季文娟 張廣明 唐桂忠 李 果

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院1，江蘇 南京 210009;江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心2，江蘇 南京 210009)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源需求不斷增長與能源日益匱乏的矛盾日趨嚴重。我國能源利用率低，單位建筑面積采暖能耗為發(fā)達國家的2～3倍。因此，節(jié)能是改善環(huán)境、提高國際競爭力的必然選擇，它已成為全社會共同關(guān)注的熱點[1－2]。在能源消耗的各領(lǐng)域中，建筑領(lǐng)域是耗能大戶。而高校校園普遍存在多種能耗浪費的現(xiàn)象，是一個特殊的耗能大戶[3]。但目前國內(nèi)外結(jié)合高校的具體情況進行綜合節(jié)能分析與改造的示例不多，研究與應用不夠完善。本文提出用分項計量技術(shù)與數(shù)字化手段相結(jié)合建設節(jié)約型校園的構(gòu)想。這是高校校園節(jié)能發(fā)展的需求和趨勢，也是我國目前有待深入研究的前沿應用型課題。

1 節(jié)約型校園數(shù)字化建設

數(shù)字化校園是指利用計算機技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)將學校的各項資源數(shù)字化，構(gòu)成統(tǒng)一的用戶管理、資源管理和權(quán)限控制模式，以實現(xiàn)教育信息化、決策科學化和管理規(guī)范化，完成校園的信息傳遞和資源共享[4]。

建設節(jié)約型校園不僅是學校自身發(fā)展的需要，更是學校應有的社會責任。教育部《關(guān)于建設節(jié)約型學校的通知》中提出：建設節(jié)約型校園就是以提高資源利用效率為核心，以節(jié)能、節(jié)水等資源綜合利用為重點，大力加強資源的循環(huán)利用[5]。

住房和城鄉(xiāng)建設部于2008年相繼發(fā)布了《高等學校節(jié)約型校園建設管理與技術(shù)導則》和《抓緊落實高等學校節(jié)約型校園建設工作要求》，指明了高等學校節(jié)約型校園建設的政策依據(jù)、存在的問題、工作方向及近期目標[6]。節(jié)約型校園數(shù)字化建設的結(jié)構(gòu)包括6個層次：表現(xiàn)層、應用層、信息資源與數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施層、能耗分項計量層以及分項能耗采集層。

通過分項能耗采集系統(tǒng)采集校園內(nèi)各分項能耗數(shù)據(jù)，并傳遞到能耗分項計量層，然后通過網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施層將能耗數(shù)據(jù)信息上傳到信息中心和數(shù)據(jù)庫。在應用層，分項能耗數(shù)據(jù)被應用于信息服務、后臺管理等各子系統(tǒng)，最后展現(xiàn)在數(shù)據(jù)管理人員、學校管理人員以及社會公眾的面前。

2 校園能耗分項計量

2.1 分項計量的數(shù)據(jù)需求

根據(jù)建筑用能特點，分項能耗數(shù)據(jù)采集指標為4項：照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊用電[7]。通過對相關(guān)支路計量表具能耗數(shù)據(jù)的數(shù)學運算，獲得分項能耗指標。

由于目前大型建筑內(nèi)普遍安裝1～3塊計量表，計量深度不夠，無法對建筑能耗進行準確拆分進而準確發(fā)現(xiàn)建筑用電問題所在，所以必須分項計量。

2.2 分項計量的軟硬件配置

數(shù)據(jù)中心軟件包括：① Windows XP professional中文版工作站操作系統(tǒng);②Windows 2003 server中文版服務器操作系統(tǒng);③防火墻、防毒軟件等;④MS SQL數(shù)據(jù)庫管理軟件;⑤數(shù)據(jù)采集軟件;⑥數(shù)據(jù)分析軟件。

數(shù)據(jù)采集器必須具備8～16個RS-485采集接口，通信的最大速率不小于115 200 bit/s，通信協(xié)議支持DL/T 645、GB/T 19582;每個接口可獨立配置，支持計量設備數(shù)量不少于32臺;采集周期可根據(jù)數(shù)據(jù)中心命令或主動定時采集;存儲容量不小于16 MB;至少具有1 個有線遠傳接口[8]。

2.3 分項能耗數(shù)據(jù)采集和傳輸

數(shù)據(jù)采集器定時采集、上傳能耗數(shù)據(jù)，采集周期可以在10 min～1 h范圍內(nèi)靈活配置;一般規(guī)定分項能耗數(shù)據(jù)每15 min上傳1次，不分項的能耗數(shù)據(jù)每1 h上傳1次。

為保證數(shù)據(jù)上傳的實時性、可靠性，所選網(wǎng)絡必須結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，設備接入靈活性高、數(shù)據(jù)采集實時性強。

考慮到校園的通信和網(wǎng)絡設施一般比較完備，可以利用有線和無線校園網(wǎng)傳輸分項能耗數(shù)據(jù)，降低運行成本，擺脫電信運營商的束縛。設計過程中將ZigBee技術(shù)應用于校園內(nèi)部能耗數(shù)據(jù)的短距離無線傳輸，充分發(fā)揮其低功耗、低成本、短時延、高容量和高安全的優(yōu)勢。

高校通過統(tǒng)一的校園網(wǎng)接入Internet，更好地保證了安全性和方案管理。

3 校園建設的模式

依托多學科，綜合應用工業(yè)級實時數(shù)據(jù)采集、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信、計算機信息安全、大型數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代技術(shù)，本文提出了節(jié)約型校園數(shù)字化建設的基本模式和擴展模式，實現(xiàn)了高校各能耗系統(tǒng)的信息交互、點面對接和實時監(jiān)控。

校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)由計量表具、數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站、數(shù)據(jù)服務器和管理軟件組成。系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用B/S構(gòu)架。

系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system topology

3.1 基本模式

基本模式是節(jié)約型校園數(shù)字化建設的必選模式，其通過建設基本模式能達到校園能耗實時監(jiān)管的目的，真正實現(xiàn)數(shù)字化節(jié)約型校園。它主要包括校園電能計量管理系統(tǒng)、校園用水及給水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、校園戶外照明智能管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡預付費電能管理系統(tǒng)以及節(jié)能管理專家系統(tǒng)。

校園用水及給水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)通常使用基于TCP/IP協(xié)議的校園網(wǎng)絡，采用有線網(wǎng)絡端口或由無線通信模塊接入校園網(wǎng)絡，實現(xiàn)對學校各部門的用水情況監(jiān)控與管理。系統(tǒng)具備智能化數(shù)據(jù)分析功能，可進行漏失分析和用水異常識別，幫助管理人員進行綜合決策。校園用水及給水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 用水及給水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Monitoring system of water consumption and water supplying networks

校園戶外照明主要包括校園路燈、景觀照明和戶外公共設施照明等。校園戶外照明智能管理系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字矢量地圖技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制方法。在每段路管理模式一致的路燈上安裝一個路燈載波控制器，控制器直接通過低壓載波電力線與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通信，無需敷設專用通信線。

根據(jù)人性化的控制方案，我們對校內(nèi)各路段的路燈制定不同的開關(guān)燈周期策略，如季節(jié)策略、夜間高峰期策略、假期策略等。校區(qū)內(nèi)路燈通過網(wǎng)絡隨時隨地輕松管理，在改善控制效果的同時，也帶來了可觀的節(jié)電效益。

校園戶外照明智能管理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 戶外照明智能管理系統(tǒng)Fig.3 Intelligent management system of outdoor lighting

3.2 擴展模式

擴展模式是指在啟用了基本模式的前提下，根據(jù)各學校具體情況決定是否啟用的可選模式。校園用電系統(tǒng)主要包括教室照明智能管理系統(tǒng)、教室空調(diào)智能管理系統(tǒng)、校園太陽能發(fā)電和集熱系統(tǒng)、校園安全保衛(wèi)系統(tǒng)、公共浴室計時節(jié)水系統(tǒng)和圖書館水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

擴展模式是對基本模式的補充和擴展，它能使校園更好地使用、管理能源，更大程度地降低能耗。

教室照明智能管理系統(tǒng)通過紅外微波雙鑒探測器和門磁開關(guān)分別采集有無人及開關(guān)門信號，并將其送到控制器中?？刂破魍ㄟ^邏輯判斷，自動控制教室照明回路的通斷。通過在教室內(nèi)不同位置安裝光敏裝置，感應相應位置的光線強度。在工作時段內(nèi)，紅外探測器的監(jiān)測信號判斷教室內(nèi)是否有人，如“無人”，控制程序進入延時。

在延時時段內(nèi)，如果DDC控制器沒有再收到“有人”信號，則延時結(jié)束后，DDC控制器自動切斷照明回路;如在延時時段內(nèi)接收到“有人”信號，DDC控制模塊立即中止延時，重新等待“無人”信號。當教室有人但光敏裝置感測到光線不足時，自動開啟照明系統(tǒng)，以保證師生們有一個良好的教學環(huán)境。

教室空調(diào)智能管理系統(tǒng)通過在教室內(nèi)安裝CO2濃度檢測裝置，定時采集教室內(nèi)CO2的濃度數(shù)據(jù)并上傳到數(shù)據(jù)中心，與設定的濃度閾值進行比對，結(jié)合季節(jié)影響因素，分析教室的人數(shù)和通風情況。當CO2濃度達到預設的換風額定值時，自動開啟空調(diào)系統(tǒng)進行換風，并且換風頻率根據(jù)教室內(nèi)CO2實時濃度自動進行動態(tài)調(diào)節(jié);當教室內(nèi)CO2濃度降到預設的濃度最低限值時，自動關(guān)閉空調(diào)換風系統(tǒng)。

該系統(tǒng)還可以根據(jù)江蘇地區(qū)氣候特點和相關(guān)政策的要求對室內(nèi)溫度進行設置：夏季室內(nèi)空調(diào)溫度不低于26℃，冬季室內(nèi)空調(diào)溫度不高于20℃，以實現(xiàn)節(jié)能的目標。

4 結(jié)束語

建設節(jié)約型數(shù)字化校園是學校實現(xiàn)全面節(jié)能信息化的建設目標，是高校建設發(fā)展的必然趨勢。它要求高校在校園設施建設和運行管理中充分體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的思想。相信隨著計算機及網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)會不斷涌現(xiàn)，節(jié)約型校園數(shù)字化建設的內(nèi)涵、技術(shù)會不斷地加以豐富和提高。

本文旨在拋磚引玉，為目前節(jié)約型校園數(shù)字化建設提出了發(fā)展方向，但在進行具體的實施和進一步的理論、實踐研究中仍有大量的研究工作需要補充及完善。

[1]Mathews E H，Arndt D，Geyser M F.Reducing the energy consumption of a conference centre—a case study using software[J].Energy and Building，2002，37(4)：437 －444.

[2]胡平放，向才旺，丁學俊，等.中國建筑能耗現(xiàn)狀特征[J].武漢城市建設學院學報，1998，15(2)：39 －43.

[3]趙慶波，單葆國.世界能源需求現(xiàn)狀及發(fā)展[J].中國能源，2002(2)：34－36.

[4]王曼珠，何文才，楊亞濤.無線局域網(wǎng)IEEE802.11的安全缺陷分析[J].微電子學與計算機，2005，22(7)：189 －192.

[5]陳翊.節(jié)約型校園建設與評價的研究[D].上海：同濟大學，2008.

[6]住房和城鄉(xiāng)建設部，教育部.建科[2008]89號高等學校節(jié)約型校園建設管理與技術(shù)導則[S].北京，2008.

[7]住房和城鄉(xiāng)建設部.建科[2008]114號 國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗檢測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導則[S].北京，2008.

[8]江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設廳.DGJ32/TJ 111-2010公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程[S].南京：江蘇科學技術(shù)出版社，2011.