安科瑞 李雨轩
摘要：
近年来，我国的基础建设飞速发展，俨然成为了名副其实的基建强国。与此同时，建筑行业的 发展带来的是自然资源的快速消耗，对环境的负担也日益沉重。针对市政工程而言，市政工程施工占用场地大，能源消耗设备转运频繁，能源消耗监测统计困难，节能环保举步维艰。介绍了一种智慧能源管理系统，是在项目建设活动中，通过在现场搭建能耗设备的数据采集平台，以物联网的形式，对能源消耗的各项数据进行采集，并经过软件平台进行数字化的分析，实现建筑工程施工过程中能源的动态管理及实时干预。对建筑工程施工实现节能降耗，提高 人员节能意识有着非常积很的作用。
关键词： 物联网；能耗监测；数据分析；精细化管理
0 引言
随着各行各业精细化管理的加速推进，国家更是下大力度提升企业的管理水平。建筑行业作为我国的支柱产业，在历史的浪潮下，自然不能置身事外。日益增长的建筑业与加速消耗的自然资源之间的矛盾正日渐凸显，这就对建筑工程施工中的节能降耗提出了严峻的挑战。在我国，当前的建筑工程施工仍是一项粗放型的行业，人力、物力、财力等资源投入量巨大。然而，建筑施工活动流动性大、机械化程度低、管理粗放，尤其对能源消耗的管理工作更是停留在手抄笔记的初级阶段。同时，无论是现场管理人员还是直接参与施工生产的现场施工人员，节约能源意识淡薄，铺张浪费而不自知。这是建筑施工领域的一大痛点，如何实现建筑施工能源的精细化管控，提高人员节能素质是亟待解决的一个问题。
1 智慧能源管理系统应用背景
北京新机场工作区工程－道桥及管网工程002标段是北京新机场工程中工作区工程的一部分，属于市政公用工程，工程内容包含桥梁、道路、地下综合管廊、管线及部分配套设施等。由于工程为线性工程，延线较长，多区同时作业，资源投入量较大。机场项区同时作业，资源投入量较大。机场项目属于国家重要项目，是环境管理、资源节约管理的标杆项目。为了更好地达到建设资源节约型工地，在工程开工之初，项目决定采用信息化管理的手段，对施工现场所有的水、电、暖等能源进行实时监测，在监测过程中动态管理，在异常情况下进行有的放矢地干预，从而达到节约资源的作用。为此，我们在本工程中试点搭建了智慧能源管理系统。
2 智慧能源管理系统
本案例工程作为试点项目，首先在项目施工现场采用智慧能源管理系统（以下简称管理系统），管理系统依次经由能源数据采集、能源数据传输及能源数据分析三个层面，对办公区、生活区、施工现场的水电等能源进行监测和控制。
图1 系统总界面
2．1 能源数据采集
施工现场的主要能源消耗为水和电，我们根据施工区域和施工需求，分类设置用水用电设备。为了采集项目内的能源消耗数据，需要在现场安装能源计量仪表，对水电的计量一般选择电磁流量计、多功能电能表。在现场安装前，应根据施工现场的实际情况，分区域策划现场能源的使用部位及仪表安装位置，以保证数据采集的精细化，便于进行分类管理。
2．2 能源数据传输
为了能将现场采集的能耗数据方便快捷地上传到系统服务器，要求在现场安装的所有能源计量仪表都需要具备远程通信接口，同时，根据现场的条件选择有线或者无线的方式将计量仪表进行组网，连接到企业通信网关。本案例中，我们选择的是有线方式对水电仪表进行组网，利用RS－485总线连接到通信网关，然后由企业通信网关统一将数据转发至管理系统平台。通信网关采用无线数据传输模式，只需通过一张电话卡连接至GPRS网络，即可实现数据在通信网关和数据存储服务器之间的无缝传输。因此，通信网关的安装不受地域限制，可就近安装在各能耗设备上和各区域附近，这点对于施工场地大的市政工程来说，大大节省了安装成本。
2．3 能源数据分析应用
根据施工现场需求开发的管理系统，利用采集上来的基础数据，可以实现包括对能源的监控、统计、分析、诊断、预警、评估等一系列应用，具体应用情况如下。
2．3．1 能耗分类统计显示功能
通过对施工现场不同区域、不同功能等复杂纷乱的能源消耗设备进行分类划分，可以将多维度的能耗信息直观展示出来，为实现项目能源的精细化管控打下坚实的基础。管理系统支持能耗信息按区域查看、按设备类型查看、按能耗类型查看，同时支持各类图表的纵横向对比查看。本案例工程中，根据现场的实际施工场地，我们将施工区划分为了南区、中区、北区三个区域，三个区域平行施工，互不干扰。三个施工区分别设置有临时用水用电设施，同时，办公区、职工生活区、工人生活区等单独设立，这些场地内的能耗信息可同时显示在系统当中，信息查看方便快捷，一目了然。
图2 能耗信息查看
2．3．2计算单位能源消耗
建筑工程施工中能源消耗量的高低，往往是通过单位能源消耗体现的。通过管理系统收集上来的能源消耗数据，结合工程项目的每月实际产值和建筑面积，可一键生成单位产值能耗和单位建筑能耗指标，实现能源的可视化、信息化与精细化管理。传统的工作方式中，我们需要每月对施工场地内的能源消耗量进行统计，并手工计算单位产值能源消耗量和单位面积能源消耗量，如果施工场地大，分项复杂，则重复工作量大，费时费力。现在，利用管理系统，我们只需每月输入产值和建筑面积等数据，系统可自动计算并生成表格，并且分类清晰，省时省力，大大提高了工作效率。
2．3．3 超量报警和预案处理功能
系统搭建初期，项目部需要根据工程特点和绿色文明施工的要求制定每月的能耗指标，并将这些指标设置为系统的能耗额定值，如果管理系统统计出的各项能耗统计数据超过了额定值，管理系统可以通过短信、微信等多种方式向指定用户发出预警，并自动记录能耗超量的内容、超量部位及时间等，提醒用户进行人为干预或排查原因。同时，还可以对一些重要的能耗设备或能耗区域进行预案设置，一旦这些设备出现了报警，管理系统可以自动启动预案，对设备进行切断等处理。
2．3．4 能耗需量分析
在整个建筑活动周期中，各个阶段的能源消耗量不是一成不变的，它会随着施工阶段、施工内容和时间节点的变化而变化。管理系统搭建以后，根据每月的实际能耗数据，实时动态地对能耗计划进行改进，使其符合不同施工阶段节能降耗的总体要求，进而形成完整的针对不同阶段的能耗考核制度，并纳入项目管理考核体系，对项目人员进行节能考核。当实际能耗小于需量值，对相关人员进行奖励，反之，则进行处罚，并责成相关人员查找原因，避免情况再次发生。实现对能源消耗的动态管控，提高人员节能意识，实现节能目标。
本案例工程中，根据项目实际情况，8月份我们对项目部生活区制定的用电指标量为：每月用电量不超过 6000kWh，即每天不超过200kWh。通过系统监测，月初每日用电量经常出现超标现象，长此以往，本月势必不能完成6000kWh的用电指标。为查找用电超量原因，经过多次对超标日用电曲线的对比发现，在上班时间段，生活区宿舍仍存在较大的用电量，因此我们分析，职工在上班期间，宿舍内可能存在灯具、空调等用电设备未关闭的情况。经过突击检查，发现果然如预期分析一般，许多宿舍存在空调长期打开的现象。通过对相关宿舍人员的处罚教育，并制定相应的用电管理规定，职工生活区用电情况得到了很大的改善。图 3、4 为改善前后每日用电曲线。
2．3．5 报表统计和打印及历史记录查询功能
建筑工程资料的收集与整理是一项很其繁琐的工作，往往需要配备专人负责，而且如果资料统计一旦滞后，对过往数据的查找也相当困难。管理系统可以按日期提取各种能耗数据报表，省去了人工现场统计的麻烦；还可以对项目中各种能耗设备、同类施工区域进行平行和竖向对比，并自动生成表格、柱状图、折线图等多种类型的对比数据图表，同时还可以使用我们自己设定的计划值与实际值对比分析的模板自动生成报表，省去了人工分析计算的麻烦。这些图表全部可以下载和打印，减少了人力资源的投入，提高了工作效率。另外，这些表格数据、运行参数、系统报警信息等自动长久保存在服务器，用户可以随时在线进行查询。
图5 各类统计报表
3 经济和社会效益分析
2017年5月，管理系统在项目内搭建完成。
本案例工程中，管理系统搭建完成之前，项目用水、用电平均月费用分别为24万元3万元。管理系统搭建完成以后，月能耗总体费用平均下降达3．4万元，效益提升明显。在过去，施工现场的违规用电、能源浪费等情况只能通过管理人员的定期检查发现，而现在通过管理系统，就可以对施工现场内所有的能源消耗分区域、分设备地进行控制和干预，化被动为主动，避免了能源无谓的浪费。同时，效益的直观展现，能够很大地促进项目全体管理人员严格按照能耗考核制度办事，提高员工节能环保的意识，让大家都能够自愿参与到项目的节能行动中来。
其次，对于一个工期两年的建筑工程项目，在施工现场搭建一个这样的管理系统，按一次性投入费用和每月平均节约费用计算，这一部分的投入成本基本在6个月内就可以完全回收。但是搭建管理系统所使用的水电仪表、通信设备等并非一次性投入，而是全部可以周转使用，所以效益远远大于投入。
4 安科瑞企业智慧能源管理系统介绍
安科瑞企业智慧能源管理系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、重大能耗设备的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、用能预测、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。
4．1 系统结构
钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、物流、铁路、航空工业、木材、化学原料以及机电设备、电器产品、工器具制造等。
4．3 系统功能
4．3．1 可视化展示
展示企业各类能耗总量、折标值、能源成本、能源消耗趋势、分项能耗占比、区域能源消耗对比，以及当前天气情况、污染情况，并三维展示企业重要工艺或工段的能源消耗动态。
4．3．2 实时监控
对企业生产工序及重要耗能设备的各类能源使用情况及能源异常事件进行进行实时监控，尽可能地确保整个能源供给、转换和消耗过程的保障、可靠和稳定。
实时监控企业，区域，车间，产线，工序，设备的电、水、燃气、压缩空气、流量、压力、温度等状态。
实时监视空调的运行状态，可远程设定工作模式、室内温度值，风机三速、水阀开／关，达到舒服、节能的目的。
4．3．3 变压器监控
展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出较佳运行模式。根据较佳运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。
4．3．4 用能统计
对企业各级的电、水、气等分类／分项能源消耗进行计量，通过对比相同颗粒度的能耗使用情况，了解不同对象的能耗规律，自动对这些对象进行能耗排名，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。
对计量监测对象的用能按日、周、月、季、年进行同环比分析建立数据分析模型，支持多节点对比分析。
生成企业各节点的日、周、月、季、年用能报表。
对计量监测对象进行用能排名。
对企业峰平谷用能按周、月、季、年进行统计。
对单位产品／产值综合能耗按周、月、季、年进行统计。
4．3．5 产品／产值单耗
与企业ERP、MES、PLC、DCS、SCADA、用户自研的信息管理系统对接，监控企业的生产工艺耗能及单位产品耗能情况，及时掌握企业的生产状况，确保设备的保障、稳定、经济运行，并进行多维度分析，以便企业能够及时调整生产工艺，降低生产成本，提高产量，量化每一参数调整对能耗的影响。
4．3．6 绩效分析
对企业能源使用、消耗、转换及单位产品能耗按照日、周、月、年等时间维度进行绩效分析，结合能源绩效指标或行业指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力。
统计企业单位能源消耗、能源强度能源转换率等能源绩效指标，评估企业能源绩效水平。
根据工序产品单耗、各分类能源产品单耗、回收能源产品单耗，结合行业／国家／国际指标，对企业能效做出诊断。
按照能源计划或制定的绩效指标，对企业各级进行KPI考核，量化人员差距。
4．3．7 能耗预测
通过对企业生产工艺、生产设备等的能耗使用情况进行分析，建立能耗计算模型，根据人工智能算法对数据和模型进行修正，对未来企业能耗趋势进行预测分析，为节能提供有效的决策依据。
4．3．8 运行监测
系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测重要设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。
4．3．9 分析报告
以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行多方面的统计分析，让用户多方面了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。
4．3．10 事件报警
持续监测设备和系统运行，对通讯失败、数据异常、定额超限、工艺参数异常越限、设备异常或故障进行报警，提醒企业注意和查找问题，并形成报警日志。
4．3．11 移动端支持
APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、效率分析、同环比分析、能耗折标、用能预测、运行监视、异常报警等。
4．4 现场设备选型
5 结语
随着全球能源短缺问题的日益突出，人们开始关注环境与发展问题，我国也高度重视和积很推进经济的可持续发展。政府大力提倡绿色文明施工，设立绿色施工科技示范工程等项目，就是为了推进建筑施工领域节能减排的进程。十九大报告中强调，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾，人们对美好生活的追求已经不仅仅体现在物质生活上的满足，开始更多地体现在资源持续利用和环境保护上。现如今，为响应政府号召，几乎所有的在施项目都在开展节能降耗工作，但是具体的节能效果如何，无法衡量，降低了多少能源消耗，也不能准确计算。通过此管理系统在项目的实施，有效地解决了以上问题。在管理系统实施前后，通过分析对比可以看出，项目部每月的能源费用支出均有很大的降低，不仅节约了项目成本，避免了资源的浪费，还对项目绿色施工科技示范工程目标起到了积很的推动作用。另一方面，在提高员工主动节能意识、提高企业竞争力等方面带来了隐形效益，为建立资源节约型企业打下良好基础。所以，此管理系统的实施不论是在经济效益还是在社会效益方面的贡献都是显而易见的。因此，在建设工程领域，这是一套非常有应用前景，可以在项目建设过程中大力推广的系统。
参考文献
［1］姬海臣，陈治平．“智慧能源工业云”系统平台的创新设计［J］．上海节能，2015，（9）：474－478．
［2］仝子聪． 徐志新． 黄旭腾． 任圆．智慧能源管理系统在工程施工中的应用［J］．
［3］安科瑞企业微电网设计与选型手册．2021．10版．
［4］安科瑞企业能源管控平台．2020．08版．
