1996年，為滿足計量科學發展對先進實驗環境的需求，中國計量科學研究院(以下簡稱“計量院”)分兩期向國家申報了實驗基地建設項目。獲批后，經過3年多的努力，一期工程建設完成并投入運行。實驗基地總規劃建設用地為561085m²，一期工程建筑面積為47352m²，建設建筑物為25項、構筑物為3項，其中科研實驗樓為13棟，容積率為0.084，建筑密度為5.3%，綠化率為87.9%。
    

一、現有用能狀況和能耗統計方式分析

    計量院實驗基地自2008年建設完成后，經過兩年多的運行，初步統計結果表明，每年電費消耗約1400萬元，水費消耗約100萬元。在能耗監測和管理方面，雖然目前各耗能設備有了一定的信息化基礎，但在位置上分散，缺乏系統性的優化運行監管手段，大多還停留在傳統的定期抄表能耗統計方式上，分項能耗還存在底數不清、情況不明、監測難度大等問題。因此，構建一套符合計量院實際情況的建筑能耗統計平臺及數據庫管理系統，以實現各建筑能耗準確統計，特別是實現空調等重點用能系統的能耗分項計量和在線能效評估，較快地發現各耗能系統運行過程中出現的問題，并采取措施，從而改善能耗系統運行狀況，對提高能源利用率具有十分重要的意義。
    

二、能耗監測與管理系統結構框架

    計量院實驗基地能耗監測與管理系統拓撲圖如圖1所示，該系統基于以太網，主要由現場監測子系統、遠程傳輸網絡、能耗監測平臺3部分組成。其中，現場監測子系統由各種遠傳計量裝置和現場采集器等組成，構成建筑和重點耗能系統內部的監測傳輸網絡；遠程傳輸網絡可實現建筑現場計量裝置與后方能耗監測平臺的數據通信；能耗監測平臺由采集服務器、數據庫服務器、應用服務器等組成，完成能耗數據的動態監視及分析處理工作。
    

<CTSM>    圖1  計量院實驗基地能耗監測與管理系統拓撲圖</CTSM>
    

三、能耗監測與管理系統功能

    結合計量院實驗基地實際情況，本系統包含能源電子臺賬、數據采集、數據監控、數據手工填報、能耗統計、能效分析、報表管理、系統管理等8個功能模塊，實現了能耗數據的采集監測、能耗相關基礎信息管理和重點耗能系統的能耗分類統計以及能效評估等。此外，系統還提供擴展接口，為新監測點提供擴展能力。
    1.能源電子臺賬
    為了采集、監測并多角度分析計量院能耗數據，必須完整收集與用能相關的基礎信息，經過分類整理存儲于數據庫系統中，與自動監測或手工錄入的能耗數據及運行數據相結合，實現能耗監測、統計、分析等功能。因此，本軟件系統中包含一系列與用能相關的基礎信息管理功能，稱為能源電子臺賬。其實現的功能有:①能耗分類:按照不同載能工質分類記錄管理，記錄的信息包括能源及載能工質的名稱、計量單位、折標系數、采購價格等。②能耗分項:按通風、空調、給水、排水、采暖、供電、弱電、消防、照明、動力、生活、交通等用途分項。③能耗分級:將計量院作為一級用能單位，其下屬部門可劃分為多層的次級用能單位。將能耗數據與用能單位關聯，可以明確能耗的受益者及責任人，為能耗定額管理等工作提供基礎數據。④計量和采集設備電子臺賬:主要記錄計量和采集設備的名稱、型號規格、準確度等級、測量范圍、生產廠家、出廠編號、用能單位管理編號、安裝使用地點、使用狀態等，方便用戶多角度查詢。
    2.數據采集
    數據采集是計量院能耗監測和管理軟件系統的基礎，本系統的數據統計、監控預警、能耗統計和能效分析等功能都建立在數據采集的基礎之上。
    數據采集是本系統中監測分析軟件與計量采集通信硬件相互銜接的部分。本系統的數據采集基于組態軟件平臺進行二次開發。組態軟件平臺是一套通用組態軟件，是實現自動化過程監視、控制和管理的軟件平臺，基于Microsoft Net開發。在組態軟件上的數據采集二次開發，指開發針對不同PLC、DCS、儀表、智能模塊和板卡等設備的驅動程序，實現從其中實時采集設備能耗、設備運行狀態、設備運行參數等數據，并傳輸到后臺數據庫進行計算與存儲。
    3.數據監控
    (1)可視化監控
    可視化監控功能用于幫助用戶形象、直觀地了解用能系統和建筑的運行情況。軟件通過系統模擬圖，既可以顯示系統的全局信息，使管理人員對整個系統運行狀況一目了然，又可以進一步深入顯示各個設備的運行信息，為管理人員的數據分析工作提供依據。
    (2)運行記錄和運行日報
    軟件提供多種報表，展現用能系統、設備的運行記錄。運行記錄包括按固定時間間隔統計的系統、設備的能耗、設備起停狀態及室內外溫濕度等環境信息。用戶可通過運行記錄詳細了解系統及設備的運行狀態，為系統及設備的節能控制提供數據基礎。
    (3)運行報警
    通過軟件提供完善的報警機制來滿足不同人員對報警的不同需求。本系統實時監測需要報警變量的狀態或者數值，并與報警設定比較，決定是否發出報警信息。報警信息可以通過畫面上的報警窗口內的信息、語音報警等方式及時傳遞給系統的運行人員，也可以通過電子郵件、手機短信、或MSN Messenger、Yahoo Messenger等及時消息軟件的對話消息的形式發送給指定的管理人員。報警信息可按照嚴重程度進行分類，以使相關人員根據報警的緊急程度采取處理措施。
    4.手工數據填報
    因計量院內液氦特殊液體和氧氣等特種氣體、食堂罐裝液化氣、車輛燃料油三類用能難以采用自動化方式進行監控，因此，本系統設計采用定期手工填報的方式收集這三類能耗的使用情況。
    5.能耗統計
    把采集到的能耗數據，按照不同維度進行分析。統計時，通常都按照不同的時間段進行匯總(如年統計、月統計、日統計等)，或者自定義選擇某個時間段進行統計。匯總不同時間段內的用能數據后，再進行橫向比較或者縱向比較。其實現的功能有:①綜合能耗統計:實現將電量、氣量、油量、水量等能源消耗匯總，并可按時間、分項、分級查詢。②能耗分類、分項、分級統計:分類是實現電量、氣量、油量等能源消耗量分別統計，并可按時間，分項、分級查詢；分項指按能源用途對能耗進行分類；分級指根據管理需求對能源使用劃分的層次關系，例如針對一個建筑統計其總電耗，并可以按照建筑物的內部結構進行細分，按照樓層、房間等進行分級統計。最終可以實現用柱狀圖、曲線圖等圖形展示、分析能耗變化趨勢，對于用能出現異常的時間段進行進一步分析，查看每一個采集點的數據。
    6.能效分析
    (1)用能系統能效分析
    對配電、供暖、制冷、空調、給水等系統的整體能源利用效率進行分析，計算線損率、有效供熱率、COP等系統能效指標。將這些指標與國內標準、國際指標進行比較，了解建筑的用能效率水平，尋找節能點。
    (2)重點用能設備能效分析
    采集計量院內的重點用能設備運行參數，將實際檢測結果與設備的出廠標準進行比較，對不符合標準或者效率較低的設備進行更換。并為以后購買類似產品提供參考。
    (3)建筑能效分析
    對某棟建筑物，按照國家公共建筑能源審計的方法計量建筑物的面積、各類能源消耗量，計算出建筑物的空調通風系統能效指標、采暖系統能效指標、照明系統能效指標、室內設備系統能效指標、綜合服務系統能效指標、水耗指標。將這些指標與國內標準、國際指標進行比較，了解建筑的用能效率水平，尋找節能點。
    (4)重點實驗室能耗分析
    重點監測高能耗實驗室、不間斷運行實驗室等重要用能區域的能耗、水耗，實時統計其能耗，及時發現重點區域的用能問題。
    7.報表管理
    利用計算機展示分析技術對采集到的用能數據進行數據挖掘，生成能耗統計報表、電量統計報表、偏差分析報表、最大值/最小值分析報表，并對生成的報表進行管理。
    (1)全院總能耗統計報表
    提供整個實驗基地的日、月、年總能耗的統計報表，實現能耗數據報表查詢、打印功能，并能輸出特殊統計要求的對外能耗統計報表。
    (2)分項統計報表
    根據計量院管理要求，在基于分項計量設備采集數據的基礎上，提供按照管理層級要求的能耗統計報表的編制、查詢和打印功能。
    (3)特定統計報表
    提供用戶能夠按照具體時間、計量點、實驗要求編制能耗統計報告或報表的功能。
    8.系統管理
    (1)系統維護
    系統維護模塊是整個系統的基礎，只有在系統維護中完成基礎的功能設置和維護功能，用戶才可以在IE瀏覽器中看到監測畫面和數據，提供系統監視與數據庫鏈接的友好界面。
    (2)用戶授權管理
    用戶授權分為4種角色，他們分別擁有系統管理員功能、數據測點配置功能、曲線查看功能和基礎數據維護功能，從而維持對整個系統有秩序的運行。
    9.擴展接口
    由于本系統采用分期建設方式，因此，軟件需要為今后的監測范圍擴展預留接口。系統支持的擴展包括:①計量院實驗基地能耗統計、能效分析的深度與廣度；②計量院實驗基地二期建筑及用能系統的統計分析；③計量院其他院區及其他實驗基地監測數據的集成。
    

四、結束語

    本文所設計的能耗監測與管理系統軟件是計量院開展節能減排工作，加強基礎能源管理的基礎。同時也是摸清計量院實驗基地用能家底及用能特點，實現能耗基礎數據管理可監測性，以便進一步開展各種節能改造、節能管理工作的定量管理平臺。另外，也在為寒冷地區類似科研類建筑的運行提供可供參考的能耗指標方面發揮了重要作用。