻照度按照數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔積分累加得到。(下轉(zhuǎn)第38頁 )312010年增刊制冷技術(shù)平均負(fù)荷率 80%, 無用能預(yù)警, 系統(tǒng)接近滿負(fù)荷運(yùn)行 , 但用電安全可以得到保證;平均負(fù)荷率 80%, 有用能預(yù)警, 系統(tǒng)接近滿負(fù)荷運(yùn)行 , 用電安全無法得到保證。!室內(nèi)環(huán)境室內(nèi)熱舒適總體保持優(yōu)秀(合格率 97 % );室內(nèi)熱舒適總體保持良好 ( 95 % 合格 率 =97 % );室內(nèi)熱舒適總體保持一般(合格率 = 95 % )。3 . 5事件預(yù)警系統(tǒng)建立統(tǒng)計(jì)的報(bào)警機(jī)制和報(bào)警類型, 自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)是否異?；蛘呤欠癯霈F(xiàn)通訊故障。如果出現(xiàn)故障, 系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)報(bào)警機(jī)制預(yù)警或報(bào)警, 警告用

18、戶需要注意設(shè)備是否運(yùn)行正常。當(dāng)故障解除后, 系統(tǒng)將自動(dòng)消除報(bào)警 , 恢復(fù)正常。4結(jié)束語能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過信息技術(shù)手段的充分應(yīng)用, 對(duì)世博園區(qū)能源與環(huán)境運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合信息管理, 在節(jié)能的同時(shí)?以人為本#, 關(guān)注環(huán)境 , 并全面展示本屆世博會(huì)在大力推進(jìn)節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目方面的豐碩成果 ; 充分演繹了世博會(huì)推動(dòng)城市科技創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的主題。世博園區(qū)能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)于2010年 4月在中國(guó)館進(jìn)入試運(yùn)行階段, 現(xiàn)在數(shù)據(jù)已基本采集到位, 希望通過在中國(guó)館的應(yīng)用實(shí)踐, 能夠?yàn)榇笮凸步ㄖ? 特別是城區(qū)能源監(jiān)測(cè)和管理提供相關(guān)項(xiàng)目實(shí)施、 系統(tǒng)集成方面的應(yīng)用案例、實(shí)施經(jīng)驗(yàn)和解決方案,提升城市管理水平、 促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展, 對(duì)上海的節(jié)能減排, 綠色建筑提供基礎(chǔ)保障。參考文獻(xiàn) 1 ?民用建筑節(jié)能條例% s. 國(guó)務(wù)院令第530號(hào), 2008年 8月 1日發(fā)布 2 吳志強(qiáng)等 . 2010上海世博 會(huì)規(guī)劃一 同濟(jì)國(guó) 際聯(lián)合 體方案構(gòu)思